Вопрос56. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока.

Принцип действия машины постоянного тока.

Для всех машин постоянного тока основными являются уравнения ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, и электромагнитного момента взаимодействия токов якоря и основного магнитного поля ма­шины.

Электродвижущая сила обмотки якоря.

Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Для её получения обратимся к рисунку 8.7 б, где : B – максимальное значение индукции, τ – полюсное деление, или линейный размер между полюсами : ( где D_я – внешний диаметр якоря, а 2p – число пар витков). При выводе формулы ЭДС бу-дем исходить из прямоугольного распределения индукции B в зазоре(рис. 8.7 б). Исходя из этого и учитывая тот факт, что ЭДС обмотки определяется суммой ЭДС секций, входящих в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников N/(2a), запишем

(8.1)

Обмотка якоря состоит из N активных проводников. Щётки делят эту обмотку на 2a параллельных ветвей. Таким образом, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяются N/2a активных проводников. ЭДС якоря – это ЭДС одной параллельной ветви обмотки, которая равна сумме ЭДС, индуцируемых в составляющих её проводниках.

При движении одного пазового проводника обмотки якоря в магнитном поле под полюсом (рис. 8.7 а) проводник пересекает магнитные линии и в нём индуцируется ЭДС:

, (8.2)

где: l – активная длина проводника, V – окружная скорость якоря, B_ср – среднее значение магнитной индукции в пределах полюсного деления τ.

Окружную скорость вращающегося якоря (м/с) двухполюсной машины, для которой f=n заменим частотой вращения (об/с=1/с):

(1/с), а затем частотой вращения реальной машины, имеющей p пар полюсов и для которой f=pn (об/мин):

(8.3), где (8.3а)

Подставляя выражения (8.2) и (8.3) в уравнение (8.1), получим:

(8.4)

Учитывая, что произведение

(8.5) – это основной магнитный поток одного полюса, уравнение (8.4) можно записать так:

, (8.6) , где (8.7) – постоянная для данной машины величина.

Из выражения (8.6) следует, что ЭДС якоря E_я пропорциональна основному магнитному потоку и скорости вращения n и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.

У двигателя эта ЭДС направлена против тока и называется противоэлектродвижущей силой – противоЭДС.

Как следует из выражения (8.6), электродвижущую силу якоря можно регулировать посредством изменения магнитного потока Ф или посредством изменения частоты вращения якоря n.

Электромагнитный момент

Взаимодействие тока якоря с магнитным полем при работе машины в режиме двигателя создает вращающий момент, а при работе в режиме генератора – тормозной момент.

Направление передачи энергии при этих двух режимах различно, но природа электромагнитного момента одна и та же.

На каждый из N активных проводников обмотки якоря, находящихся под полюсами машины, действует сила

(8.8)

Сумма этих сил создает электромагнитный момент, воздействующий на якорь:

Учитывая (8.8), а также то, что ток параллельной ветви (см. также рис. 6РВ б), получим:

Используя выражение основного магнитного потока (8.5), а также имея ввиду, что [см. формулу (8.3 а)], получим выражение электромагнитного момента (Н∙м):

, (8.9), где - ток якоря, А; I – ток одного пазового проводника; (8.10) – величина, постоянная для данной машины, которая с учетом (8.7) может быть представлена и так: (8.11)

Подставив из (8.6) в (8.9) выражение основного магнитного потока , получим ещё одно выражение электромагнитного момента:

, (8.12), где - угловая скорость вращения;

(8.13) - электромагнитная мощность машины постоянного тока (Вт).

Из (8.12) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения.

Вопрос 57. Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: напряжение на зажимах U;ток возбуждения I_В; ток якоря I_Я или ток нагрузки I;частота вращения n.

Обычно генераторы работают при n=const. Поэтому основные характеристики определяются при n=n_н=const/

Существует пять основных характеристик генераторов: холостого хода; короткого замыкания;

внешняя; регулировочная; нагрузочная.

Наиболее важными являются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная.

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения: при I=0 и n=const.

и определяет зависимость U или ЭДС якоря от тока возбуждения при холостом ходе (I=0, P₂=0).

Регулируя ток возбуждения I_В от 0 до I_{В НОМ} и от I_{В НОМ} до 0 при отключенной нагрузке, получают восходящую и нисходящую кривые (рис.8.9). Характеристика снимается экспериментально при отключенном рубильнике.

Несовпадение кривых объясняется явлением гистерезиса в магнитной цепи индуктора. За расчетную характеристику принимают среднюю кривую. Для всех типов генераторов характеристика холостого хода практически одинакова. Она позволяет оценить магнитные свойства машины.

Рис. 8.9 Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения.

Эта кривая состоит из следующих характерных участков:

0Е₀ – ЭДС, индуцируемая в якоре остаточным магнитным потоком, сохранившимся от предыдущего намагничивания машины;

Е₀а – прямолинейный участок, соответствующий ненасыщенному состоянию машины;

“ав” – средненасыщенный участок или «колено» кривой;

“вс” – участок магнитного насыщения машины.

При нормальных условиях эксплуатации магнитная цепь генератора должна быть в состоянии среднего насыщения, т.е. номинальное значение напряжения U_НОМ находится на колене характеристики “ав”. Это условие обеспечивает устойчивую работу генератора.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментально и составляет основу исследования эксплутационных свойств машины.

Внешняя характеристика генератора является зависимостью напряжения генератора U от тока нагрузки:

U = f(I) при I_В = const и n = const

U=Е–I_ЯR_Я

и определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.В генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения при увеличении нагрузки обусловлено тремя причинами: падением напряжения в обмотке якоря, реакцией якоря и уменьшением тока возбуждения от первых двух причин (I_В=U/R_В).

Поэтому внешняя характеристика генераторов с параллельным возбуждением более крутая по сравнению с характеристиками генераторов независимого и смешанного возбуждения (рис.8.10, кривая 2).

Рис. 8.10. Внешние характеристики генераторов: 1 – с независимым возбуждением; 2 – с параллельным; 3 – с последовательным; 4 – со смешанным включением при согласном включении обмоток; 5 – то же при встречном включении обмоток.

В генераторах со смешанным возбуждением основной является параллельная обмотка, а вспомогательной - последовательная. Соединение последовательной обмотки может быть: согласным, что позволяет получить увеличение магнитного потока при росте тока нагрузки, а, следовательно, стабилизировать напряжение (рис.8.10, кривая 4); встречным, когда магнитные потоки параллельной и последовательной катушек на каждом полюсе направлены навстречу друг другу. При встречном включении обмоток напряжение генератора при нагрузке резко падает (рис.8.10, кривая 5) и одновременно обеспе­чивается постоянство тока. Поэтому такие генераторы, используются для выполнения высококачественной, электродуговой сварки, т. е. когда необходимо получить крутопадающую внешнюю характеристику.

Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

(обычно для генератора независимого возбуждения ΔU_ном=5-10%, а для генератора параллельного возбуждения ΔU_ном=10-30%).

Регулировочная характеристика показывает, каким следует поддерживать ток возбуждения I_в при различных нагрузках генератора, чтобы его напряжение было постоянным, т.е.

I_B=f(I_H) при U=const и n=const

Регулировочные характеристики (рис.8.11.) обратны кривым внешних характеристик генераторов постоянного тока.

С увеличением I ток I_В необходимо несколько увеличивать, чтобы компенсировать влияние падения напряжения I_ЯR_Я и реакции якоря.

Рис. 8.11. Регулировочные характеристики, генераторов постоянного тока: I - независимого возбуждения; 2 - параллельного; 3 - смешанного

Режим двигателя. Благодаря обратимости электрических машин генераторный режим машины может быть изменен на двигательный. Особенно просто такое изменение режима осуществляется в генераторе с параллельным возбуждением, работающем на сеть постоянного тока. Для этого достаточно уменьшить ток возбуждения настолько, чтобы ЭДС якоря стала меньше напряжения сети. Преобладание напряжения сети вызовет изменение направления тока в обмотке якоря I_Я, который в таких условиях будет создаваться разностью напряжения сети и ЭДС якоря, т.е.

I_Я=(Е–Е_Я)/R_Я

Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать не тормозной, а вращающий электромагнитный момент.