3. Машины постоянного тока

Рис. 3.26. Схематический поперечный разрез МПТ с двумя парами полюсов.

Рис. 3.27. Продольный разрез якоря.

Рис. 3.28. Схема соединения обмоток якоря с пластинами коллектора и щетками. Знаками "+" и "–" отмечено подключение щеток к источнику питания. Для простоты показано небольшое количество секций обмотки.

Двигатели и генераторы постоянного тока имеют одну конструкцию, поэтому носят общее название "машины постоянного тока" (МПТ). Двигателем или генератором машина становится в зависимости от режима работы.

Общая характеристика двигателей

Основные достоинства: легкость регулировки скорости, большой пусковой момент, большая перегрузочная способность.

Основные недостатки: относительная дороговизна и сложность конструкции, необходимость обслуживания коллекторно-щеточного узла, а также его износ и искрение.

Основная область применения: регулируемый привод постоянного тока.

Общая характеристика генераторов

Генераторы постоянного тока (ГПТ)- это регулируемые источники постоянного напряжения. Их применяют в качестве источников питания бортовой сети транспортных средств, а также в промышленности для питания двигателей постоянного тока и других устройств. Некоторые ГПТ позволяют получить большие токи, необходимые, например, для питания электролитических ванн или электросварки.

В настоящее время вместо ГПТ все чаще применяют полупроводниковые выпрямители, в том числе управляемые. Для их питания используют промышленную сеть или автономные синхронные генераторы.

Устройство МПТ

МПТ состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Статор МПТ иногда называют индуктором, а ротор чаще всего называют якорем. Цилиндрический стальной корпус статора одновременно служит магнитопроводом. Изнутри к нему крепятся главные полюса с обмотками возбуждения, а также дополнительные полюса со своими обмотками.

Для подавления вихревых токов стальной сердечник якоря набирается из отдельных изолированных пластин. В его пазах укладывается обмотка (рис. 3.1).

Коллектор расположен на валу машины. Он состоит из изолированных медных пластин, составляющих цилиндрическую поверхность. К этой поверхности прижимаются графитовые щетки, закрепленные на статоре. К пластинам коллектора подключены секции обмотки якоря (рис. 3.2, 3.3).

Принцип действия МПТ

Ток в обмотках возбуждения создает основное магнитное поле машины. В этом поле находятся проводники обмотки якоря, по которым течет ток. На них действует сила Ампера. Она действует также и на носители микротоков, возбуждаемых токами обмотки якоря на поверхности его сердечника. Эта сила создает вращающий момент двигателя или момент сопротивления генератора.

Обмотки якоря движутся в магнитном поле статора. Согласно закону электромагнитной индукции это приводит к возникновению в них э.д.с., которая называется э.д.с. вращения Она создает напряжение и ток якоря ГПТ. В режиме двигателя она направлена противоположно э.д.с. источника питания и компенсирует большую часть его напряжения.

Вращаясь, пластины коллектора поочередно подключают к щеткам секции обмотки якоря. Это происходит так, что в проводниках, расположенных под каждым из основных полюсов, ток все время течет в одном направлении и создает постоянный крутящий момент. В режиме генератора коллекторно-щеточный узел работает как механический выпрямитель, обеспечивая практически постоянное напряжение на щетках.

Дополнительные полюса устраняют искажение основного магнитного поля, возникающее от токов обмотки якоря. В обмотках дополнительных полюсов течет ток якоря. В машинах малой мощности дополнительные полюса не устанавливают.

Классификация по способам возбуждения. Механические характеристики двигателей и внешние характеристики генераторов.

Конструкции МПТ и их характеристики различаются в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость его частоты вращения и момента. Внешней характеристикой генератора называется зависимость его напряжения от тока нагрузки. Характеристикой холостого хода генератора называется зависимость напряжения холостого хода от тока возбуждения. Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при условии постоянного напряжения генератора.

Машины с независимым возбуждением

Обмотка возбуждения таких машин питается от отдельного источника напряжения (рис. 3.4).

Рис. 3.29. Схема подключения обмоток МПТ с независимым возбуждением.

Рис. 3.30. Схема подключения обмоток машины с параллельным возбуждением.

Машины с параллельным возбуждением

Рис. 3.31. Механические характеристики ДПТ с независимым и с параллельным возбуждением.

Рис 3.7. Внешние характеристики ГПТ с независимым и с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря таких машин включаются параллельно (рис. 3.5). ДПТ с независимым и параллельным возбуждением имеют слабую зависимость скорости от момента на валу. Такие характеристики называются жесткими (рис. 3.6).

С ростом момента на валу ДПТ напряжение на якоре немного снижается вследствие роста тока и влияния внутреннего сопротивления источника питания. Это уменьшает ток возбуждения и основное магнитное поле двигателя с параллельным возбуждением. Поэтому он вращается чуть быстрее, чем такой же двигатель с независимым возбуждением и той же нагрузкой. (Подробнее о влиянии основного поля на скорость ДПТ сказано далее.)

С ростом тока нагрузки напряжение ГПТ с параллельным возбуждением уменьшается вследствие влияния внутреннего сопротивления цепи якоря и размагничивающего действия якоря, что приводит с снижению тока возбуждения генератора и к дополнительному уменьшению его напряжения. Поэтому напряжение ГПТ с параллельным возбуждением сильнее зависит от тока, чем у ГПТ с независимым возбуждением.

Машины с последовательным возбуждением

Рис. 3.8. Схема подключения обмоток МПТ с последо- вательным возбуждением.

Рис. 3.9. Механическая характеристика ДПТ с последовательным возбуждением.

Рис. 3.10. Внешняя ха- рактеристика ГПТ с последовательным возбуждением.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря таких машин включаются последовательно (рис. 3.8). ДПТ с последовательным возбуждением имеют "мягкие" характеристики, то есть их скорость сильно зависит от момента на валу (рис. 3.9). Такая зависимость автоматически подстраивает скорость под нагрузку, обеспечивая постоянную мощность двигателя. Эти двигатели отличаются хорошими пусковыми характеристиками и большой перегрузочной способностью. Они применяются, например, для привода электротранспорта и подъемных механизмов.

ДПТ с последовательным возбуждением не имеют скорости холостого хода. Их нельзя включать без нагрузки, т.к. при этом они разгоняются до тех пор, пока не происходит механическая авария.

Ток нагрузки ГПТ с последовательным возбуждением является одновременно его током возбуждения. Поэтому на холостом ходу основное магнитное поле обусловлено только намагниченностью статора и генератор дает небольшое напряжение. При больших токах нагрузки напряжение падает из-за влияния сопротивления цепи якоря и размагничивающего действия якоря. ГПТ с последовательным возбуждением применяются в специальных случаях.

Машины со смешанным возбуждением

Они имеют две обмотки возбуждения - параллельную и последовательную (рис. 3.11). Характеристики таких машин могут различаться в зависимости от доли магнитного поля, создаваемого каждой из обмоток возбуждения. ГПТ со смешанным возбуждением обычно делают так, чтобы напряжение мало зависело от тока нагрузки (рис. 3.13).

Рис. 3.11. Схема подключения обмоток машины со смешанным возбуждением.

Рис. 3.12. Механическая характеристика ДПТ смешанного возбуждения.

Рис. 3.13. Внешняя характеристика ГПТ смешанного возбуждения.

Схема замещения МПТ

Рис. 3.14. Схема замещения МПТ.

МПТ представляется схемой замещения, изображенной на рис. 3.14. Здесь u - напряжение на якоре, R - сопротивление цепи якоря, i - ток якоря, e - э.д.с. якоря (э.д.с вращения). Такая структура схемы следует из того, что напряжение на якоре складывается всего из двух составляющих, одна из которых определяется законом Ома, а вторая - законом электромагнитной индукции:

. (3.1)

При i > 0 (u > e) машина находится в режиме двигателя, при i = 0 (u = e) - в режиме идеального холостого хода, при i < 0 (u < e) - в режиме генератора.

Основные уравнения МПТ

По закону электромагнитной индукции э.д.с. вращения e пропорциональна частоте вращения якоря n и основному магнитному потоку машины Ф:

, (3.2)

где k_e - коэффициент, зависящий от конструкции машины.

Подставив (3.2) в (3.1), получим выражение для частоты вращения машины:

. (3.3)

По закону Ампера момент машины М пропорционален току якоря и основному магнитному потоку:

, (3.4)

где k_M - коэффициент, зависящий от конструкции машины. Основной магнитный поток Ф пропорционален току возбуждения (у МПТ со смешанным возбуждением - полному току возбуждения).

Регулировка частоты вращения ДПТ

Уравнение (3.3) показывает, что для управления частотой вращения двигателя можно использовать напряжение на якоре, сопротивление цепи якоря и поток возбуждения. Ток якоря зависит от момента (3.4) и определяется нагрузкой двигателя, поэтому он не может быть параметром управления.

Напряжение на якоре можно менять с помощью транзисторных или тиристорных регулируемых вторичных источников постоянного напряжения. Это наиболее удобный и современный способ. Он экономичен и обеспечивает "жесткие" характеристики, то есть при заданном напряжении якоря частота вращения мало зависит от момента (вследствие малого сопротивления цепи якоря, см. уравнения (3.3, 3.4)). В качестве регулируемого источника напряжения можно использовать ГПТ, однако это техническое решение морально устарело.

Сопротивление цепи якоря изменяют посредством включения в нее дополнительных резисторов. Это позволяет регулировать частоту вращения ДПТ в широких пределах. Однако, характеристики двигателя получаются мягкими, что часто бывает неудобно, и в резисторах бесполезно выделяется большая мощность. Кроме того, обгорают контакты, подключающие резисторы. Все это ограничивает применение такого способа регулировки скорости.

Поток возбуждения можно менять, регулируя ток возбуждения. Обычно это делают, включая в цепь возбуждения дополнительные резисторы. Если двигатель не последовательного возбуждения, то ток возбуждения намного меньше тока якоря. Поэтому в дополнительных резисторах выделяется сравнительно небольшая мощность. Механические характеристики получаются жесткими, что обычно и требуется. Однако, такой способ управления позволяет лишь увеличивать скорость двигателя, начиная с основной частоты вращения, которая достигается при максимальном потоке возбуждения.

Регулировка напряжения и тока ГПТ

В соответствии с (3.1 и 3.2) напряжение и ток ГПТ зависят от э.д.с. генератора, которую можно регулировать, меняя поток возбуждения и (или) частоту вращения ГПТ.

Поток возбуждения ГПТ можно легко и быстро изменять с помощью электронных устройств, позволяющих отслеживать состояние нагрузки и генератора. Можно также вручную включать в цепь возбуждения резисторы.

Менять частоту вращения ГПТ часто бывает неудобно или невозможно, так как для этого нужно изменять частоту вращения двигателя, который приводит в действие генератор. Поэтому такой способ регулировки напряжения и тока ГПТ применяется мало.

Пуск и реверс ДПТ

При разгоне двигателя вследствие малой скорости э.д.с. вращения мала по сравнению с тем значением, которое она имеет в номинальном режиме. Поэтому напряжение источника питания при пуске уравновешивается в основном сопротивлением и током цепи якоря (3.1, 3.2). Сопротивление самого якоря очень мало, и при непосредственном включении ДПТ ток якоря будет в десятки раз больше номинального. Это может привести к перегрузке электрической цепи якоря и к механической аварии вследствие увеличения момента на валу двигателя.

Для ограничения пускового тока последовательно с якорем включают дополнительные резисторы, которые по мере разгона выводят из цепи.

Если двигатель питается от регулятора напряжения, то этот же регулятор используется для пуска.

Чтобы реверсировать ДПТ, нужно изменить направление тока якоря или основного магнитного поля двигателя. Для этого надо поменять полярность включения якоря или обмоток возбуждения.

Пуск ГПТ

При пуске ГПТ с параллельным или смешанным возбуждением сопротивление нагрузки не должно быть меньше некоторого критического значения, иначе обмотка возбуждения не получит достаточно тока для создания нормального магнитного поля.

Если сопротивление нагрузки меньше критического, то нужно сначала включить генератор и подождать, когда ток возбуждения и напряжение якоря достигнут номинальных значений, а затем подключать нагрузку.