3.4. Работа машины постоянного тока в режиме двигателя

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, поэтому двигателю необходимо сообщить электрическую энергию. Для этого обмотку якоря включают в сеть постоянного тока. Кроме того, нужно создать магнитное поле. Для этого по обмотке возбуждения пропускают постоянный ток. Ток якоря взаимодействует с магнитным полем возбуждения, возникают электромагнитные силы и момент , который приводит якорь во вращение с частотой об/мин. Величина момента пропорциональна магнитному потоку и току , .

При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится ЭДС . Эта ЭДС направлена встречно току якоря (против приложенного к двигателю напряжения). Поэтому ее часто называют противо-ЭДС. Напряжение , подведенное к цепи якоря двигателя, уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения на сопротивлении цепи якоря

. (4)

В двигателях средней мощности при номинальной нагрузке составляет 90– 95 % от , а падение напряжения – соответственно 10 – 5 %.

Из уравнения (4) можно определить ток якоря

. (5)

Различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Эксплуатационные свойства двигателей оцениваются рабочими, механическими и регулировочными характеристиками.

Например, на рис. 8 показаны рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения: зависимость частоты вращения , величины тока якоря , вращающего момента , коэффициента полезного действия и потребляемой из сети мощности от полезной мощности при неизменных напряжении и токе возбуждения .

Рис. 8

4. Асинхронные двигатели

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Статор – неподвижная часть машины (рис. 1 а). Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 1 б, в). В пазах ротора укладывают обмотку, в зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни (рис.1 б), соединенные с торцов кольцами из этого же материала (“беличья клетка”).

У фазного ротора (рис.1 в) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле это постоянный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

- пространственный сдвиг осей катушек статора,

- временной сдвиг токов в катушках статора.

Первое требование удовлетворяется соответствующим расположением намагничивающих катушек на магнитопроводе статора. Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120⁰. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой n₁, об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

, (1)

где f₁ – частота тока сети, Гц,

р – число пар полюсов магнитного поля

При стандартной частоте тока сети f₁=50 Гц, частота вращения поля

и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

р	1	2	3	4	5	6
n1, об/мин	3000	1500	1000	750	600	500

Вращаясь, поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Частота вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля, т.е. ротор “отстает” от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения

, (2)

где n₂ – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой к 0 (холостой ход).