Однофазные двигатели

О днофазные асинхронные двигатели используют в тех случаях, когда невозможно или нежелательно подключаться к трехфазной сети. Они имеют одну обмотку на статоре, подключаемую к однофазной сети переменного тока. Протекающий в этой обмотке переменный ток создает в рабочем зазоре машины неподвижное пульсирующее магнитное поле, т.е. поле, ось которого неподвижна в пространстве, а амплитуда магнитного потока изменяется во времени по закону синуса. Такое поле можно представить в виде двух одинаковых круговых вращающихся в противоположные стороны магнитных полей с амплитудами магнитного потока, равными половине амплитуды пульсирующего поля. Короткозамкнутая обмотка ротора взаимодействует с каждым из этих полей, поэтому двигатель можно рассматривать как два одинаковых двигателя с круговыми магнитными полями, соединенных общим валом. В одном двигателе поле вращается согласно с направлением вращения вала, а в другом – встречно. Для каждого двигателя можно построить механическую характеристику (рис. 1). Для согласного вращения это будет характеристика 1, а для встречного – 2. Так как вал у них общий, то результирующую характеристику можно получить, суммируя абсциссы характеристик 1 и2.

Как следует из рисунка 1, у однофазного двигателя будет существенно меньшая мощность и перегрузочная способность. Кроме того, он принципиально не сможет самостоятельно запуститься, т.к. его пусковой момент равен нулю. У таких двигателей также очень низкий КПД, поэтому их мощность не превосходит обычно нескольких десятков ватт и применяются они в основном в бытовой аппаратуре.

Д ля пуска двигателя применяют дополнительную пусковую обмотку (ПО рис. 2). Ось этой обмотки смещена в пространстве на 90 по отношению к оси рабочей обмотки (РО) и она подключается к сети через сопротивление или конденсатор, служащие для сдвига фазы, протекающего в ней тока. Если ток в ПО смещен по фазе по отношению к току РО на 90 , то в двигателе формируется круговое вращающееся магнитное поле и он запускается как обычный асинхронный двигатель, после чего ПО отключается, т.к. она не рассчитана на длительную работу. На самом деле условие формирования кругового поля при пуске полностью не выполняется, но все же составляющая согласного вращения усиливается и возникает достаточный пусковой момент.

Д ругим способом создания вращающего магнитного поля является "расщепление" полюсов обмотки статора (П рис. 3). Это означает разделение полюсов статора на две части, одну из которых охватывают короткозамкнутым витком (В). Переменный магнитный поток, проходящий через короткозамкнутый виток, наводит в нем ЭДС и переменный ток. Этот ток создает свой магнитный поток, смещенный по фазе относительно потока в той части полюса, которая не охвачена короткозамкнутым витком. Два переменных магнитных потока смещенных по фазе и в пространстве на некоторый угол создают вращающееся магнитное поле. Ротор такого двигателя может вращаться только в одном направлении, т.к. при изменении полярности тока в обмотке изменяется и полярность тока в короткозамкнутом витке.

Основные понятия и принцип действия

Синхронные машины являются основными источниками электрической энергии в мире. Они применяются также в качестве двигателей преимущественно большой мощности, а также малой мощности в системах автоматики. В последнее время область их применения расширяется. На их основе создаются высокоточные приборные приводы с уникальными характеристиками.

Название машины связано с тем, что в статическом режиме работы ее ротор вращается с такой же скоростью, с какой вращается магнитное поле, т.е. синхронно с полем.

Конструкция ротора

С инхронная машина является машиной переменного тока. Ее статор в принципе ничем не отличается от статора асинхронной машины. Ротор же представляет собой постоянный магнит или электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через контактные кольца и щетки. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения.

Число пар полюсов ротора p определяется скоростью вращения машины по известному выражению для скорости вращения магнитного поля -. У тихоходных машин, например генераторов гидроэлектростанций, число пар полюсов может быть несколько десятков. У быстроходных, например, у генераторов тепловых электростанций, число пар полюсов обычно равно 1. Полюсы ротора могут конструктивно выполняться отдельно (рис. 1) или формироваться обмоткой распределенной в пазах цилиндрического ротора (рис.2). В первом случае ротор называется явнополюсным, во втором - неявнополюсным. Неявнополюсные роторы используются в быстроходных машинах потому, что их конструкция обладает большей прочностью и может противостоять значительным центробежным силам.

П ринцип действия

Принцип действия синхронных машин основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Схематически вращающееся магнитное поле статора можно изобразить полюсами магнитов вращающихся в пространстве со скоростью вращения магнитного поля статора (рис. 1). Поле ротора также можно изобразить в виде постоянного магнита, вращающегося синхронно с полем статора.

П ри отсутствии внешнего вращающего момента, приложенного к валу машины, оси полей статора и ротора совпадают (рис. 1 а)). Силы притяжения F действуют на ротор вдоль оси полюсов и взаимно компенсируют друг друга. Угол между осями полей статора и ротора равен нулю.

Если на вал машины действует тормозной момент, то ротор смещается в сторону запаздывания на угол  (рис. 1 б). В результате силы притяжения F раскладываются на составляющие, направленные вдоль оси полюсов ротора (осевая составляющая) и перпендикулярно оси полюсов (тангенциальная составляющая). Осевые составляющие взаимно компенсируются, а тангенциальные создают вращающий момент , компенсирующий внешний момент, приложенный к валу (D - диаметр точек приложения тангенциальных сил). Машина при этом работает в режиме двигателя, компенсируя расходуемую на валу механическую мощность потреблением активной мощности из сети питающей статор.

В случае если к ротору прикладывается внешний момент, создающий ускорение, т.е. действующий в направлении вращения вала, картина взаимодействия полей меняется на обратную. Направление углового смещения  изменяется на противоположное, соответственно изменяется направление тангенциальных сил и направление действия электромагнитного момента. В этом случае он становится тормозным, а машина работает генератором, преобразующим подводимую в валу машины механическую энергию, в электрическую энергию, отдаваемую в сеть, питающую статор.

В ращающий момент в синхронной машине может возникать и при отсутствии собственного магнитного поля у ротора. Пусть, например, обмотка возбуждения явнополюсного ротора отключена от питания. Тогда картина магнитного поля машины будет иметь вид, представленный на рисунке 2. Здесь явнополюсный ротор связан с системой координат d-q таким образом, что ось d-d совмещена с осью симметрии в направлении максимальной магнитной проводимости, а ось q-q с направлением минимальной магнитной проводимости. Ось d-d совпадает также с осью магнитного поля возбужденного ротора и называется продольной осью, а ось q-q соответственно – поперечной.

При отсутствии внешнего момента явнополюсный ротор займет положение, при котором продольная ось будет совпадать с осью полюсов магнитного поля статора. Это положение соответствует минимальному магнитному сопротивлению для магнитного потока статора.

Если на вал машины будет действовать тормозной момент, то ротор отклонится на угол . При этом магнитное поле статора деформируется, т.к. магнитный поток будет стремиться замкнуться по пути наименьшего сопротивления. Магнитный поток определяется через магнитные силовые линии, т.е. линии, направление которых в каждой точке соответствует направлению действия силы, поэтому деформация поля приведет, также как и в случае возбужденного ротора, к появлению результирующей тангенциальной силы . Отличие от возбужденного ротора будет состоять в том, что тангенциальная сила будет функцией двойного угла . Это отличие возникает вследствие того, что у возбужденного ротора возможно только одно положение устойчивого равновесия при , а невозбужденный ротор может находиться в равновесии при .

Вращающий момент, возникающий в машине с невозбужденным ротором за счет тангенциальных сил называется реактивным моментом и его зависимость от  выражается функцией .

Очевидно, что необходимым условием возникновения реактивного момента является магнитная асимметрия ротора.

Рассмотренные выше процессы в синхронной машине наглядно демонстрируют принцип обратимости электрических машин, т.е. способность любой электрической машины изменять направление преобразования энергии на противоположное. В синхронных машинах для перехода от режима работы двигателем в режим генератора достаточно изменить направление (знак) момента нагрузки на валу

Реакция якоря синхронной машины

Под реакцией якоря в синхронных машинах понимают воздействие магнитного поля статора (якоря) на магнитное поле ротора. Реакция якоря оказывает сильное влияние на все электромагнитные процессы в машине. Явление реакции по определению связано с магнитным полем статора, поэтому характер и степень влияния реакции определяется током статора, т.е. нагрузкой машины.

Р ассмотрим этот процесс на примере синхронного генератора. Изобразим вращающееся магнитное поле ротора вектором . При вращении оно пересекает неподвижные проводники обмоток статора и наводит в них ЭДС , отстающую от потока на . Ток статора создает магнитный поток статора , совпадающий с ним по направлению. В зависимости от характера нагрузки ток статора может иметь фазовый сдвиг по отношению к ЭДС в пределах .

При чисто активной нагрузке (R) ток и магнитный поток статора совпадают по фазе с и результирующий магнитный поток машины оказывается смещенным относительно потока ротора на некоторый угол в сторону запаздывания. В результате смещения потока магнитное поле ослабляется под набегающими краями полюсов ротора и усиливается под сбегающими. Несмотря на то, что в результате смещения сбегающие края полюсов подмагничиваются, результирующее поле машины ослабляется, т.к. из-за насыщения полюсов в зоне подмагничивания оно проявляется слабее, чем размагничивание на набегающих краях. В целом при активной нагрузке магнитное поле ослабляется и деформируется.

При чисто индуктивной нагрузке (L) ток статора и магнитный поток отстают от ЭДС на . Поток статора оказывается направленным встречно по отношению к потоку ротора и сильно размагничивает машину. Однако, в отличие от активной нагрузки, искажения поля за счет смещения потока не происходит.

При чисто емкостной нагрузке (C) ток статора и магнитный поток опережают ЭДС на и поле в машине усиливается потоком реакции, направленным согласно с потоком ротора. Искажения поля в этом случае также не происходит, а усиление поля вследствие насыщения оказывается выраженным слабо.

В случае активно-реактивной нагрузки (RL и RC) поток статора оказывается смещенным на угол меньший, чем , в сторону запаздывания или опережения. В этом случае магнитный поток статора , можно разложить на продольную и поперечную составляющие. Продольная составляющая будет оказывать при RL нагрузке размагничивающее действие, а при RC нагрузке – подмагничивающее. Поперечная составляющая будет вызывать деформацию поля, аналогичную деформации при активной нагрузке.

Таким образом реакция якоря в синхронной машине изменяет величину и направление магнитного потока, в отличие от асинхронной машины, у которой . Негативное влияние реакции якоря в синхронных машинах снижают увеличением рабочего зазора.

Магнитный поток вызывает искажение магнитного поля ротора, которое проявляется в статоре в виде ЭДС . Так как поток линейно связан с током статора , то эту ЭДС можно представить в комплексной форме через некое индуктивное сопротивление в виде .

Уравнение статора и векторная диаграмма

Для статора синхронной машины можно составить уравнение Кирхгофа, аналогично тому, как это делается для асинхронных машин. В нем нужно учесть падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора ; ЭДС, наводимую магнитным потоком ротора, ; ЭДС потока рассеяния и ЭДС, наводимую потоком реакции якоря, .

З нак плюс в уравнении статора соответствует режиму работы машины двигателем, а минус – генератором. Индуктивные сопротивления рассеяния и реакции якоря можно рассматривать как суммарное синхронное сопротивление . Можно также упростить уравнение с учетом того, что обычно .

Схема замещения, соответствующая упрощенному уравнению статора показана на рисунке (а). Направление тока в генераторном режиме показано сплошной стрелкой, а в двигательном – штриховой.

На рисунке (б) приведена векторная диаграмма для режима работы двигателем, соответствующая уравнению . Здесь вектор ЭДС отстает от напряжения на угол нагрузки  , а вектор тока статора – на от вектора , замыкающего треугольник векторов напряжений.

При работе синхронной машины в режиме генератора на сеть с тем же напряжением направление тока поменяется на противоположное и уравнение статора примет вид . Изменится также знак угла нагрузки  . Теперь ЭДС будет опережать и векторная диаграмма примет, показанный на рисунке (в).

Внешняя характеристика генератора

Синхронные генераторы малой мощности используются как автономные источники питания. Их мощность соизмерима с мощностью подключенной нагрузки, поэтому нагрузка оказывает значительное воздействие на электромагнитные процессы в таком генераторе. В самом общем виде влияние нагрузки на генератор отражается внешней характеристикой.

В нешней характеристикой называется зависимость падения напряжения в нагрузке, подключённой к обмотке статора, от величины протекающего в ней тока. На рис. (а) приведены внешние характеристики синхронного генератора для различных видов нагрузки. Все характеристики нелинейны и монотонны. Они исходят из точки холостого хода, где напряжение на выходе генератора в точности равно ЭДС , наводимой магнитным потоком ротора в обмотках статора.

При активной и активно-индуктивной нагрузке внешняя характеристика синхронного генератора имеет отрицательный наклон на всём интервале от точки холостого хода ( ) до точки короткого замыкания ( ).

При активно-емкостной нагрузки внешняя характеристика имеет участок, на котором напряжение на выходе генератора превышает ЭДС холостого хода. Механизм появления такого участка поясняют векторные диаграммы на рис. (б) и (в). Если изменять характер нагрузки в пределах - , сохраняя при этом постоянным значение тока (например, его номинальное значение ), то конец вектора будет описывать на комплексной плоскости дугу полуокружности. Вектор падения напряжения , соответствующий суммарной ЭДС потока рассеяния и реакции якоря, перпендикулярен вектору тока , и в сумме с падением напряжения в нагрузке образует вектор ЭДС холостого хода , т.е. ЭДС потока ротора. Эта ЭДС не зависит от величины и характера нагрузки. Не зависит от них и синхронное сопротивление , поэтому при вращении вектора тока вектор будет поворачиваться относительно точки конца вектора и его начало будет описывать полуокружность, являющуюся геометрическим местом точек конца вектора падения напряжения в нагрузке . На рис. (б) приведены две системы векторов для активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузок.

Если с помощью вектора в качестве радиуса построить дугу окружности AB, то она пересечёт полуокружность вектора в точке B, которая и определит граничное значение угла , начиная с которого ( ) напряжение на выходе генератора при данном токе будет превосходить ЭДС холостого хода ротора. Из равностороннего треугольника 0AB (рис. (в)), образованного векторами , и , на высоте которого располагается вектор тока , легко можно определить предельный фазовый угол нагрузки .

Электромагнитный момент и угловые характеристики

При рассмотрении принципа работы синхронных машин было установлено, что вращающий момент является синусной функцией угла нагрузки  . Этот же результат можно получить из баланса мощностей машины.

Активная мощность, потребляемая машиной из сети равна , где - число фаз обмотки статора. Из векторной диаграммы следует, что . Кроме того, из прямоугольных треугольников abc и adc получим . Отсюда активная мощность . Если пренебречь относительно небольшими тепловыми потерями в статоре, то активная мощность будет равна электромагнитной мощности, т.е. мощности передаваемой магнитным полем из статора в ротор , где - синхронная угловая частота вращения ротора, - угловая частота питающей сети, а p - число пар полюсов машины. Отсюда вращающий момент синхронной машины равен

. При постоянном напряжении сети максимальный момент машины зависит только от ЭДС потока ротора, т.е. от величины тока возбуждения.

В случае явнополюсной машины индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной и поперечной оси будут разными . Соответственно разными будут и синхронные сопротивления по этим осям – и . Подставляя эти выражения в уравнение момента, получим

Это выражение справедливо для любого типа ротора как явнополюсного, таки неявнополюсного. У неявнополюсного ротора . Тогда второе слагаемое обращается в нуль, и мы придем к полученному ранее выражению. Таким образом, в случае магнитной асимметрии ротора электромагнитный момент складывается из двух составляющих: основного и реактивного моментов.

З ависимость электромагнитного момента машины от угла нагрузки называется угловой характеристикой. В общем случае она представляет собой сумму двух синусоид основного и реактивного моментов показанных на рисунке 1. Максимум основного момента приходится на угол , а реактивного – .

Участки характеристики с положительной производной соответствуют устойчивым режимам работы машины, т.е. углам нагрузки . На этих участках увеличение момента нагрузки вызывает увеличение угла нагрузки и соответственно электромагнитного момента вплоть до статического состояния, когда момент нагрузки будет уравновешен моментом машины. На участках с увеличение угла нагрузки будет приводить к снижению электромагнитного момента и увеличению рассогласования с моментом на валу. Если при этом момент нагрузки не превышает максимального момента машины, то ротор повернувшись чуть более чем на пол-оборота придет в точку статического равновесия на устойчивом участке угловой характеристики.

О чевидно, что синхронная работа машины возможна только если нагрузочный момент не превышает максимальный .

Механическая характеристика синхронной машины показана на рис. 2. Она представляет собой отрезок прямой линии, проходящий через точку синхронной скорости параллельно оси момента и ограниченный значениями угловой характеристики. Для каждой точки механической характеристик можно определить угол нагрузки, спроектировав эту точку на участок устойчивой работы обращенной угловой характеристики.

Пуск синхронного двигателя

Синхронные машины в принципе не имеют пускового момента и не могут самостоятельно разгоняться до синхронной скорости, т.к. при включении статора в сеть его магнитное поле и ротор вращаются с разными скоростями. Если частоту вращения поля статора в пространстве обозначить , а частоту вращения ротора – , то скольжение ротора будет равно – , где ; ; - число пар полюсов машины; - частота сети; – частота скольжения, т.е. частота, с которой изменяются во времени периодические величины в электромагнитных процессах в роторе. Поэтому угол нагрузки  является функцией времени – , а электромагнитный момент изменяется во времени по синусоидальному закону . При этом его среднее за период частоты скольжения значение остаётся равным нулю.

Для пуска ротор синхронной машины снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, аналогичной обмотке ротора асинхронного двигателя типа беличья клетка, которая в асинхронном режиме создаёт электромагнитный момент . Кроме синхронного и асинхронного вращающих моментов на ротор машины действует некоторый тормозной момент или момент нагрузки . С учётом всех приложенных моментов движение ротора можно описать с помощью второго закона Ньютона следующим образом -

,

где - суммарный момент инерции ротора и нагрузки, приведённый к оси ротора.

Для анализа процесса разгона ротора в первом приближении предположим, что его скорость изменяется достаточно медленно так, что в пределах периода скольжение ротора остаётся постоянным. Это соответствует приближённому равенству , т.е. угловое ускорение ротора определяется только синхронным моментом , т.е. . Отсюда составляющая угловой скорости, соответствующая этому ускорению будет , т.е. она также будет изменяться во времени по синусоидальному закону с максимальным положительным значением , растущим по мере уменьшения скольжения и разгона машины.

Для реактивной машины, с учётом того, что её момент является функцией двойного угла  это выражение примет вид .

Т аким образом, в процессе разгона мгновенное значение скорости вращения ротора будет определяться медленно изменяющейся составляющей , обусловленной действием моментов нагрузки и короткозамкнутой обмотки, и пульсирующей составляющей , обусловленной взаимодействием магнитных полей статора и ротора (рис. 1).

В тот момент, когда максимальное положительное значение синхронной составляющей скорости вращения ротора станет равным или большим разности скоростей вращения поля статора и ротора ( ) машина войдёт в синхронизм, т.е.

Отсюда максимальное скольжение ротора, при котором войдёт в синхронизм машина с возбуждёнными полюсами -

а реактивная машина -

У словием самозапуска двигателя является условие . Из полученных выражений следует, что это условие всегда выполняется при достаточно низкой частоте сети и безусловно всегда при постоянном токе . Условие самозапуска теоретически может быть выполнено также при малом моменте инерции .

Выражения для скольжения синхронизации показывают, что оно определяется соотношением собственной частоты свободных угловых колебаний ротора и частоты сети . Чем больше собственная частота колебаний, тем легче происходит запуск синхронного двигателя.

На рис. 2 показан процесс пуска синхронного двигателя с помощью короткозамкнутой обмотки без нагрузки. При включении в сеть в точке a ротор под действием асинхронного момента разгоняется до скорости, соответствующей скольжению входа в синхронизм (точка b), а затем быстро (не более, чем за период приведённой частоты скольжения) втягивается в синхронизм. При этом возникает постепенно затухающий колебательный переходный процесс установки угла нагрузки  (точка c'). Если затем момент нагрузки возрастает и становится равным максимальному (точка d), то машина выходит из синхронизма и переходит на характеристику асинхронного момента (точка e), в которой будет находиться до тех пор, пока момент нагрузки не уменьшится до значения, соответствующего скольжению синхронизации (точка b).

При пуске синхронных машин с электромагнитным возбуждением обмотку возбуждения замыкают активным сопротивлением в 8-10 раз большим собственного сопротивления обмотки. Это делается для того, чтобы исключить перенапряжения в обмотке за счет ЭДС наводимой в ней вращающимся полем статора. Когда скорость вращения ротора за счет асинхронного момента короткозамкнутой пусковой обмотки достигнет примерно 95% от синхронной скорости сопротивление отключают и подключают обмотку к источнику постоянного тока. При этом возникает синхронный момент , под действием которого ротор втягивается в синхронизм так, как это было описано выше. Обмотку возбуждения нельзя замыкать накоротко для получения дополнительного асинхронного момента, т.к. при этом на механической характеристике асинхронного момента появится провал примерно на половине синхронной скорости и ротор может остановить разгон на этом участке.

В машинах большой мощности вместо встроенной в ротор короткозамкнутой обмотки используют асинхронный двигатель, соединенный с валом синхронного.

Синхронный компенсатор

С инхронная машина, подключенная к сети большой мощности, обладает способностью регулировать реактивную составляющую тока за счет изменения тока возбуждения. Из упрощенного уравнения синхронного генератора следует, что ток статора равен . Для сети большой мощности . При отсутствии механической нагрузки на валу машины угол нагрузки будет равен нулю и векторы ЭДС потока ротора и напряжения статора будут совпадать по направлению. Если установить в обмотке возбуждения такой ток, при котором , то ток статора будет равен нулю (рис. 1(а)). Увеличение тока возбуждения вызовет увеличение ЭДС и разность между ней и напряжением сети компенсируется падением напряжения , при этом машина будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток (рис. 1 (б)). Снижение тока возбуждения изменит картину на противоположную и ток отдаваемый в сеть будет емкостным. Таким образом, при отсутствии механической нагрузки изменение тока возбуждения будет приводить к возникновению чисто реактивного тока статора. В случае машина называется перевозбужденной, а при - недовозбужденной. Перевозбужденная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная – индуктивности.

С инхронная машина, не имеющая механической нагрузки и загруженная в основном реактивным током, называется синхронным компенсатором.

Если построить зависимость тока статора от тока возбуждения синхронной машины при постоянном напряжении сети и постоянной мощности на валу , то они будут иметь вид, показанный на рис.2. По сходству с начертанием соответствующей буквы они называются U-образными. Минимум тока статора на этих характеристиках соответствует чисто активному или нулевому току. При уменьшении или увеличении тока возбуждения в токе статора появляется реактивная составляющая, увеличивающая суммарный ток. Слева характеристики ограничены линией AB, соответствующей максимальному углу нагрузки . Увеличение нагрузки на валу ( ) вызывает увеличение активной составляющей тока статора и соответствующий подъем характеристики. Левая ветвь характеристики соответствует режиму недовозбуждения, а правая – перевозбуждения. На практике компенсаторы чаще всего работают в режиме перевозбуждения, т.к. промышленная сеть в основном нагружена асинхронными двигателями обладающими относительно низким коэффициентом мощности и создающими дефицит реактивной мощности.

Несмотря на то, что любая синхронная машина может работать в качестве компенсатора, они изготавливаются как специализированный тип машины. Это связано с тем, что они загружены в основном реактивным током, поэтому можно облегчить конструкцию, уменьшив массу, габариты и стоимость.

Реактивные синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Р еактивные синхронные двигатели отличаются от обычных отсутствием собственного магнитного поля ротора. Вращающий момент в этих машинах создается за счет магнитной асимметрии ротора. Ротор реактивного двигателя, представляет собой стальной цилиндр, набранный из пластин, вид которых показан на рисунке. В пластинах ротора сделаны отверстия, в которые после сборки заливается алюминий и образуется короткозамкнутая пусковая обмотка, аналогичная обмотке ротора асинхронного двигателя. Магнитная асимметрия ротора может создаваться выемками различной формы на внешней поверхности цилиндра или асимметрией внутренних каналов. В первом случае получается явнополюсный ротор(1, 2 на рис.), во втором - неявнополюсный (3, 4 на рис.). Оба способа позволяют изготавливать роторы с различным числом пар полюсов. На рисунке роторы 1 и 3 имеют одну пару полюсов, роторы 2 и 4 - две.

Основным достоинством реактивного двигателя по сравнению с асинхронным является: неизменность скорости вращения, а по сравнению с обычными синхронными двигателями -простота, надежность и малая стоимость ротора, а также отсутствие источника питания необходимого для возбуждения магнитного поля.

Выражение для вращающего момента реактивных двигателей получается как частный случай из общего уравнения момента, если в нем исключить основную составляющую тогда

.

Максимум момента соответствует углу нагрузки . Величина максимального момента зависит от соотношения индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной оси и . В явнополюсных двигателях обычной конструкции отношение и максимальный реактивный момент составляет не более 0,25 от основного. В реактивных машинах для увеличения момента увеличивают отношение , но все равно эти машины имеют в 2-3 раза меньшую мощность, чем асинхронные двигатели тех же габаритов.

Кроме того реактивные двигатели имеют низкие энергетические показатели. Малый коэффициент мощности объясняется большим намагничивающим током, потребляемым из сети, что ведет также к снижению КПД за счет повышенных тепловых потерь в обмотке статора.

Мощность реактивных двигателей не превышает нескольких сотен ватт и применяются они в системах звуко- и видеозаписи, а также в других устройствах требующих работы с постоянной скоростью вращения.

Гистерезисные синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Г истерезисный двигатель отличается от других типов машин с круговым вращающимся магнитным полем конструкцией ротора (рис. 1 (а)). Он представляет собой полый цилиндр или пакет, собранный из колец магнитотвердого материала (1), насаженный на цилиндрическую втулку (2) из магнитного или немагнитного материала, закрепленную на валу ротора (3).

Пакет колец ротора называется активным слоем, и происходящие в этом слое процессы определяют свойства гистерезисного двигателя. Материал для активного слоя выбирают с петлей гистерезиса близкой к прямоугольной форме. На рис. 1(б) сплошной линией показана такая петля и для сравнения штриховой линией дана петля обычной электротехнической стали.

Принципиальным отличием гистерезисного двигателя от синхронного двигателя с постоянными магнитами заключается в том, что активный слой ротора намагничивается магнитным полем статора при пуске, поэтому в дальнейшем он может перемагничиваться этим же полем. Однако его намагниченность меньше намагниченности постоянных магнитов, поэтому он работает в режиме недовозбуждения.

П ринцип работы гистерезисного двигателя поясняет рисунок 2. В синхронном режиме, т.е. когда ротор вращается со скоростью магнитного поля, материал ротора намагничен и машина работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами. При отсутствии нагрузки на валу (рис. 2 (а)) поля ротора и статора взаимодействуют с силой F, направленной под разноименными полюсами встречно и в сумме равной нулю. Возникновение тормозного момента на валу приведет к расхождению осей магнитных полей на угол и появлению электромагнитного момента, компенсирующего момент нагрузки (рис. 2 б)). Такая картина процессов в двигателе полностью идентична работе двигателя с постоянными магнитами на роторе. Однако при дальнейшем увеличении нагрузки на валу угол увеличится до угла магнитного запаздывания (рис. 2 в)). Материал ротора начнет перемагничиваться и ось его магнитного поля будет смещаться вслед за полем статора, сохраняя при этом постоянное значение угла нагрузки и, следовательно, постоянное значение электромагнитного момента. Вал ротора в этом режиме может вращаться с любой скоростью меньше синхронной, т.е. двигатель будет работать в асинхронном режиме.

Н аглядно представить такой процесс можно с помощью механической модели показанной на рисунке 3. Здесь поля статора и ротора представлены постоянными магнитами. Магнит ротора лежит на диске и удерживается на нем силой трения. Если поле статора вращается со скоростью и момент на валу диска равен нулю (рис. 3 а)), то магнит ротора также будет вращаться со скоростью , передавая вращение диску за счет момента трения. Угол между осями магнитов при этом будет равен нулю. Возникновение нагрузочного момента на валу диска приведет к расхождению осей полюсов магнитов и появлению электромагнитного момента, компенсирующего нагрузочный момент (рис. 3 б)). Диск и магнит ротора будут вращаться синхронно, удерживаемые в зацеплении моментом сухого трения . Если нагрузочный момент увеличится и станет больше момента трения (рис. 3. в)), то магнит ротора будет проскальзывать по поверхности диска, вращаясь при этом с синхронной скоростью вслед за полем статора. Магнит ротора не выйдет из синхронизации, т.к. при этом . Момент сухого трения, действующий на магнит ротора, не зависит от скорости вращения, поэтому угол нагрузки будет оставаться постоянным и равным некоторому значению , определяемому параметрами момента трения (коэффициентом трения, силой прижатия магнита к диску и т.п.). Таким образом, магниты (поля) статора и ротора будут работать в синхронном режиме, а вал двигателя – в асинхронном.

Максимально возможный момент , передаваемый гистерезисным двигателем нагрузке, определяется свойствами материала активного слоя ротора. Эти свойства, в частности, отражаются формой петли гистерезиса. У материала с прямоугольной петлей гистерезиса угол магнитного запаздывания . Материал с нулевой площадью петли имеет . Чем больше значение , тем больше величина гистерезисного момента при прочих равных условиях. Современные материалы активного слоя имеют .

Постоянный электромагнитный момент гистерезисного двигателя в асинхронном режиме, т.е. от нулевой до синхронной скорости вращения, является их главным преимуществом по отношению к другим типам машин. Это единственная синхронная машина, обладающая свойством самозапуска.

О писанные выше свойства двигателя находят отражение в механической и угловой характеристиках представленных на рис. 4. Механическая характеристика в двигательном режиме, помимо участка синхронной работы 1-3, имеет также асинхронный участок 3-5. На участке 3-5 происходит перемагничивание активного слоя ротора и электромагнитный момент равен гистерезисному моменту . На участке 1-3 машина работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами и угловой характеристикой . Точка 3 характеристик соответствует выходу из синхронизма, после чего начинает изменяться и неограниченно возрастать.

Принципиально гистерезисный двигатель может работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме, однако работа в асинхронном режиме неэкономична, т.к. потери на перемагничивание возрастают с частотой скольжения.

Помимо самозапуска, к достоинствам гистерезисного двигателя можно отнести: простоту и надежность конструкции; бесшумность; большой пусковой момент ; плавность входа в синхронизм; относительно высокий КПД; малую кратность пускового тока ( ).

Недостатками являются; низкий коэффициент мощности (0,4-0,5) и высокая стоимость.

Шаговые синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Ш аговые двигатели (ШД) служат для преобразования импульсного или кодового сигнала в угловое перемещение. В последнее время в связи с развитием компьютерной техники и технологии их область применения постоянно расширяется.

Шаговые двигатели являются синхронными электрическим машинами, у которых обмотки статора питаются от источника постоянного тока. Как и обычные двигатели они бывают активными (с возбужденным ротором) и реактивными. Активный ротор позволяет получить больший вращающий момент и обеспечить фиксацию положения при обесточенных обмотках статора.

На статоре ШД располагаются несколько обмоток, подключаемых в определенной последовательности к источнику постоянного тока с помощью электронного коммутатора. На рис. 1 схематически изображен шаговый реактивный двигатель с тремя обмотками на статоре. На временной диаграмме показаны токи в обмотках. На первом участке ток подается в обмотку 1. Она формирует неподвижное магнитное поле, ось полюсов которого совпадает с геометрической осью обмотки. Ротор разворачивается и ориентируется по оси магнитного поля. Затем к источнику питания подключается обмотка 2. Обе обмотки создают магнитное поле с осью полюсов, проходящей между осями обмоток и ротор поворачивается на . На следующем интервале обмотка 1 отключается и остается включенной обмотка 2. При этом ротор поворачивается еще на , ориентируясь вдоль ее оси. Далее подключается обмотка 3 и алгоритм циклически повторяется, вызывая дискретное перемещение ротора. Коммутацию обмоток в любой момент можно остановить и ротор останется в положении, соответствующем состоянию включенных обмоток.

Угловое смещение ротора при каждой коммутации называется шагом.

В каждом статическом состоянии между коммутациями ШД работает как обычный синхронный двигатель и имеет угловую характеристику (УХ), соответствующую его типу (активный или реактивный). На рис. 2 а) показаны УХ, соответствующие трём соседним шагам двигателя. Начало координат совмещено с УХ mpqn, соответствующей протеканию тока в некоторой произвольно выбранной обмотке (или комбинации обмоток). Включение обмотки, соответствующей требуемому смещению ротора на один шаг вперёд (+) или назад (–), эквивалентно скачкообразному смещению УХ в положительном или отрицательном направлении или, что то же самое, скачкообразному увеличению или уменьшению угла нагрузки q на величину шага. При этом скачкообразно изменяется и вращающий момент, развиваемый ШД. Однако для движения в положительном направлении вращающий момент после коммутации обмоток M(0₊) должен быть больше момента до коммутации M(0_–), а для движении в отрицательном направлении – меньше, т.е. M(0₊)<M(0_–). Участки послекоммутационных УХ, соответствующие эти условиям, выделены на рис. 2 а) толстыми линями. Из рисунка следует, что для обеспечения движения в обоих направлениях рабочая точка должна находиться на участке pq исходной УХ, ограниченном точками ее пересечения с послекоммутационными УХ, т.е. угол нагрузки q должен находиться в пределах . Это эквивалентно условию

(1)

где: M_н – нагрузочный момент на валу ШД; M_max – максимальный момент, развиваемый ШД; a – шаг двигателя в электрических угловых единицах измерения, связанный с пространственным шагом ротора отношением ; z_p – число пар полюсов ШД.

На рис. 2 б) показаны варианты отработки шага в положительном и отрицательном направлениях при выполнении условия (1). Статический режим в исходном положении соответствует точке a. При отработке положительного шага в момент коммутации происходит переход в точку b₊, а затем, по мере поворота ротора, в точку c₊, соответствующую новому статическому состоянию. Шаг в отрицательном направлении из точки a происходит после коммутационного скачка в точку b_– и последующего перемещения в точку c_–. В случае нарушения условия (1), например, при отработке шага в положительном направлении, исходная рабочая точка a располагается выше точки q (рис. 2 в). При коммутации происходит переход в точку b₊ с меньшим, чем у нагрузки вращающим моментом. Поэтому, в соответствии с уравнением движения ( ), ротор ШД начнёт вращаться с отрицательным ускорением e пока не достигнет точки равновесия с’, смещенной по отношению к точке на угол 2p–a. В случае ротор после коммутации окажется в положении неустойчивого равновесия в точке q и может случайным образом переместиться на один шаг в положительном направлении или на угол 2p–a в отрицательном. Таким образом, нарушение условия (1) приводит к полной потере работоспособности ШД.

Из выражения (1) следует, что располагаемый вращающий момент ШД всегда меньше максимально возможного и стремится к нему при . На рис. 2 г) показана зависимость располагаемого момента от числа шагов n на периоде коммутации. Работа ШД с числом шагов менее трёх вообще невозможна. При трёх шагах на периоде момент вдвое меньше максимального, а при десяти отличается от него менее чем на 10%.

Коммутацию обмоток ШД можно производить в разных режимах. Различают следующие режимы работы двигателей.

Статический режим, когда в обмотках статора протекает постоянный ток и магнитное поле неподвижно. Ротор находится в фиксированном положении и может только отклоняться от него на угол нагрузки  .

Квазистатический режим - режим когда коммутация обмоток совершается непрерывно, но между моментами переключения электромагнитные и механические переходные процессы полностью заканчиваются и скорость ротора в начале каждого шага равна нулю. Этот режим по существу является последовательностью статических режимов.

Установившийся режим работы, это режим при постоянной частоте коммутации обмоток. Ротор двигателя в этом режиме имеет постоянную среднюю скорость вращения, но совершает периодические и непериодические угловые колебания. Мерой длительности переходных процессов в ШД является период или частота собственных колебаний ротора , т.е. частота свободных угловых колебаний, которые будет совершать ротор, возвращаясь в состояние равновесия под действие магнитного поля статора. На практике частоту коммутации выбирают из условия . Наименьшую динамическую ошибку обеспечивает режим работы при двойной частоте коммутации . Эту частоту можно считать оптимальной для слабонагруженных приводов.

Помимо частоты собственных колебаний, для работы двигателей большое значение имеет электромагнитная постоянная времени обмоток статора , где - постоянная составляющая индуктивности обмотки статора, - полное активное сопротивление цепи обмотки. Электромагнитные процессы в двигателе можно не учитывать, если

Кроме указанных режимов работы существуют переходные режимы - пуск, ускорение, замедление, реверс. В этих режимах также недопустима потеря шагов.

Пуск ШД обычно осуществляется из фиксированного неподвижного состояния путем скачкообразного увеличения частоты коммутации. Пусковые свойства двигателей характеризуются частотой приёмистости, т.е. максимальной частотой коммутации, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма (без потери шагов). Частота приёмистости возрастает с увеличением максимального момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, величины нагрузки и момента инерции, приведённого к валу ротора.

Торможение ротора осуществляется скачкообразным прекращением коммутации. Предельная частота торможения, при которой ротор останавливается без потери шагов, как правило, выше частоты приёмистости.

Реверс осуществляется скачкообразным изменением алгоритма коммутации. Предельная частота реверса всегда меньше частоты приёмистости.

О сновными характеристиками, определяющими свойства ШД как электромеханического преобразователя, являются рабочие динамические характеристики. К ним относятся предельная механическая характеристика и зависимость частоты приёмистости от момента нагрузки. Предельная механическая характеристика – это зависимость тактовой частоты коммутации или, что то же самое, средней скорости вращения ротора, от момента нагрузки на валу, при котором ротор ШД выпадает из синхронизма. Под частотой приемистости понимают максимальную частоту тактовых импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без потери шага. Различие этих двух характеристик заключается в том, что первая из них соответствует выходу из синхронизма в режиме вращения ротора, а вторая – при пуске. Поэтому отличие характеристик чисто количественное. На рис. 3 сплошными линиями показан ряд механических характеристик ШД. Они имеют вид горизонтальных отрезков. У синхронных двигателей с круговым вращающимся полем эти отрезки ограничены максимальным синхронизирующим моментом , а у ШД в квазистатическом режиме они ограничены моментом нагрузки в соответствии с выражением (1) или пусковым моментом .

В установившемся режиме с частотами коммутации выше предельной частоты квазистатического режима выход из синхронизма наступает при меньших моментах нагрузки вплоть до нулевого при частоте коммутации , когда работа ШД становится вообще невозможной (линия 1 рис. 3). Однако на практике предельная частота коммутации может быть существенно выше вследствие влияния явления механического резонанса. При этом максимальный момент нагрузки на некоторых частотах может превышать значение, соответствующее статическому режиму. В целом предельная механическая характеристика с учетом резонансных явлений имеет вид кривой 2 на рис. 3.

Шаговые двигатели находят широкое применение в маломощном приводе систем автоматического управления станков, роботов и манипуляторов, в телемеханике и вычислительной технике.

Устройство и принцип действия

Электрические машины постоянного тока широко применяются в промышленности и быту. Электродвигатели постоянного тока являются основой для создания автоматизированных систем приборного электропривода, приводов роботов и оптических систем. В качестве источников электроэнергии для них используются различные полупроводниковые преобразователи, позволяющие получить уникальные параметры автоматических систем управления. Машины постоянного тока, как и любые другие электромеханические преобразователи могут работать в двигательном и генераторном режимах. Однако с развитием силовой электроники использование генераторов постоянного тока стало в большинстве случаев нецелесообразным, поэтому основное внимание в этом разделе будет уделено двигателям.

Н а рисунке 1 показан общий вид двигателя постоянного тока (а) и его конструктивная схема (б).

Корпус 1 является основной конструктивной единицей и соединяет воедино все элементы машины, но кроме этого он служит также магнитопроводом для основного магнитного потока. Вал якоря 2 установлен в корпусе подшипниках. На валу закреплен цилиндр, в виде пакета листов электротехнической стали, в котором сделаны пазы. В эти пазы уложена обмотка якоря. На схеме она показана в сечении в виде отдельных проводников. С внешней электрической цепью обмотка якоря соединяется с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток 4. Внутри корпуса расположены главные 5 и дополнительные 6 полюсы двигателя. На главных полюсах установлена обмотка 8, называемая обмоткой возбуждения. Она подключается к источнику постоянного тока и служит для создания основного магнитного поля двигателя. В машинах малой мощности вместо обмотки возбуждения часто используют постоянные магниты. На дополнительных полюсах также расположена обмотка, которая включена последовательно в электрическую цепь якоря 7. В машинах малой мощности дополнительные полюсы обычно не устанавливают.

П ринцип действия двигателя постоянного тока рассмотрим на примере витка провода, расположенного в магнитном поле (рис. 2). Концы витка подключены к кольцу, разделенному на две части, по которому скользят щетки. Если щетки подключить к источнику постоянного тока, то в витке будет протекать электрический ток и в результате взаимодействия тока с внешним магнитным полем возникнет электромагнитная сила и соответствующий вращающий момент . Под действие этого момента виток придет во вращение и в тот момент, когда плоскость витка займет горизонтальное положение верхнее полукольцо перейдет на нижнюю щетку, а нижнее – на верхнюю. Ток в верхнем и нижнем проводниках изменит свое направление, но в зоне северного полюса ток в любом проводнике будет направлен от щетки, а в зоне южного полюса – в направлении щетки. При этом направление действия сил, момента и направление вращения будут сохраняться.

Важнейшим элементом двигателя постоянного тока является разрезанное кольцо, называемое коллектором. Количество его пластин в реальных машинах существенно больше, чем в рассмотренной модели, однако функции те же – обеспечение электрического соединения обмотки вращающегося якоря с неподвижными элементами внешней электрической цепи и синхронное изменение направления тока в элементах обмотки. В результате переключения проводников витка ток в каждом из них меняет свое направление каждые пол-оборота, т.е. коллектор преобразует постоянный ток во внешней цепи якоря в переменный ток обмотки якоря, причем частота этого тока строго соответствует угловой частоте вращения . В терминах преобразовательной техники коллектор является инвертором, ведомым частотой ротора.

Вращение витка в магнитном поле приводит к появлению в нем ЭДС индукции . Она направлена встречно по отношению к току в проводниках и к приложенному напряжению питания и поэтому называется противо-ЭДС.

О чевидно, что увеличение вращающего момента можно получить, заменив рамку из одного витка несколькими витками, т.е. катушкой или секцией. Затем можно увеличить число таких секций, расположив их равномерно по окружности якоря и соединив между собой последовательно, чтобы в них протекал одинаковый ток. При этом переключать секции нужно будет чаще, и коллектор превратится в набор пластин, число которых равно числу секций обмотки. Так как все секции образуют последовательное соединение, то к каждой пластине коллектора присоединяется начало одной секции и конец другой. Устройство коллектора показано на рис. 3.

Электрическая и магнитная цепь машины

Магнитная цепь машины служит для создания и распределения магнитного поля в рабочем зазоре. Как следует из схемы машины, основной магнитный поток замыкается по главным полюсам, ярму корпуса, воздушным зазорам между якорем и главными полюсами и между главными полюсами и ярмом, и сердечнику якоря. В зависимости от числа главных полюсов магнитная система может быть двух- четырех- шестиполюсной и т.д.

Р аспределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре показано на рисунке 1. Здесь схема двигателя развернута на плоскость вдоль зазора. Почти постоянное значение индукции под главными полюсами необходимо для получения постоянной ЭДС в проводниках обмотки, находящихся под полюсом. Оно обеспечивается специальной сложной формой полюсных наконечников.

Расстояние между осями полюсов, выраженное в любых единицах (линейных, угловых, числе пазов и др.) называется полюсным делением.

Электрическая цепь машины состоит из обмотки якоря, коллектора и щеток. При рассмотрении принципа работы двигателя было отмечено, что проводники обмотки якоря образуют замкнутую последовательную цепь, которая разделяется щетками на две одинаковые параллельные ветви. Число пар параллельных ветвей обмотки связано с числом пар полюсов магнитного поля и зависит от схемы обмотки. В простейшем случае . Ток якоря, текущий через щетки разделяется и в каждой секции течет ток параллельной ветви

О бычно секции обмотки якоря укладывают в пазы пакета так, что в каждом пазу оказываются проводники двух секций, начало одной и конец другой (рис.2 (а)). Если активные стороны секций находятся на расстоянии полюсного деления , т.е. шаг секции равен полюсному делению, то в них наводится максимальная ЭДС. Однако на практике шаг секций делают несколько больше или меньше полюсного деления, т.к. при небольшом отклонении это несущественно влияет на величину ЭДС, но значительно улучшает работу щеток. Все секции обмотки одинаковы и равномерно распределены по окружности якоря, поэтому в них наводятся одинаковые ЭДС, смещенные по фазе на угол , где n - число секций. Вследствие фазовой симметрии ЭДС секций суммарная ЭДС в контуре обмотки всегда равна нулю (рис. 2 (б)), а ЭДС, создаваемые в каждой ветви , одинаковы по величине и направлены встречно току. Неравенство ЭДС параллельных ветвей вызывает протекание уравнительных токов внутри цепи обмотки, вызывающих дополнительные потери.

Ось симметрии машины перпендикулярная оси главных полюсов называется геометрической нейтралью. Для получения максимальной ЭДС якоря щетки должны устанавливаться между точками, имеющими наибольшую разность потенциалов. Такие точки соответствую геометрической нейтрали машины. Смещение щеток с геометрической нейтрали приведет к тому, что в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС и общая ЭДС якоря уменьшится. При достаточно большом количестве секций влияние сдвига щеток с нейтрали на некоторый угол можно учесть множителем , т.е.

Кроме геометрического понятия нейтрали существует также физическое, определяемое через магнитное поле машины.. Под физической нейтралью понимают ось, проходящую через точки магнитного поля с нулевым значением индукции. На рисунке 1 физической нейтрали соответствуют точки на осях m-n, т.е. в данном примере физическая нейтраль совпадает с геометрической.

Электродвижущая сила и электромагнитный момент

При вращении якоря в проводниках его обмотки наводится ЭДС равная . Среднее значение этой ЭДС за половину периода , где - среднее значение магнитной индукции в зазоре, определяемое по кривой , Ф - магнитный поток. Тогда полная ЭДС всех витков обмотки в одной параллельной ветви ( , где N -число проводников в обмотке; a - число пар параллельных ветвей), равная ЭДС всей обмотки якоря будет или, с учетом того, что , где D -диаметр якоря, p - число пар полюсов:

Конструктивный коэффициент или постоянная ЭДС в этом выражении соответствует внесистемной единице скорости вращения – об/мин. Если вместо скорости вращения якоря использовать угловую частоту , то и .

Таким образом, ЭДС обмотки якоря пропорциональна величине магнитного потока главных полюсов и скорости или частоте вращения.

Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием токов обмотки якоря и магнитного поля машины можно определить из выражения для электромагнитной силы, действующей на проводник с током . Так как момент, создаваемый всеми витками равен , а ток в них , то окончательно для момента получим

.

Конструктивный коэффициент или постоянная момента равна постоянной ЭДС в системе единиц СИ. Для внесистемной единицы скорости вращения .

Реакция якоря

Р еакцией якоря называется воздействие магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов машины. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю и магнитное поле машины образуется только главными полюсами (рис (а)). Оно симметрично относительно оси главных полюсов и относительно геометрической нейтрали. Если отключить обмотку возбуждения и подключить якорь к источнику питания, то протекающий в обмотке якоря ток создаст магнитное поле, показанное на рисунке (б). Магнитная ось полюсов этого поля совпадает с осью щеток и перпендикулярна оси поля главных полюсов. Вращение якоря не влияет на картину поля якоря, т.к. распределение тока в обмотке якоря остается постоянным. В рабочем режиме машины включены обе обмотки и магнитное поле образуется суммированием обоих полей. В результате ось магнитного поля поворачивается на некоторый угол и на этот же угол поворачивается физическая нейтраль. Так как при одинаковом направлении вращения, направление тока якоря двигателя и генератора разное, то направление магнитного поля якоря и смещение физической нейтрали в этих режимах будет противоположеным. В режиме генератора нейтраль смещается в сторону вращения, а в режиме двигателя – против вращения.

В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.

Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.

Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.

Смещение физической нейтрали оказывает также негативное влияние на процесс коммутации.

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.

Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.

В микромощных машинах (< 1 кВт) реакцию якоря компенсируют установкой щеток на физическую нейтраль. При этом полная компенсация возможна только при одном значении тока якоря, т.е. только при какой-либо одной постоянной нагрузке. Однако в результате сдвига все же в машине существенно улучшается коммутация.

Коммутация

Коммутацией с электрических машинах называется процесс, связанный с изменением направления тока в секциях обмотки, при переключении их из одной параллельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается появлением ЭДС, вызывающих искрение между щетками и коллектором.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а продолжительность процесса коммутации – периодом коммутации: , где – соответственно число пластин коллектора, скорость вращения, ширина щетки и ширина пластины коллектора.

Н а рисунке 1 схематически показано переключение секции обмотки из одной ветви в другую при ширине щетки равной ширине коллекторной пластины. Движения якоря происходит справа налево. В положении (а) ток якоря протекает через щетку и пластину 1 и далее разделяется на параллельные ветви, в одну из которых включена секция 1, а в другую (правую) – коммутирующая секция 2. Затем щетка замыкает накоротко пластины коллектора 1 и 2 и коммутирующую секцию 2 (рис. (б)), а в следующий момент сбегает со щетки 1, размыкая секцию 2 и включая ее в левую параллельную ветвь. В результате перехода коммутирующей секции из правой ветви в левую ток в ней изменяется от до .

В замкнутой накоротко щеткой коммутирующей секции обмотки действуют несколько ЭДС, вызывающих ток . Основными из них являются ЭДС самоиндукции и ЭДС вращения или ЭДС поля реакции якоря , где – соответственно индуктивность поперечного поля в зоне коммутации, число витков коммутирующей секции, активная длина проводников секции и линейная скорость паза якоря.

ЭДС самоиндукции по своей природе препятствует изменению тока коммутирующей секции и может быть весьма значительной, т.к. период коммутации составляет с.

ЭДС вращения наводится в секции в результате пересечения ею поперечного магнитного поля, создаваемого реакцией якоря и дополнительными полюсами. Поле реакции якоря создает ЭДС всегда направленную согласно с ЭДС самоиндукции и усиливает ее действие. Дополнительные полюсы устанавливают в машине для компенсации поля реакции якоря. С их помощью можно полностью компенсировать, недокомпенсировать или перекомпенсировать это поле. ЭДС вращения в этих случаях будет соответственно нулевой, отрицательной или положительной.

Таким образом, в коммутирующей секции в общем случае действует суммарная ЭДС .

В случае ток в секции изменяется по линейному закону (кривая 1 рис.2) и в момент схода щетки с пластины коллектора искрения не наблюдается. Это эквивалентно размыканию электрической цепи с чисто активным сопротивлением.

Если , что соответствует отсутствию дополнительных полюсов в машине или неполной компенсации поля якоря, коммутация происходит замедленно (кривая 2 рис. 2) и в момент схода щетки с пластины коллектора в магнитном поле коммутирующей секции еще имеется большой запас энергии рассеиваемой в виде искры на сбегающем краю щетки. Размыкание происходит по типу размыкания цепи, содержащей индуктивность. Мощность искры зависит от величины тока нагрузки.

Подбором параметров обмотки и формы дополнительных полюсов можно создать условия, когда . При этом изменение тока в секции происходит по кривой 3. Такая коммутация называется ускоренной и процессы при размыкании эквивалентны цепи с емкостью. Можно выбрать параметры потока дополнительных полюсов так, чтобы плотность тока под сбегающим краем щетки была минимальной или даже нулевой. Тогда искрение на этом краю будет отсутствовать. Однако при ускоренной коммутации наблюдается склонность к искрообразованию на набегающем краю щетки в виде искры пробоя.

Искрообразование в процессе коммутации приводит к сложным электрохимическим процессам, вызывающим эрозию и ускоренный износ щеток и коллектора. Ухудшение контакта между щетками и коллектором вследствие эрозии вызывает также снижение энергетических показателей двигателей. В ответственных приводах с двигателями постоянного тока предусматриваются периодические регламентные работы. Для этого двигатель разбирают, заменяют щетки и шлифуют коллектор.

Основным средством улучшения коммутации являются дополнительные полюсы, магнитное поле которых подбирается таким образом, чтобы коммутация была линейной или слабо усукоренной. Дополнительные полюсы устанавливают практически во все машины мощностью выше 1 кВт.

В машинах меньшей мощности коммутацию настраивают установкой щеток за физическую нейтраль, смещая их у двигателей против направления вращения, а у генераторов – по направлению вращения якоря. При этом избыточный сдвиг за физическую нейтраль будет создавать в коммутирующих секциях ЭДС, аналогичную ЭДС дополнительных полюсов. Практически это осуществляют под нагрузкой поворотом щеточного узла до положения, при котором искрение минимально. Однако этот способ малоэффективен, т.к. настройка возможна только одного какого-либо режима работы.

Скорость вращения и механические характеристики двигателей

Основным элементом двигателей постоянного тока является якорь. Электромагнитные процессы в цепи якоря определяют характер и качество преобразования энергии. Важнейшей из характеристик, связывающей два главных параметра электромеханического преобразователя с вращательным движением – скорость или частоту вращения и электромагнитный момент , является механическая характеристика или . Она показывает влияние механической нагрузки (момента) на валу двигателя на скорость вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей.

Современные приводы обычно представляют собой автоматизированные системы, предназначенные для решения сложных технологических задач, большинство из которых требуют управления процессом преобразования энергии в двигателе и, в частности, управления скоростью его вращения. Поэтому помимо механической характеристики разработчикам и пользователям необходимо знать возможности и особенности регулирования, которые описываются регулировочной характеристикой , где - управляющая величина.

Механические характеристики могут быть естественными и искусственными. Под естественными характеристиками понимают характеристики полученные при номинальных параметрах источника питания и отсутствии каких-либо регулировочных устройств в цепях якоря и возбуждения. Все остальные характеристики называются искусственными.

Уравнение механической характеристики машины постоянного тока можно получить из уравнения Кирхгофа для цепи якоря

, где - напряжение на якоре, - сопротивление якоря, а - противо-ЭДС.

Подставляя выражение для противо-ЭДС получим уравнение скоростной или электромеханической характеристики

.

Выражая ток якоря через электромагнитный момент, получим уравнение механической характеристики

или в системе СИ –

.

Преобразование характеристики выполнено с учетом того, что в системе СИ , а также того, что константы и , являются выражениями для числа витков обмотки якоря взаимодействующих с магнитным потоком Ф, поэтому произведение является потокосцеплением якоря.

Полученные выражения справедливы для любой машины постоянного тока при условии независимости величин , Ф. и , но они могут видоизменяться, если между этими величинами появляется связь.

Такая связь может появляться, в частности, если обмотка возбуждения или ее часть включается в цепь якоря. Это приводит к существенному изменению характера функции , поэтому двигатели постоянного тока по схеме электрической цепи делятся на двигатели с

независимым;

параллельным;

последовательным и

смешанным возбуждением.

В двигателях с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного тока или магнитное поле главных полюсов этих машин создается постоянными магнитами.

При параллельном возбуждении обмотка возбуждения и цепь якоря соединены параллельно и питаются от одного источника.

При последовательном возбуждении обмотка возбуждения включается последовательно с цепью якоря, а при смешанном на главных полюсах делаются две обмотки, одна из которых включается последовательно, другая – параллельно.

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

Уравнение механической характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения соответствует основному уравнению , т.к. между потоком Ф, напряжением питания и моментом нет дополнительных связей. Его можно преобразовать к виду , где - скорость холостого хода, а величина обратная жесткости характеристики . Жесткость механической характеристики является очень важным параметром, т.к. отражает изменение скорости двигателя при изменении нагрузочного момента. Если скорость постоянна при любом моменте, то характеристика называется абсолютно жесткой, если же она изменяется от до при постоянном моменте, то характеристика абсолютно мягкая.

Очевидно, что уравнение механической характеристики это уравнение прямой линии с коэффициентом наклона , пересекающей ось в точке холостого хода . Точку пересечения характеристики с осью момента, т.е. пусковой момент двигателя, найдем, положив , тогда . Таким образом, скорость холостого хода определяется только величиной магнитного потока и напряжением питания, а жесткость характеристики – сопротивлением цепи якоря и магнитным потоком. При номинальном потоке и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, жесткость характеристики двигателя параллельного возбуждения высокая и отклонение скорости от скорости холостого хода при номинальном моменте составляет 2-8%. Двигатели с такой жесткой характеристикой могут использоваться в приводе, где требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки оставалась практически постоянной.

Из уравнения механической характеристики следует, что управлять скоростью вращения можно изменением трех величин: магнитного потока Ф; напряжения питания якоря и добавочного сопротивления в цепи якоря , если в уравнении под понимать сопротивление всей цепи якоря, состоящей из последовательно включенного собственно якоря и добавочного сопротивления. Изменение любого из этих параметров будет вызывать изменение механической характеристики и соответственно скорости вращения двигателя. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Э лектрическая схема управления магнитным потоком двигателя приведена на рисунке (а). Изменение сопротивления в цепи возбуждения при постоянном напряжении якоря будет приводить изменению тока обмотки возбуждения и линейно связанного с ним магнитного потока главных полюсов Ф. Изменение магнитного потока может быть только в меньшую сторону, т.к. магнитная система двигателя насыщена и увеличение тока возбуждения будет только перенасыщать ее, не вызывая существенного возрастания потока. Уменьшение Ф (увеличение ) ведет к увеличению скорости холостого хода и уменьшению пускового момента, т.е. жесткость характеристики будет уменьшаться (рис (а)). Регулировочные характеристики строятся при условии постоянства момента. При нулевом моменте функция представляет собой гиперболу. Это означает что при малых токах возбуждения двигатель будет разгоняться до недопустимо больших скоростей. При ненулевых постоянных моментах нагрузки уменьшение магнитного потока будет приводит к увеличению тока якоря ( ), и соответствующему увеличению падения напряжения на . Скорость вращения при этому будет возрастать до момента, пока падение напряжения не станет равным . В этом режиме скорость вращения достигнет максимума и дальше будет уменьшаться. Увеличение момента нагрузки будет приводить к снижению максимальной скорости.

Изменение напряжения якоря (рис. (б)) также возможно только в сторону уменьшения, т.к. электрические машины по условию электрической прочности изоляции не рассчитаны на работу при повышенных напряжениях. Как следует из уравнения механической характеристики, уменьшение напряжения будет приводить к линейному уменьшению скорости холостого хода и пускового момента, т.е. жесткость характеристик при этом будет сохраняться. Регулировочные характеристики также будут линейны. Регулирование напряжением якоря обеспечивает полное плавное управление двигателем при скоростях нише номинальной с оптимальными характеристиками управления. В современных системах оно реализуется с помощью управляемых выпрямителей или широтно-импульсных преобразователей, позволяющих использовать все возможности двигателя при высоких энергетических показателях.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря (рис.(в)), позволяет изменять жесткость механической характеристики при сохранении скорости холостого хода, т.е. все искусственные характеристики пересекаются в точке холостого хода. Регулировочные характеристики также как при управлении напряжением якоря линейны, однако с изменением момента они меняют свой наклон, т.е. изменяется передаточная характеристика двигателя, что усложняет процесс управления. Кроме того, реостат в цепи якоря потребляет большую мощность, ухудшая энергетические показатели работы привода, поэтому этот способ управления в современных разработках не используется.

В заключение рассмотрим характеристики двигателя при одновременном уменьшении напряжения питания якоря и обмотки возбуждения, т.е. при их параллельном подключении к одному источнику питания. В этом случае магнитный поток можно представить через напряжение и сопротивление обмотки возбуждения в виде , где - коэффициент связи между током возбуждения и потоком. Подставляя это выражение в уравнение механической характеристики, получим

, где и - константы. Таким образом, механические характеристики при уменьшении напряжения качественно будут выглядеть так же, как при изменении сопротивления в цепи якоря, но уменьшение жесткости характеристик будет выражено существенно больше.

Двигатели последовательного возбуждения

В двигателях последовательно возбуждения обмотка возбуждения включена в цепь якоря, поэтому . Таким образом, двигатель последовательного возбуждения при том же токе якоря развивает существенно больший электромагнитный момент.

Подставляя в уравнение электромеханической характеристики ток якоря и магнитный поток из полученных выше выражений, представим уравнение механической характеристики в виде

, где ; .

Управляющими параметрами в этой характеристике являются напряжение на якоре и сопротивление цепи якоря . Напряжение на якоре при последовательном соединении его с обмоткой возбуждения отличается от напряжения источника питания на величину падения напряжения на обмотке. Однако сопротивление обмотки очень невелико и в уравнении можно считать напряжением источника питания. Кроме того, в машине последовательного возбуждения можно регулировать также магнитный поток, шунтируя регулировочным сопротивлением обмотку возбуждения или якорь. Второй способ крайне неэкономичный, т.к. сопротивление будет подключено практически на напряжение питания, что вызовет большие потери мощности и снижение общего КПД устройства. Поэтому в дальнейшем мы рассмотри только регулирование шунтированием обмотки возбуждения. Для этого введем коэффициент возбуждения , исходя из известного уравнения распределения токов в параллельном соединении и :

. Коэффициент ослабления изменяется в пределах при изменении сопротивления шунта . Тогда магнитный поток будет равен и в уравнении механической характеристики появится произведение везде, где есть , и окончательно механическая характеристика примет вид

.

Таким образом, мы получили уравнение характеристики с полным набором переменных для управления машиной.

Механические характеристики представляют собой резко падающие с увеличением момента кривые (см. рисунок). Они имеют две асимптоты: ось ординат и линию , соответствующую скорости вращения при . Пусковой момент двигателя последовательного возбуждения равен .

Отсутствие точки холостого хода создает определенные сложности в эксплуатации, т.к. требует обеспечения минимально допустимого момента нагрузки, при котором скорость вращения не будет превышать допустимую по условиям механической прочности якоря. В то же время, квадратичная зависимость электромагнитного момента от тока якоря, позволяющая развивать большой момент при перегрузках, является причиной широкого распространения этих двигателей в подъемно-транспортном оборудовании и на транспорте.

У правление скоростью вращения изменением магнитного потока производится с помощью по схеме рис (а). Как и в случае двигателя параллельного возбуждения регулирование момента возможно только при уменьшении потока. В уравнении механической характеристики это соответствует изменению коэффициента возбуждения . Уменьшение коэффициента возбуждения приводит к снижению пускового момента и уменьшению жесткости характеристики. Поэтому механические характеристики, снятые при разных токах возбуждения перекрещиваются.

Изменение напряжения питания возможно только в сторону уменьшения. При этом положение асимптоты характеристики сохраняется и изменяется только ее жесткость. Этот способ регулирования в современных приводах реализуется с помощью управляемых выпрямителей и полупроводниковых широтно-импульсных преобразователей, обеспечивая самые высокие энергетические показатели.

При введении в цепь якоря добавочного сопротивления изменяется только асимптота, соответствующая бесконечно большому моменту. Увеличение сопротивления приводит к снижению асимптоты и к соответствующему уменьшению жесткости характеристик. Этот способ управления неэкономичен из-за больших потерь в добавочном сопротивлении.

Следует заметить, что приведенные на рисунке характеристики имеют в значительной степени теоретическое значение, т.к. в реальных двигателях сколько-нибудь существенной мощности получить режим короткого замыкания на естественной характеристике невозможно. Поэтому в литературе приводятся только участки, соответствующие первой трети характеристик, показанных на рисунке.

Двигатели смешанного возбуждения

Двигатели смешанного возбуждения имею две обмотки, намотанные на те же полюсы. Одна из обмоток включается последовательно в цепь якоря, а другая параллельно этой цепи (см. рисунок). В зависимости от числа витков и токов в этих обмотках, соотношение МДС обмоток может быть различным. Кроме того, эти обмотки могут включаться согласно или встречно. Обычно в двигателях смешанного возбуждения преобладает МДМ параллельной обмотки при согласном включении. В этом случае магнитный поток последовательной обмотки с увеличением нагрузки возрастает и двигатель имеет более мягкую характеристику, чем двигатель параллельного возбуждения, но более жесткую, чем двигатель последовательного возбуждения.

М еханическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (кривая 3 на рисунке) представляет собой нечто среднее между характеристиками двигателей параллельного (линия 1 на рисунке) и последовательного (кривая 2 на рисунке) возбуждения. Она позволяет получить значительный пусковой момент в двигателе и исключает опасность разгона якоря до опасных скоростей вращения при холостом ходе.

Скорость двигателя смешанного возбуждения регулируется обычно так же, как в двигателях параллельного возбуждения, хотя в принципе можно использовать и способы, применяемые в двигателях последовательного возбуждения. Изменением МДС обмоток и их взаимным направлением можно получить практически любую промежуточную характеристику. Двигатели смешанного возбуждения применяются для привода компрессоров, прокатных станов, подъемников, в электрической тяге и т.д.

Пуск, торможение, реверс

Пуск двигателей постоянного тока прямым подключением к источнику питания возможен только для двигателей малой мощности, т.к. при этом ток составляет . У двигателей средней и большой мощности кратность пускового тока составляет . Поэтому пуск таких двигателей производится различными способами, наиболее простым из которых является включение в цепь якоря пускового реостата или сопротивления , ограничивающего ток якоря до допустимых пределов ( ). Большие значения токов при пуске объясняются тем, что при неподвижном якоре в нем не наводится противо-ЭДС и ток ограничивается только активным сопротивлением цепи якоря. Величина этого сопротивления обычно очень мала, что и приводит к значительным перегрузкам.

Н а рисунке 1 показаны электрические схемы и пусковые диаграммы р еостатного пуска двигателей параллельного (а) последовательного (б) возбуждения. Они отличаются только схемой включения , поэтому в дальнейшем мы не будем рассматривать их отдельно.

Пуск осуществляется последовательным замыканием контактов ступеней реостата – 1, 2 и 3. В начале пуска все контакты разомкнуты и сопротивление имеет максимальное значение . По мере замыкания контактов оно уменьшается до нулевого значения, когда все контакты замкнуты.

Для формирования режима пуска задаются максимальным и минимальным допустимыми значениями тока якоря. Добавочное сопротивление на -ой ступени пуска определяется из электромеханической характеристики по выражению , где , скорость вращения якоря в конце разгона на -ой ступени.

Переключение контактов можно производить вручную или автоматически по сигналу тока якоря или скорости вращения.

Наиболее эффективным способом пуска является пуск с постепенным повышением напряжения питания. Регулирование напряжения питания в современных приводах осуществляется с помощью п олупроводниковых управляемых выпрямителей или широтно-импульсных регуляторов. Эти устройства в приводе постоянного тока используют для регулирования скорости вращения. Одновременно они могут служить для формирования пусковых режимов.

Двигатели мощностью до 1 кВт имеют относительно большое сопротивление якоря, поэтому кратность пускового тока у них невелика и, если позволяет нагрузка, их запускают прямым подключением к источнику питания.

Режимы торможения используют для того, чтобы сократить время остановки двигателя или для фиксации ротора в определенном положении. Торможение можно производить специальными устройствами и/или самим двигателем. Электрическое торможение происходит тогда, когда ток якоря протекает в том же направлении, в котором действует ЭДС якоря (рис. 2). Различают три вида торможения: генераторное с возвратом энергии в сеть (а); торможение противовключением (б) и динамическое торможение (в).

Торможение с возвратом энергии в сеть происходит в том случае, когда ЭДС якоря больше напряжения источника питания . Этот режим возникает либо когда нагрузка на валу раскручивает якорь до скорости выше скорости холостого хода, либо когда снижается напряжение питания. В первом случае рабочая точка перемещается по механической характеристике из положения 1 в положение 2 (рис.3) и двигатель переходит в генераторный режим с отрицательным (тормозным) моментом. Во втором характеристика опускается и, т.к. скорость вращения из-за инерционности ротора остается в первый момент постоянной, то рабочая точка оказывается в положении 2'.

Торможение противовключением происходит в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или обмотке возбуждения переключается на противоположное. Одновременное изменение направления тока в обеих обмотках сохранит прежнее направление момента и торможение не произойдет. У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения имеет большую электромагнитную постоянную времени ( ). Значительно меньше постоянная времени у обмотки якоря, поэтому обычно в этих двигателях переключают обмотку якоря. В двигателях последовательного возбуждения постоянные времени якоря и обмотки возбуждения отличаются несущественно и переключать можно любую цепь.

После переключения естественная характеристика , соответствующая новому направлению тока (рис. 3) располагается в третьем и четвертом квадрантах. Непосредственный переход в какую-либо точку этой характеристики невозможен из-за недопустимого броска тока и момента. Поэтому одновременно с переключением обмотки якоря последовательно включают добавочное сопротивление, формируя характеристику . При переключении рабочая точка перейдет в положение 3 и далее скорость вращения будет снижаться, а рабочая точка скользить по характеристике до остановки якоря в точке 4. Если в этот момент не отключить двигатель от сети, то якорь начнет вращаться в противоположную сторону, пока внешний момент не будет уравновешен моментом двигателя и не наступит статический режим в некоторой точке 5. Торможение противовключением весьма эффективно, но сопровождается большими потерями энергии в якоре и добавочном сопротивлении.

Динамическое торможение происходит при отключении якоря от сети и замыкании его на сопротивление. Двигатель при этом работает генератором, преобразуя запасенную ротором кинетическую энергию в тепловую, рассеиваемую в сопротивлении обмотки якоря и внешнем сопротивлении. Уравнение механической характеристики этого режима соответствует условию и имеет вид

, т.е. соответствует линии проходящей через начало координат и располагающейся во втором и четвертом квадрантах ( рис. 3). Жесткость характеристики при этом определяется тем же коэффициентом, что и в случае подключения якоря к источнику питания. После замыкания якоря на сопротивление рабочая точка переместится в положение 6, а затем по характеристике . В начало координат до полной остановки. Величиной добавочного сопротивления можно регулировать интенсивность торможения. На рисунке 3 тонкой линией показана характеристика и рабочая точка 6' с меньшим значением сопротивления и большим тормозным моментом.

Реверсирование – это изменение направление вращения двигателя. Обычно оно выполняется в две стадии. Сначала двигатель останавливается торможением, а затем изменяется направление тока якоря или обмотки возбуждения и производится пуск. В микромощных (до 500 Вт) двигателях, если нагрузка допускает ударные моменты и требуется изменение направления вращения за минимальный отрезок времени, реверсирование вращающегося двигателя осуществляют переключением обмотки якоря.

Потери мощности и КПД

Электрические машины служат для взаимного преобразования электрической и механической энергии. Любое преобразование неизбежно приводит к потерям энергии.

В машинах постоянного тока потери мощности происходят в магнитопроводе, в цепях якоря и возбуждения, в механике самой машины.

Потери в магнитопроводе любой электрической машины связаны с перемагничиванием материала. Эти потери пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции в степени близкой ко второй. Второй составляющей потерь в магнитопроводе, являются потери на вихревые токи. Они также пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции во второй степени. В двигателях постоянного тока потери возникают только в сердечнике якоря, т.к. только здесь магнитный поток изменяется во времени с частотой вращения. Магнитный поток в статоре постоянный и потери отсутствуют. В соответствии с этим, характер магнитных потерь у этих машин определяется характером их работы. Изменение скорости вращения и нагрузки будет приводить к изменению частоты магнитного потока в сердечнике якоря, а у машин последовательного возбуждения еще и к изменению индукции. Все это делает практически невозможным точное определение магнитных потерь расчетным путем.

Потери в цепи якоря состоят из потерь в сопротивлениях якоря , обмотки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки (если они имеются), а также потерь в контактах щетки-коллектор. Падение напряжения между щетками и коллектором принимается постоянным и равным 1,5-2,0 В. Это связано с тем, что на поверхности коллектора при работе образуется сложная окисная пленка, обладающая нелинейной вольтамперной характеристикой, близкой к характеристике полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. Исходя из этого, потери в цепи якоря можно определить, как . Для двигателей последовательного возбуждения это выражение преобразуется к виду с учетом того, что обмотка возбуждения ( ) включена в цепь якоря, а компенсационной обмотки у таких машин обычно не делают.

У машин параллельного возбуждения учитываются также потери в обмотке в виде .

Механические потери в машинах постоянного тока складываются из потерь трения щеток о коллектор, в подшипниках якоря и вентиляционных потерь.

Механические и магнитные потери при постоянной скорости вращения можно считать постоянными и определить в режиме холостого хода как , где - мощность, потребляемая цепью якоря в режиме холостого хода.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение полезной мощности к потребляемой , т.е.

, где - суммарные потери в машине.

У микромощных машин (до 100 Вт) КПД составляет 0,15-0,5 и повышается с ростом мощности, достигая значений 0,90-0,97 у машин мощностью свыше 100 кВт. Эти значения КПД соответствуют номинальной нагрузке. С изменением нагрузки КПД также будет изменяться. На рисунке приведена типичная зависимость КПД от коэффициента нагрузки . Здесь видно, что при малых нагрузках КПД резко уменьшается, поэтому слабо нагруженную машину невыгодно эксплуатировать.

67