9.2. Генераторы постоянного тока

 Как видно, ЭДС якоря прямо пропорциональна произведению магнитного потока ста­тора Ф_в на частоту вращения n якоря. Если к зажимам якорной обмотки подключить при­ём­ник R, то ЭДС якоря вызовет в цепи ток I_я = I (рис. 9.3а).

Напряжение на зажимах обмотки якоря

U = E_я – R_яI_я = С_EФ_вn – R_яI_я, где R_я и I_я – сопротивление цепи и ток якоря.

9.2.2. Свойства и характеристики генератора независимого возбуждения

Свойства генераторов постоянного тока определяются их основными характеристи­ка­ми: холостого хода, внешней и регулировочной

Рассмотрим работу ГПТ независимого возбуждения (рис. 9.3а). Его обмотка возбу­ж­де­ния ОВ подключается к источнику постоянного тока, а к выводам обмотки приведен­ного во вра­щение якоря присоединяется нагрузка R. Тогда под действием ЭДС якоря Е_я в цепи нагрузки возникает ток I. Проводники с током обмотки якоря находятся в магнитном поле, созданном МДС обмотки возбуждения, поэтому в соответствии с законом Ампера возни­кают электро­маг­нитные силы и электромагнитный момент M_эм, направленный про­тивопо­ложно моменту при­водного двигателя. Таким образом, при работе машины в ре­жиме гене­ратора создаётся проти­водействующий электромагнитный момент M_эм, кото­рый должен быть преодолен пер­вичным двигателем.

Недостатком ГПТ независимого возбуждения является потребность в постороннем ис­точ­нике постоянного напряжения для создания магнитного потока Ф_в машины.

Характеристика холостого хода (ХХ) E_я = U_x = f(I_в) (n = const; I = 0) снимается при разо­м­кну­той цепи приёмника и показывает, как нужно изменять ток возбуждения I_в посред­ством рео­стата R_р, чтобы получить те или иные значения ЭДС E_я генератора. Так как при посто­янной частоте вращения (n = const) ЭДС якоря прямо пропорциональна магнитному потоку Ф_в, то ха­рактеристика ХХ подобна кривой намагничивания Ф_в(I_в), называемой маг­ни­тной характе­ри­сти­кой машины. Поскольку магнитная цепь машины выполняется из электротех­ни­ческой стали, являющейся магнитномягким материалом, то характеристика E_я = f{I_в) пред­ставляет узкую петлю гистерезиса (рис. 9.3б).

При отсутствии тока в обмотке возбуждения (I_в = 0) в якоре (при его вращении) ин­дукти­ру­ется небольшая ЭДС E_я0 (равная 13% от напряжения U_н), обусловленная остаточ­ным маг­нит­ным потоком Ф_в0.

Важнейшей характеристикой ГПТ является внешняя характеристика U = f(I), представ­ля­ю­щая собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I при I_в = const (рис. 9.3в).

Внешняя характеристика U = E_я  R_яI_я ГПТ независимого возбуждения жёсткая: напря­же­ние U незначительно (на 610% от E_я при I = I_н) уменьшается с ростом тока нагрузки I из-за падения напряжения в цепи якоря и реакции якоря – воздействия магнитного поля якоря Ф_я, создавае­мого МДС обмотки якоря F_я = w_я I_я, на основной магнитный поток Ф_в машины, кото­рое вы­зы­вает искажение магнитного потока Ф_в статора и, в конечном итоге, уменьше­ние ЭДС Е_я якорной обмотки.

При КЗ во внешней цепи ток якоря I_к = I_як превышает номинальный ток I_ян в десятки раз. Такой ток недопустим для коллектора, щёток и обмотки якоря. По­этому ГПТ защи­щают от то­ков КЗ быстродействующими реле и контактором. Допустимая кратковремен­ная (нес­ко­лько се­кунд) перегрузка ГПТ током: I = (22,5)I_н.

Регулировочной характеристикой называют характеристику I_в = f(I) (рис. 9.3г) при n = = сonst и U = const. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения, чтобы под­дер­живать по­сто­ян­ным напряжение U генератора при изменении нагрузки (тока I). Как сле­дует из рис. 9.3а и б для стабилизации напряжения U необходимо соответствующим об­ра­зом изменять ЭДС Е_я якоря путём изменения тока I_в. Поскольку напряжение генератора сни­жа­ется при уве­ли­че­нии нагрузки, ток возбуждения необходимо увеличивать.

9.3. Свойства и характеристики ГПТ с самовозбуждением

Для возбуждения ГПТ с самовозбуждением необходимо:

• наличие остаточного магнитного потока Ф_в0 полюсов машины,

• согласное включение обмотки возбуждения с остаточным магнитным потоком Ф_в0,

• иметь сопротивление цепи возбуждения, меньшее так называемого критического соп­­­­ро­тивления R_в.кр, т.е. R_в < R_в.кр.

Рассмотрим процесс самовозбуждения ГПТ параллельного возбуждения (рис. 9.4а). В ре­жиме ХХ (E_я = f(I_в)) ток во внешней цепи I = 0, а в обмотке возбуждения и в обмотке якоря про­текает небольшой ток, обусловленный остаточной ЭДС якоря Е_яо (рис. 9.4б). Если об­мотка ОВ подключена к цепи якоря таким образом, что создаваемый её МДС магнитный поток сов­падает по направлению с остаточным магнитным потоком, то ЭДС якоря (соот­ветственно магнитный поток Ф_в и ток I_в обмотки возбуждения) будет возрастать.

Процесс самовозбуждения генератора заканчивается, когда падение напряжения на об­мотке ОВ станет равным ЭДС якоря, т.е. Е_я = R_вI_в (точка A, рис. 9.4б). Если увеличивать со­про­тивление цепи возбуждения (посредством реостата R_р, (см. рис. 9.4a), то точка А пе­ресе­чения прямой R_вI_в с характеристикой E_я(I_в) сместиться влево (рис. 9.4б). При до­стиже­нии зна­чения сопротивления R_в.кр цепи возбуждения, называемого критическим, напряже­ние U на зажимах генератора будет неустойчивым, практически не превыша­ю­щим ЭДС Е_яо. По­этому сопротив­ление цепи возбуждения R_в генератора должно быть меньше критиче­ского значения сопро­тив­ления R_в.кр.

Генераторы последовательного возбуждения не нашли широкого применения из-за не­по­стоянства выходного напряжения, поэтому их характеристики не рассматриваются.

Внешняя (вольтамперная) характеристика ГПТ параллельного возбуждения U = f(I), т.е. U = Е_я – R_яI_я, где I_я = I + I_в – ток якорной обмотки, отличается более резким падением напря­жения (рис. 9.4в) при увеличении тока I нагрузки (на 1020 % от Е_я при номиналь­ном токе I_н) по срав­нению с внешней характеристикой ГПТ независимого возбуждения.

Причинами падения напряжения U являются:

• увеличение падения напряжения R_яI_я в цепи якоря;

• реакция якоря;

• уменьшение тока возбуждения I_в = U / R_в, вызванное первыми двумя причинами, при­вед­шими к снижению напряжения U на зажимах обмотки ОВ.

У генераторов параллельного возбуждения при уменьшении сопротивления R нагрузки ток I увеличивается до определённого предела, называемого критическим I_кр = (1,52,5)I_н. При дальнейшем уменьшении сопротивления R ток I уменьшается вследствие размагничи­вания машины (уменьшения тока возбуждения).

При КЗ машина будет полностью размагничена, поэтому ток КЗ I_к обычно невелик (опре­де­ляется небольшой остаточной ЭДС (I_к = Е_яо / R_я)). Однако при внезапном КЗ вслед­ствие мед­ленного изменения магнитного потока и ЭДС якоря ток I в переходном режиме может пре­вы­сить номинальное значение в несколько раз, что может вызвать перегрев ще­точно-кол­лек­тор­ного узла. Поэтому в цепь управления этих генераторов включают реле, которое от­клю­чает цепь якоря в случае, если ток якоря превысит установленное значение.

Регулировочная характеристика I_в = f(I) при n = const и U = const имеет такой же вид (рис. 9.4г), как регулировочная характеристика ГПТ независимого возбуждения, однако проходит круче, так как, чтобы скомпенсировать большее снижения напряжения, необхо­димо уве­ли­чи­­вать ток возбуждения в большей степени.

        У ГПТ смешанного возбуждения (рис. 9.5а) при сог­ласном включении последова­тельной и парал­лель­ной обмоток возбуждения их магнитные потоки склады­ва­ются, и дополнительная ЭДС, обусловлен­ная магнит­ным потоком последовательной обмотки, ком­пенсирует паде­ние напряжения в обмотке якоря и умень­шение ЭДС Е_я от снижения тока возбуждения. В этом слу­чае при из­мене­нии тока нагрузки I напряжение U остаётся практиче­ски посто­ян­ным (кривая 1, рис. 9.5б).

При встречном включении обмоток возбуждения при увеличении тока нагрузки напря­же­ние на выходе генератора резко падает (кривая 2, рис. 9.5б). Такую вольтампер­ную ха­рак­тери­стику, называемую крутопадающей, имеют генераторы для дуговой сварки (типа ПСО-300 и ПСГ-500), обеспечивающие постоянство тока при колебаниях сопротив­ления цепи вслед­ствие изменения длины электрической дуги.

9.3. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

9.3.3. Противо-ЭДС и баланс мощностей цепи якоря ДПТ

Если вращающий момент М больше момента сопротивления M_с механизма на валу, т.е. M > M_с, то якорь начинает вращаться. Однако при вращении якоря его проводники пересе­ка­ют магнитный поток Ф_в и, согласно закону электромагнитной индукции, в них индуктиру­ет­ся ЭДС. Суммарную ЭДС всех проводников якорной обмотки называют про­тиво-ЭДС, так как нап­рав­ление ЭДС противоположно направлению тока якоря I_я (см. рис. 9.6б).

Уравнение электрического равновесия для якорной обмотки выглядит следующим об­ра­зом: U = E_я + R_яI_я, где U − напряжение на зажимах якорной обмотки.

Умножив члены последнего уравнения на ток I_я, получим уравнение баланса мощно­стей цепи якоря ДПТ: Р_э = UI_я = E_яI_я + R_я(I_я)², которое показывает, что электрическая мощность Р_э, подводимая к якорю двигателя из сети, преобразуется в электромагнитную мощность Р_эм = = E_яI_я = М/ω и мощность электри­че­ских по­терь ΔР_я = R_я(I_я)² в обмотке якоря.

9.3.4. Классификация ДПТ по способу возбуждения

ДПТ классифицируют по способу возбуждения:

• независимое, • параллельное (шунтовое), • последовательное (сериесное) и • смешанное (сериесно-шунтовое или компаундное).

В ДПТ параллельного возбуждения обмотка ОВ подключена параллельно с обмоткой якоря к сети (рис. 9.6б). В цепь ОВ включен регулировочный реостат с со­противлением R_р, а в цепь якоря – пусковой реостат с сопротивлением R_n.

В ДПТ параллель­ного возбуждения ток возбуждения

I_в = U/(R_в + R_p),

Ток якоря

I_я = (U – E_я/R_я = (U – C_EnФ_в)/R_я,

где U – напряжение, подводимое к электродвигателю; R_я – сопротивление цепи якоря.

В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, поэтому противо-ЭДС Е_я = = 0. Напомним, что пуском называют процесс разгона якоря от неподвижного состоя­ния до уста­новившегося значения частоты вращения якоря, когда вращающий электро­магнит­ный момент М двигателя равен моменту сопротивления механизма на валу – мо­менту нагрузки М_с, т.е. М = М_с. В процессе пуска вращающий момент должен быть больше момен­та нагрузки (М > М_с).

Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток I_яп = U/R_я в обмотке якоря и, как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение в контактах щётки-кол­лектор, по­следова­тельно с якорем включают пусковой реостат R_п (рис. 9.6б), сопротив­ление кoто­рого рассчи­тывают из условия, чтобы пусковой ток

I_яп = U/(R_я + R_п) ≤ (22,5)I_ян,

где I_ян – номинальный ток якоря.

При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент М_п = (24)М_н. Это обеспечивает быстрый разгон механизма на валу. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Е_я увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т.е. при n = n₀, R_п = 0.

9.3.5. Скоростная и механические характеристики

ДПТ параллельного возбуждения

Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной n(I_я) или механи­че­ской n(M) характеристиками. Скоростная характеристика представляет зависимость ча­сто­ты вра­ще­ния n от тока якоря I_я при U = const и I_в = const.

Уравнение естественной скоростной характеристики получают из рассмотренного вы­ше выражeния

n = (U – R_яI_я)/(C_ЕФ_в) = (U/C_ЕФ_в) – (R_я/C_ЕФ_в)I_я.

Механическая характеристика n(M) представляет зависимость частоты вращения яко­ря n от развиваемого ДПТ момента М = М_с при условии постоянства напряжения U сети и сопро­тив­лений в цепи якоря и в цепи возбуждения. Заменив ток I_я в выражении скорост­ной харак­тери­стики значением из выражения вращающего момента М = С_MI_яФ_в, получим ура­в­нение есте­ственной механической характеристики (кривая 1, рис. 9.6в)

n = (U/C_ЕФ_в) – (R_я/С_ЕФ_вС_МФ_в)M = n₀ – Δn,

где n₀ = U/C_EФ_в – частота вращения якоря при "идеальном" ХХ (М_с = 0) и сопротивлениях R_п = 0 и R_р = 0, а также при напряжении на якоре U = U_н и магнитный поток двигателя Ф_в = = Ф_вн.

Естественная механическая характеристика n(M) ДПТ параллельного возбуждения яв­ля­ется жесткой, так как снижение частоты вращения Δn при моменте сопротивления на валу М = М_сн составляет (37)% от n₀. Если сопротивление пускового реостата R_п > 0 (R_р = 0), по­лу­чают искусственные, так называемые реостатные механические характери­стики 24 (рис. 9.6в), проходящие через точку n₀ – частоту вращения ХХ двигателя.

Чем больше сопротивле­ние R_п, тем характеристика круче.

9.3.6. Пуск ДПТ параллельного возбуждения

Прямой пуск двигателя (R_п = 0) применяют только для двигателей малой мощности (до 1 кВт), у которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться.

Пуск двигателя с использованием пускового реостата называют реостатным. Перед пуском для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (R_р = 0, при этом маг­нитный поток Ф_в имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового рео­стата устанавливают в положение 4 при наличии трёх ступеней реостата, (см. рис. 9.6б), при котором сопротивление R_п имеет максимальное значение. В начальный период пуск осу­ществляется по реостатной характеристике 4 (рис. 9.6в); при этом двига­тель развивает максимальный пусковой момент.

По мере разгона сопротивление пускового реостата R_п ступенчато уменьшают; разгон двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис. 9.6, в). При полностью выведенном сопротивлении R_п и достиже­нии значения М = М_н частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaни­че­ской характеристике 1 (точка А).

При пуске двигателей большой мощности использование пускового реостата (из-за его громоздкости и значительных потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что R_п = 0 и R_р = 0) искусственные механические харак­теристики имеют вид 2 и 3 (рис. 9.6г) и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U.

Регулировочный реостат R_р позволяет изменять ток возбуждения I_в двигателя и его магнитный поток Ф_в. При этом будет изменяться и частота вращения якоря n. При номи­нальном напряжении на якоре (R_п = 0) и уменьшении магнитного потока (R_р > 0) механиче­ские характеристики имеют вид 4 и 5 (рис. 9.6г) и проходят тем выше естественной 1 и круче её, чем меньше магнитный поток.

9.3.7. Способы регулирования частоты вращения и реверсирование ДПТ параллельного возбуждения

Из рассмотрения механических характеристик двигателя следует, что при моменте М = = М_с = const частоту вращения якоря

n = U/(C_EФ_в) – M(R_я + R_n)/(C_EC_MФ_в²) = n₀ – Δn

можно регулировать тремя способами:

• реостатным – изменением сопротивления цепи якоря (R_я + R_п = var);

• полюсным – изменением магнитного потока полюсов (R_в + R_р = var);

• якорным – изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var).

Реверсирование ДПТ можно обеспечить изменением направления тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения.

9.3.7. Рабочие характеристики ДПТ параллельного возбуждения

На рис. 9.7 изображены рабочие характеристики рассматри­ваемого двигателя. Они п редставляют собой зависимости по­требляемой мощности P₁, тока I_я, частоты вращения n, мoмента M и КПД η от отдаваемой мощно­сти P₂ на валу двигателя при U = const и I_в = const.

Характеристики n(P₂) и M(P₂) являются практически линей­ными, а зависимости P₁(P₂), I_я(P₂) и  η(P₂) имеют характер, об­щий для всех электрических машин. Иногда рабочие характери­стики строят в за­висимости от тока якоря I_я.

Для двигателя параллельного возбуждения моментная ха­рак­те­ристика М(I_я) при U = const и Ф_в = const представляется в виде пря­мой, проходящей через начало координат.

Механические и рабочие характеристики ДПТ незави­симого возбуждения ана­логичны характеристикам ДПТ параллельного возбуждения, так как у них ток возбуждения I_в также не зависит от тока якоря I_я.

9.3.7. Свойства и характеристики ДПТ последовательного возбуждения

В ДПТ последовательного возбуждения (рис. 9.8a) ток возбуждения I_в = I_я = I, поэтому магнитный поток Ф_в является функцией тока якоря I_я. Характер этой зависимости изме­ня­ется в зависимости от нагрузки двигателя.

При токе якоря I_я < (0,80,9)I_ян, когда магнитная система машины не насыщена, магнит­ный поток Ф_в = k_фI_я. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф_в растёт медленнее, чем ток I_я, и при больших нагрузках (I_я > I_ян) можно считать, что поток Ф_в ≈ const. В соот­вет­ствии с этим изменяются зависимости n = f(I_я) и M = f(I_я)

При токе якоря I_я < (0,80,9)I_ян

Поэтому частота вращения n будет снижаться с ростом магнитного потока в бoльшей степени по сравнению с частотой вращения ДПТ параллельного возбуждения (см. участок аb кривой 1 на рис. 9.8б), т.е. ДПТ последовательного возбуждения имеет более мягкую механическую характеристику по сравнению с механической характеристикой ДПТ парал­лельного возбуждения. Зависимость M = f(I_я) на участке аb (рис. 9,8в) – пара­болического типа, что создаёт большой пусковой момент при разгоне механизма.

При небольших нагрузках (М < М_н/4) частота вращения n резко возрастает, как говорят, двигатель идёт в "разнос", что опасно с точки зрения механической прочности якоря. В виду этого нельзя допускать работу ДПТ последовательного возбуждения при ХХ и при малых нагрузках.

При токе I_я > 0,9I_ян частота вращения

т.е. по мере насыщения магнитной системы машины жёсткость механической характери­с­ти­ки n = f(М) возрастает, а гиперболическая зависимость M = f(I_я) переходит в наклонную прямую (см. рис. 9.8б и в).

При пуске с реостатом R_п, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых зна­чений I_п и M_п, характеристика n = f(М) проходит ниже характеристики 1 (см. кривую 2 на рис. 9.8б).

Несмотря на указанные недостатки, ДПТ последовательного возбуждения широко при­меняются в различных электрических приводах, особенно там, где имеет место изме­нение нагрузочного момента М_с в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузопо­дъё­мные и поворотные механизмы, тяговый привод и др.).

9.3.8. Свойства и характеристики ДПТ смешанного возбуждения

В ДПТ смешаного возбуждения магнитный поток создаётся в результате совместного действия МДС двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной (рис. 9.9а). Поэтому механическая характеристика 1 (рис. 9.9б) ДПТ смешанного возбуждения рас­полагается между характеристиками ДПТ по­следо­ва­тельного (кривая 2) и парал­лель­ного ( кривая 3) возбуждения.

В зависимости от соотношения МДС последо­вательной и параллельной обмоток возбуж­дения ха­рактеристики n = f(М) и M = f(I_я) ДПТ смешанного воз­буждения при номинальном режиме можно при­б­ли­­зить к характери­стике 2 (при малой МДС парал­лельной обмотки) или к характеристике 3 (при ма­лой МДС последовательной обмотки).

Одним из достоинств ДПТ смешанного возбуж­де­ния является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой при небольших нагрузках на валу, может работать при ХХ, так как его частота вращения n₀ при ХХ имеет конечное значение.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Изобразите схематически устройство МПТ.

2. Объясните принцип работы ГПТ.

3. Объясните устройство и назначение коллектора.

4. Напишите формулу ЭДС и формулу электромагнитного момента МПТ.

5. Изобразите схемы генераторов независимого, параллельного и смешанного воз­буждения; покажите на них направления токов и ЭДС.

6. Объясните процесс самовозбуждения ГПТ.

7. Сравните внешние характеристики различных типов генераторов.

8. Выведите уравнение механической характеристики ДПТ.

9. Изобразите схемы двигателей параллельного, последовательного и смешанного возбуждения; покажите на них направления токов и ЭДС

10. Перечислите способы пуска ДПТ.

11. Изобразите и объясните реостатные механические характеристики двигателя па­раллельного и последовательного возбуждения.

12. В каком случае возможен "разнос" ДПТ.

13. Перечислите способы регулирования частоты вращения двигателя параллельно­го возбуждения и укажите их достоинства и недостатки.

14. Какие двигатели (с какой системой возбуждения) применяются в приводах элек­тро­транспорта.

15. Начертите схему универсального коллекторного двигателя и назовите области его применения.

16. Перечислите достоинства и недостатки микродвигателя с дисковым якорем.

17. Покажите выходные характеристики тахогенератора постоянного тока.

18. Изобразите эскиз устройства микродвигателя постоянного тока с полым якорем.

19. Начертите схему электромашинного усилителя с поперечным полем и объясните принцип его действия.