- •Введение в электромеханику
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •В.1. Краткая история развития электромеханики
- •В.2. Понятие “электромеханика”. Структура электромеханических систем
- •В.3. Задачи и структура учебного плана подготовки бакалавров по направлению 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии
- •Контрольные вопросы
- •Глава 1. Основные понятия и законы электротехники
- •1.1. Электрические цепи постоянного и переменного тока
- •1.2. Магнитные цепи
- •1.3. Электромагнитная аналогия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Устройство, принцип действия и характеристики электрических двигателей
- •2.1. Классификация электродвигателей
- •2.2. Двигатель постоянного тока
- •2.3. Асинхронный двигатель переменного тока
- •2.4. Синхронный двигатель
- •2.5. Обратимость электрических машин углового движения
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Силовые преобразователи электрической энергии
- •3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный
- •3.2. Преобразователи переменного тока
- •3.2.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью
- •3.2.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Преобразователи движения
- •4.1. Назначение и классификация преобразователей движения
- •4.2. Зубчатые передачи
- •4.3. Червячная передача
- •4.4. Передачи с гибкой связью
- •4.4.1 Ременные передачи
- •4.4.2 Цепная передача
- •4.4.3. Тросовая передача
- •4.5. Передача винт-гайка
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Введение в теорию электропривода
- •5.1. Механика электропривода
- •5.1.1. Кинематическая и расчетная схема механической части электропривода
- •5.1.2. Уравнение движения электропривода
- •5.1.3. Типовые статические нагрузки электропривода
- •5.2. Регулирование координат электропривода
- •5.2.1. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения
- •5.2.2. Регулирование скорости асинхронных двигателей
- •5.2.3. Регулирование тока и момента при пуске электродвигателей
- •5.3. Энергетика электропривода
- •5.3.1. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода
- •5.3.2. Типовые режимы работы электропривода
- •5.3.3. Выбор мощности электродвигателей
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Управление электромеханическими модулями и системами
- •6.1. Иерархия систем управления
- •6.2. Системы управления исполнительного уровня
- •6.3. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сетей
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Введение в электромеханику
- •455000, Г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38
2.2. Двигатель постоянного тока
Принцип действия двигателя постоянного тока может быть пояснен на примере работы простейшей одновитковой машины (рис. 2.3). При подключении обмотки якоря к источнику постоянного напряжения в ней будет протекать электрический ток, величина которого согласно закону Ома обратно пропорциональна сопротивлению этой обмотки
. (2.1)
Конструкция машины такова, что обмотка якоря находится в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами. Согласно закону Ампера (1.25) на проводник с током, размещенным в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, действует электромагнитная сила
, (2.2)
направление которой определяется по правилу “левой руки” (см. рис. 2.4). Эти силы создают механический момент, называемый электромагнитным моментом
(2.3)
или с учетом (1.25)
. (2.4)
В выражениях (2.2)-(2.4): – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника;– активная длина проводника;– диаметр якоря.
Электромагнитный момент приведет вращающуюся часть двигателя в движение. При этом проводники обмотки будут также вращаться в магнитном поле, а следовательно в них будет индуцироваться электродвижущая сила (э.д.с.). Направление э.д.с. определяется по правилу “правой руки” (см. рис. 2.4). Мгновенное значение индуцируемой в проводнике обмотки э.д.с определится по закону электромагнитной индукции в виде
, (2.5)
где – линейная скорость движения проводника.
Поскольку верхняя (см. рис. 2.3) часть обмотки якоря находится под северным полюсом магнита, а нижняя часть – под его южным полюсам, а также при условии разнонаправленности тока в них, полная э.д.с. одновитковой машины определится как
. (2.6)
При повороте обмотки якоря более чем на 90° от исходного положения его верхний проводник окажется под южным полюсом. Одновременно с этим из-за действия коллектора направление тока в нем также изменится, а следовательно направление электромагнитного момента, вызывающее вращение двигателя останется неизменным. Двигатель продолжит вращаться в прежнюю сторону.
Исходя из вышесказанного, напряжение на зажимах двигателя уравновешивается э.д.с. и падением напряжения на обмотке якоря
. (2.7)
Развиваемый двигателем электромагнитный момент расходуется на преодоление механических потерь в подшипниках якоря двигателя и рабочего органа , на создание полезного момента нагрузкии на создание динамического момента, необходимого для разгона или торможения
. (2.8)
Динамический момент может быть определен по выражению
, (2.9)
где – суммарный момент инерции всех вращающихся частей электромеханической системы, приведенный к валу двигателя.
Анализ зависимости (2.9) показывает, что при разгоне ипри торможении. Также следует отметить, что в установившемся режиме работы, а момент двигателя равен статическому моменту
. (2.10)
Приняв, что , где– конструктивная постоянная двигателя, а– его магнитный поток, выражения (2.4) и (2.6) можно переписать в виде
, (2.11)
. (2.12)
Подставив (2.11) и (2.12) в (2.7) получим уравнение электромеханической характеристики ДПТ
(2.13)
и уравнение его механической характеристики
. (2.14)
На рис. 2.5 приведены механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенные в соответствии с выражением (2.14). Механическая характеристика двигателя, запитанного номинальным напряжением при номинальной величине магнитного потока называется естественной. Для управления скоростным режимом работы двигателя в электромеханических системах, как правило, изменяют напряжение вниз от номинального значения. При этом согласно выражению (2.14) скорость двигателя уменьшается пропорционально снижению напряжения вплоть до нуля. В случае если полярность питающего напряжения будет изменена, то двигатель начнет вращаться в дру гую сторону. Таким образом, возможно задавать вращение двигателя в любом необходимом направлении.