Лекции

121

Iв=U/R, уменьшению потока возбуждения Ф и результирующего потока Фрез, уменьшению ЭДС Еа и далее к еще большему падению напряжения U (↓U,

↓Iв=U/R, ↓Ф, ↓Фрез, ↓Еа, ↓U).

При таком интенсивном уменьшении напряжения и меньшем уменьшении ЭДС ток якоря для сохранения баланса должен не увеличиваться, а уменьшаться, достигнув некоторого критического значения Iакритич. (рис. 4.24).

При коротком замыкании

U = 0, Iв = 0, Ф = Фост, Iакз = Еост /Rа ,

т.е. ток короткого замыкания достаточно мал.

У ГПТ с независимым возбуждением ток короткого замыкания большой потому, что большой магнитный поток создается независимой цепью возбуждения.

ГПТ с параллельным возбуждением имеет два положительных свойства:

1)не требуется источник питания для обмотки возбуждения;

2)он не боится короткого замыкания, т.к. при коротком замыкании происходит уменьшение напряжения и уменьшение магнитного потока до остаточного.

4.16. ГЕНЕРАТОР СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: основную ОВ1 – параллельную и дополнительную ОВ2 – последовательную (рис. 4.25). В магнитном отношении эти обмотки можно включать согласно или встречно.

Если обмотки возбуждения включены согласно, то их МДС складываются, и их подмагничивающее действие будет компенсировать падение напряжения в якорной цепи и размагничивающее действие реакции якоря в некотором диапазоне тока нагрузки. В этом случае, внешняя характеристика жесткая и имеет вид кривой 1 (рис. 4.26). В диапазоне тока от 0 до Iн1 наблюдается даже некоторое повышение напряжения.

123

Если обмотки включены встречно, то последовательная обмотка способствует еще большему уменьшению магнитного потока и внешняя характеристика крутопадающая и принимает вид кривой 2 (рис. 4.26).

Крутопадающая внешняя характеристика 2 используется в однопостовых сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания, а жесткая характеристика 1 – в многопостовых, когда требуется постоянство напряжения в линии.

4.17. ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) основан на двух законах электротехники: законе электромагнитных сил и законе электромагнитной индукции. Конструктивная схема ДПТ приведена на рис. 4.27.

eа eа Ia

U

p=1

Рис. 4.27. Конструктивная схема ДПТ

По закону электромагнитных сил на проводник с током ia, находящийся в магнитном потоке Ф, действует электромагнитная сила Fэм, направление которой определяется по правилу левой руки. Она создает электромагнитный вращающий момент Мэм, под действием которого ротор (якорь) начинает раскручиваться со скоростью n.

Коллекторно-щеточный узел ДПТ играет роль инвертора, т.е. преобразователя направления тока в якорной обмотке. Пока проводники якоря находятся под полюсом N, они электрически соединены со щеткой "+". Как только они перейдут в зону полюса S, проводники обмотки электрически соединятся со щеткой "–" и направление тока в них автоматически изменится на обратное, направление электромагнитного момента при этом сохраняется неизменным.

Во вращающихся проводниках якоря по закону электромагнитной индукции индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой

124

руки. Направление действия ЭДС покажем на рис. 4.27 рядом с проводниками в

•+

виде e а и e а. Из рис. 4.26 видно, что ЭДС действует против тока, уменьшая его. Самый тяжелый режим работы ДПТ – это режим короткого замыкания, т.е. режим неподвижного якоря. Фактически короткого замыкания нет, но так

как якорь неподвижен, то ЭДС равна нулю и двигатель потребляет большой ток. Поэтому по аналогии с электрической цепью это состояние называют режимом короткого замыкания.

Основные уравнения ДПТ.

Уравнения для ЭДС и электромагнитного момента остаются такими же, как и для ГПТ, потому что основаны на одних и тех же физических законах:

где Еа, по аналогии с уравнением равновесия напряжения первичной обмотки трансформатора, можно назвать противоЭДС.

Уравнение равновесия моментов при ω ≠ const имеет вид

где I.(dω/dt) – динамический момент, М0 – часть электромагнитного момента, идущая на покрытие момента холостого хода, т.е. всех видов моментов трения, М2 – часть электромагнитного момента, которая идет на преодоление момента, приложенного к валу, т.е. полезный момент или момент на валу.

Если ω = const, то (dω/dt) = 0 и уравнение моментов принимает вид:

4.18. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДПТ

Рассмотрим сначала ДПТ с параллельным возбуждением (рис. 4.28). Механические характеристики – это зависимость скорости вращения ДПТ от момента на валу n(M2) – при экспериментальном исследовании или зависимость n(Мэм) – при теоретическом исследовании.

Уравнение равновесия напряжения

125

U = Ea + Ia Ra ,

подставляя в него значения Еа и Ia из выражений (4.32) и (4.33), получим

Сростом

Зависимость магнитного потока Ф от тока возбуждения Iв=Ia на линейном участке можно записать в виде:

126

т.е. если в ДПТ с параллельным возбуждением электромагнитный момент прямо пропорционален току якоря, то в ДПТ с последовательным возбуждением он пропорционален квадрату тока якоря. Это является положительным свойством ДПТ с последовательным возбуждением. Силовые электромеханизмы имеют в своем составе ДПТ с последовательным возбуждением.

Теперь мы можем выразить ток якоря через электромагнитный момент

и подставить это значение в формулу для скорости вращения двигателя, тогда получим выражение для n механической характеристики ДПТ с последовательным возбуждением.

если электромагнитный момент Мэм уменьшать, то скорость вращения двигателя будет возрастать. Следовательно, ДПТ последова-

тельного возбуждения пускать вхолостую нельзя, потому что якорь приобретет повышенную скорость вращения, опасную для целостности якоря, т.е. двигатель идет "вразнос".

Однако ДПТ мощностью до нескольких сот ватт можно включать вхолостую, т.к. момент трения холостого хода для него является существенной внутренней нагрузкой.

4.19. ДИАГРАММА МОЩНОСТЕЙ ДПТ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Диаграмма мощностей ДПТ с электромагнитным возбуждением имеет вид, показанный на рис. 4.32, где потребляемая электрическая мощность, ДПТ параллельного возбуждения

127

электромагнитная мощность якоря Рэм, Вт; мощность холостого хода, обусловленная всеми видами трения и мощностью потерь в стали якоря Р0, Вт; механическая выходная мощность Р2, Вт.

КПД двигателя:

Электромагнитный вращающий момент Мэм, момент холостого хода М0, момент на валу М2 в Н.м:

Механические и электрические потери энергии нагревают отдельные части двигателя и в целом, весь двигатель.

4.20. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Рассмотрим сначала ДПТ с параллельным возбуждением. Его механическая характеристика определяется формулой (4.39):

128

129

дения Iв. Если магнитная цепь насыщена, то магнитный поток не изменится, но уменьшится электромагнитный момент. Это приведет к уменьшению частоты вращения, росту якорного тока вследствие уменьшения величины противоЭДС, что вновь восстановит равенство моментов Мэм = Мс = const. Таким образом, будем иметь уменьшенную частоту вращения двигателя при увеличенном потреблении тока.

Аналогично можно рассмотреть и другие способы регулирования. Так при введении реостата 2 – частота вращения увеличится. Понизив с помощью реостата 3 напряжение питания, уменьшим частоту вращения.

Ни один из приведенных способов не экономичен, т.к. имеются потери энергии в реостатах. Более экономичной и целесообразной особенно для двигателей большой мощности является система ВД – Г – Ди, где ВД – вспомогательный двигатель (обычно используется трехфазный асинхронный двигатель), Г – генератор постоянного тока независимого возбуждения, Ди – исполнительный двигатель. Схема регулирования приведена на рис. 4.36.

П

Рис. 4.36. Электрическая схема регулирования частоты вращения ДПТ по системе ВД – Г – Ди

Для питания постоянным током цепей возбуждения генератора Г и двигателя Ди используется возбудитель В – маломощный генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным.

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, т.к. напряжение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя

(реостат Rд).

Изменение направления вращения (реверс) Ди осуществляется изменением направления тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т.е. изменением полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной нагрузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ВД из трехфазной цепи, на вал ВД помещают маховик М, который запасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Ди и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне

130