Библиотека / Красовский основы электропривода

статора. Она присуща только электрическим машинам и получила название ЭДС движения.

Отметим, что поскольку ЭДС еа зависит от скорости, ее изме­

нения, обусловленные механическими процессами, в соответствии

с уравнением (2.1) приводят к соответствующему изменению тока,

потребляемого обмоткой электрической машины. Таким образом,

механические и электрические процессы в электрических машинах

протекают одновременно, оказывая соответствующее влияние

один на другой. Для обобщения этого явления в электромеханике

используют понятие электромеханическои связи, отражающее

именно эту взаимосвязь.

Обмотку, в которой наводится ЭДС движения, называют якор­ ной обмоткой. Именно благодаря этой ЭДС и току осуществляется обмен энергией между электрической машиной и электрической

сетью. Как видно из (2.2) и (2.3), ЭДС движения отлична от нуля только в том случае, когда собственная или взаимная индуктив­

ность фазы зависит от пространственной координаты. Еще раз

подчеркнем, что поток, создаваемый обмоткой якоря, всегда пе­

ремещается относительно создающей его обмотки. Если поле неподвижно относительно обмотки, ЭДС движения в ней не наво­ дится, и такие обмотки называют обмотками возбуждения. Об­ мотки возбуждения питаются постоянным током и служат для со­

здания основного магнитного потока в воздушном зазоре электри­

ческой машины. Как частный случай, обмотка возбуждения может

быть неподвижной в пространстве. Тогда и поле, созданное ею,

также неподвижно в пространстве.

Таким образом, теоретически каждая из обмоток (якоря или воз­ буждения) может находиться на роторе или на статоре, важно лишь то, что они перемещаются друг относительно друга. Здесь необхо­

димо отметить, что существуют электрические машины и с взаимно

неподвижными обмотками якоря и возбуждения. Это, в частности,

характерно для машин индукторного типа с независимым электро­

магнитным возбуждением. Для практического удобства синхронные

и асинхронные машины переменного тока чаще имеют неподвиж­

ный якорь, так как в нем легче вьmолнить прочную обмотку, спо­ собную выдерживать значительные электромагнитные силы.

Если роль якоря выполняет ротор, то его обмотка должна со­ единяться с сетью через скользящий контакт. Обычно мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, значительно меньше мощ-

42 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...

ности, потребляемой обмоткой якоря, поэтому скользящий кон­

такт удобнее использовать для питания обмотки возбуждения.

3. Однонаправленный момент создают только взаимно непо­ движные поля. Это положение позволяет достаточно легко объяс­

нить принцип действия и различия основных типов электрических

машин. Для этого предположим, что в простейшем случае на ста­

торе электрической машины расположена неподвижная в про­

странстве двухфазная обмотка, ориентированная по ортогональ­

ным осям а, Ь и создающая вращающееся со скоростью ffio относи­

тельно неподвижного наблюдателя магнитное поле.

Вариант 1. Ротор вращает­

ся со скоростью ffio поля ста­

тора. В этом случае поля ста­

тора и ротора могут быть вза­

тание к ней подводится с помощью скользящих контактов. В ма­

шинах относительно небольшой мощности (до единиц киловатт) сосредоточенную обмотку (обмотку возбуждения) можно заме­ нить постоянным магнитом (рис. И то и другое характерно

для электрических машин синхронного типа.

Частным случаем машин такого типа являются машины, в ко­

торых скорость вращения поля переменна, но однозначно опреде­

ляется скоростью вращения ротора. Статорные обмотки получают питание от специальных многофазных преобразователей частоты ПЧа и ПЧь (рис. 2.5), питаемых от сети постоянного тока напря­ жением И и обеспечивающих изменение частоты выходного

обмоток, поэтому и статорная и роторная обмотки в них являются

якорными.

В частном случае для дополнительного расширения функцио­

нальных возможностей машины ее роторные обмотки могут полу­

чать питание от отдельного регулируемого многофазного источника переменного тока (преобразователя частоты). Такие электрические машины получиJШ название <<.машины двойного питания».

4. Процесс электромеханического преобразования энергии в любой электрической машине обратим. Любая электрическая ма­

шина может работать как двигателем, так и генератором

(принцип обратимости направления преобразования энергии).

В двигательном режиме работы механическая мощность Рмех, вы­ рабатываемая машиной, всегда меньше электрической мощности Рэл на мощность потерь ЛРпот, поэтому энергетическая диаграмма

этого режима имеет вид, как показано на рис. 2.7, а.

машина

!ЛРпот

г

Рис. 2. 7. Энергетические диаграммы электрической маши­

ны в двигательном (а) и тормозных режимах работы: в режиме рекуперации (б); в режиме противовкточения (в) и в режиме динамического торможения (г)

2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 47

ческой точки зрения. При построении современных регулируемых

электроприводов на базе машин других типов (в том числе асин­

хронных) часто их алгоритмы управления стремятся построить та­ ким образом, чтобы процессы в них бьши бы максимально прибли­

жены к процессам, происходящим в машине постоянного тока.

2.2. Принцип действия коллекторных машин

постоянного тока

2.2.1. Простейшая модель машины постоянного тока

элементом машин постоянно­

го тока (МПТ) является кол­

лектор - механический ком­

мутатор. На рис. 2.8 показана

наиболее простая модель МПТ.

Между неподвижными пото­

сами 1, создаваемыми посто­

янным магнитом* или обмот­

коллекторные пластины; 4 - щетки

цилиндрическими пластинами

3, называемыми коллекторными пластинами. Пластины не имеют

электрического контакта между собой и вращаются вместе с яко­ рем. К ним прижаты графитовые стержни 4 - щетки. Каждая щет­ ка и соответствующая ей пластина образуют скользящий электриче­

ский контакт.

Режим генератора. Примем условно, что якорь на рис. 2.8 при­

водится во вращение внешним источником механической мощности

в направлении по ходу часовой стрелки. В соответствии с законом электромагнитной индукции в витке наводится ЭДС движения е.

* Полюса N и S являются фрагментами замкнутого магнитопровода

статора, целиком не показанного на рис. 2.8.

48 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...

Она возникает вследствие изменения положения проводников якоря относительно неподвижного поля. Направление наводимой ЭДС е для верхнего проводника указано на рисунке стрелкой. Оно опреде­ ляется по правилу правой руки (индукция направлена в ладонь,

большой палец расположен по направлению скорости, остальные

пальцы - по направлению ЭДС). Поскольку ЭДС верхнего и ниж­

него проводников рассматриваемого витка однонаправлены, с уче­

Частота ЭДС пропорциональ­

0

на скорости вращения якоря ш:

Рис. 2.9. Изменение тока и ЭДС

простейшей машины в функции

углового положения витка

а если машина имеетРп пар полюсов, то

f = wрп.

2n

Если виток замкнуть через коллектор и внешнюю цепь (за щет­ ками) на нагрузку в виде активного сопротивления R, то в нем поте­ чет переменный ток iя, по форме совпадающий с ЭДС е (см. рис.

Во внешней же цепи ток Iя не изменяет направления из-за действия коллектора, так как при повороте якоря и коллектора на 180° и из­ менении направления ЭДС происходит смена пластин под щетка­ ми. Как показано на рис. 2.9, характер изменения ЭДС Е, снимае­

мой со щеток, совпадает с изменением Iя. На рис. 2.1О, а - в, где

показано три характерных последовательных положения якоря

относительно полюсов при его вращении, это поясняется. На ри­

сунках крестиками и точками условно обозначены направления

2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 49

тока во вращающихся проводниках 2 и 2 ' . Внешняя цепь через

коллекторные пластины 3 и 3 'и щетки 4 и 4' замкнута на сопро­

тивление нагрузки R, остальные обозначения аналогичны обозна­ чениям, принятым на рис. 2.8.

Рис. 2.10. Три положения якоря относительно полюсов (к пояснению принципа действия коллектора):

женным под северным полюсом, а под

нижней - с южным. В генераторе кол­

лектор является механическим выпря­

мителем - преобразует переменный

ток обмотки якоря в постоянный ток

во внешнеи цепи. Рис. 2.11. К определению Вер

сматриваемой машины заменить ее средним значением Вер (рис. 2.11),

можно получить

пропорциональности, для рассматриваемой простейшей машины,

50 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...

ротора.

Напряжение И между щетками меньше наводимой ЭДС на ве­ личину падения напряжения на сопротивлении витка Rя:

(2.7)

На каждый из двух проводников с током, находящихся в маг­

нитном поле, в соответствии с законом Ампера действует сила Fэм, направление которой определяется по правилу левой руки

(индукция - в ладонь, пальцы - по направлению тока, а большой

палец - по направлению силы). Ее модуль

Fэм =Вс/1я·

Эти силы создают электромагнитный момент

D

М = 2Bcpl-Iя,

2

который по аналогии с (2.6) определяется как

(2.8)

Электромагнитный момент М направлен противоположно

вращению якоря, т. е. он уравновешивает момент внешних сил,

приложенных к якорю.

Режим двигателя. Пусть теперь к якорю через коллектор под­

водится постоянный ток от внешнего источника электрической

энергии, причем направление этого тока противоположно указан­

ному на рис. 2.8. При этом на якорь также действуют электромаг­

нитные силы Fэм и возникает момент М. Однако направление мо­

мента теперь совпадает с направлением вращения и он является

движущим.

В режиме двигателя коллектор преобразует постоянный ток, потребляемый из сети, в переменный ток в обмотке якоря, т. е. работает механическим инвертором.