Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Электротехника и электроника для специальностей 1-36 01 01 Технология машиностроения; 1-36 01 03 Технологическое оборудование машиностроительного производства

осуществляется скользящим контактом, с помощью неподвижных

электрографических щеток. Цепь якоря называют главной цепью машины.

Коллектор якоря имеет несколько десятков пластин (в общем случае N/2a). Поэтому щетки скользят по пластинам коллектора. Устанавливают их так, чтобы касание осуществлялось в точках, расположенных на линии геометрической нейтрали (рис. 4.27).

При таком размещении обмотка якоря представляет собой замкнутый контур. Это хорошо видно на рис. 4.27, а. Щетками этот контур делится на две равные части так, что под каждым из полюсов находится равное число активных проводников.

При вращении якоря в каждой группе проводников будут наводиться одинаково направленные ЭДС, сумма которых максимальна и постоянна. Схема замещения обмотки якоря приведена на рис. 4.28, в. Эквивалентное сопротивление параллельно соединенных ветвей обмотки Ra называют внутренним сопротивлением якоря и обозначают Rя. Обычно оно не превышает единиц Ом.

91

Работа машины в режиме эдвигателя

Чтобы машина постоянного тока работала как двигатель, необходимо подать напряжение от источника постоянного тока на обмотку якоря, как показано на рис. 4.29, а. В обмотке якоря возникнет ток Iя. В результате взаимодействия тока Iя c полем возбуждения появятся электромагнитные силы, создающие электромагнитный момент. Под действием этого момента якорь приходит во вращение.

Если скорость вращения ротора Ω постоянна, то вращающий момент равен противодействующему моменту на валу двигателя:

Мвр = Мпр.

В активных проводниках якоря, пересекающих магнитное поле возбуждения, наводится противоэдс. Ее направление противоположно направлению тока якоря. Схема замещения обмотки якоря приведена на рис. 13.5. Это замкнутый контур, для которого справедлив второй закон Кирхгофа. Поэтому можем записать:

Рис. 13.5 а – двигатель; б – схема замещения обмотки якоря двигателя

Ток якоря двигателя:

Уравнение баланса мощности цепи якоря имеет вид:

Электромагнитная мощность равна механической мощности, развиваемой двигателем:

определяется как момент машины постоянного тока. Для его определения обратимся к выражению

92

Физически это выражается как удар на валу, что отрицательно воздействует на передачу и механизм. Чтобы исключить этот недостаток, в схему двигателя включают пусковой реостат Rп, ограничивающий бросок тока до кратковременно допустимого значения

Iя = U / (Rя + Rп) ≤ (2…2,5)∙Iном.

Бросок пускового тока длится недолго, так как с разгоном якоря возникает и увеличивается противо – ЭДС, уменьшающая ток. Пусковой реостат полностью выводят (уменьшая Rп до нуля), чтобы уменьшить потери на нагрев.

Процесс пуска завершается когда вращающий момент Мвр становится равным противодействующему моменту на валу Мпр. Наступает статический режим, при котором соблюдается баланс мощностей.

С изменением нагрузки на валу изменяется противодействующий момент Мпр. Как следствие, нарушается равенство Мвр = Мпр, а двигатель переходит в динамический режим, при котором скорость вращения получает ускорение. Знак ускорения противоположен знаку разности (Мпр – Мвр). Например, если Мпр1 > Мвр, начинается торможение двигателя. Вместе с уменьшением n происходит увеличение Мвр. Процесс продолжается до тех пор, пока не выполнится условие баланса мощностей при новых значениях n и М, т. е.:

E·Iя = Мвр1·n,

причем Мвр1 = Мпр1.

Способность электродвигателя автоматически изменять скорость вращения якоря в соответствии с изменением нагрузки на валу называют

свойством саморегулирования.

Очевидно, что направление вращающего момента определяет направление вращения якоря. В свою очередь, направление вращающего момента определяется направлениями тока якоря и магнитного потока полюсов (13.13).

Отсюда следует, что для изменения направления вращения (реверса) якоря

достаточно переключить концы обмотки якоря.

Механические характеристики электродвигателей

Механическая характеристика электродвигателя параллельного возбуждения может быть построена экспериментально. Для этого достаточно применить схему рис. 13.11. В этой схеме реостаты возбуждения и пуска позволяют регулировать токи возбуждения и пуска в широких пределах и, следовательно, получать данные во всем диапазоне изменения параметров.

94

95

Механическая характеристика двигателя независимого возбуждения

аналогична рассмотренной.

Схема для построения механической характеристики двигателя последовательного возбуждения приведена на рис. 4.35, а.

Для вывода аналитического выражения этой характеристики учтем, что ток якоря и ток возбуждения в этом двигателе одинаковы и что Ф = Iя · Rв/Rм = ξ (здесь Rм – магнитное сопротивление магнитопровода двигателя). Применяя это значение Ф к (4.15), после преобразований получим

Полученное выражение показывает, что механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения имеет гиперболическую зависимость (рис. 4.35, б).

Mном Mп

Рисунок 4.35 Схема двигателя последовательного возбуждения (а) и его механическая характеристика (б)

Естественную механическую характеристику представляет кривая 1. Видим, что при увеличении нагрузки частота вращения якоря уменьшается обратно пропорционально. Так как естественная характеристика формируется без пускового реостата (Rп = 0), то начальный пусковой момент Мп0 может быть очень большим. Эта точка выходит за рамки графика рис. 13.13, б.

Поэтому пуск двигателя без нагрузки может привести к аварии из-за недопустимо большой частоты вращения якоря.

При пуске с реостатом, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых значений М = Мп, механическую характеристику представляет кривая 2.

Регулирование частоты вращения двигателя последовательного возбуждения может выполняться реостатами пуска и возбуждения, а также изменением подаваемого напряжения.

Схема смешанного возбуждения дает двигателю преимущества каждого из способов и устраняет их недостатки.

96

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обладают важными преимуществами перед другими электродвигателями: они допускают плавное регулирование частоты вращения и создают большой момент при пуске.

Регулировать частоту вращения двигателей, с самовозбуждением, как следует из выражения 4.15, можно двумя способами: изменяя магнитный поток машины или сопротивление реостата в цепи якоря. В двигателе с независимым возбуждением можно применить якорное регулирование – изменение напряжения на якоре. Для якорного регулирования необходим отдельный источник, напряжение которого регулируется.

Регулирование частоты вращения изменением потока полюсов (полюсное регулирование) из формулы n0 (4.17) следует, что частота вращения при холостом ходе двигателя обратно пропорциональна потоку возбуждения. При значительном уменьшении тока возбуждения ток якоря и частота вращения ненагруженного двигателя значительно возрастают, усиливается искрение щеток и появляется опасность механических повреждений якоря. При моментах нагрузки, близких к номинальному, с уменьшением потока возрастает ток якоря, что недопустимо при длительном режиме работы двигателя. Заметного увеличения потока достичь невозможно вследствие насыщения магнитной цепи. Полюсное регулирование достаточно распространено, так как оно экономично и удобно. Ток возбуждения мал I В 1 5 % Iном , малы размеры регулировочного реостата в цепи возбуждения и потери мощности незначительны. Процесс регулирования протекает следующим образом: при

уменьшении тока возбуждения уменьшается ЭДС якоря E, ток якоря I U E

я Rя

резко увеличивается. Электромагнитный момент становится больше момента сопротивления. Это приводит к возрастанию частоты вращения и ЭДС якоря, а следовательно, к уменьшению тока якоря и электромагнитного момента. Когда электромагнитный вращающий момент станет равен моменту сопротивления, увеличение частоты вращения прекратится. При увеличении потока возбуждения происходит уменьшение частоты вращения машины.

При реостатном регулировании частота вращения холостого хода n0 не изменяется. При включении реостата в цепь якоря двигателя ток Iя и вращающий момент уменьшаются, так как вращающий момент M станет меньше момента сопротивления Mс, частота вращения двигателя уменьшится. С уменьшением частоты вращения уменьшается противоэдс E, возрастают ток якоря и вращающий момент M. При достижении равенства M = Mс изменение частоты вращения прекращается. Ток якоря достигает прежнего значения, а частота вращения остается пониженной.

Реостатное регулирование приводит к значительным потерям мощности в цепи якоря, поэтому применяется только для двигателей малой мощности.

97

ГЛАВА 5 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ Тема 5.1 Полупроводниковые диоды, тиристоры

Светодиоды

Рисунок 5.1 Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых

Дио д – полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя внешними выводами анод и катод. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе германия или кремния. По технологии исполнения различают точечные, плоскостные (сплавные) и диффузионные диоды. Точечный диод получают при вплавлении металлической проволоки в пластину полупроводника. Плоскостные диоды получают при сплавлении пластин либо внесении примеси посредством диффузии. На рис. 5.1 представлена классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов.

98

стабилитрона: напряжение стабилизации Uст.ном, минимальный Icт.min и максимальный Iст.max токи стабилизации, максимальная мощность Pст.max.

Св етодио д – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного светового излучения. Явление свечения в светодиоде называется инжекционной электролюминесценцией. Основой светодиода является p - n - переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении.

При прямом смещении потенциальный барьер n - p перехода понижается и происходит инжекция электронов в p-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации носителей заряда в n - p переходе энергия выделяется в виде фотонов, то есть процесс рекомбинации сопровождается световым излучением, частота которого определяет спектр излучения. Основными материалами для изготовления светодиодов служат арсенид галлия (GaAs), селенид цинка (ZnSe)

99