Машины постоянного тока

Машины постоянного тока достаточно редки для нашей промышленности. Используются в основном как двигатели. Приводы, требующие глубокого и частого регулирования частоты вращения. В общем, это основной вид машин для транспорта (весь городской и часть железнодорожного). Машины постоянного тока используются в сервоприводах, приводах высоковольтных выключателей (то есть то, что требует строгого дозирования и небольшой мощности). Машины постоянного тока делаются всегда коллекторного типа (обычно даже при нормальной работе искрят, поэтому основные проблема—пожаро- и взрывоопасность). В машине постоянного тока используется в качестве якоря ротор, а в качестве индуктора—статор.

Принцип действия машины.

Основан на поведении рамки с током в постоянном магнитном поле. Постоянное магнитное поле создается индуктором. Ток в обмотке возбуждения при независимом и параллельном возбуждении от тока якоря, при последовательном сильно зависит. Полюса ферромагнитные, как и тело якоря.

Магнитное поле можно считать равномерным. Силовые линии идут перпендикулярно пазам. Рис. 22

Рис. 23.

В рамке ток переменный, но в пространстве сохраняет свое направление. Переменный ток переменен относительно рамки, т.е. относительно неподвижной системы координат направление тока остается неизменным.

Частота тока в рамке совпадает с частотой вращения рамки. Например, при частоте вращения рамки 1 об/мин частота тока—1/60 Гц, при частоте вращения 3000 об/мин частота тока—50 Гц.

Рис.23а

где f—сила, m—момент, d—ширина рамки

Момент зависит от геометрии машины.

,

где М—момент на валу, C_М—коэффициент, —поток вектора магнитной индукции, I_а—ток якоря. (Момент на валу зависит от тока якоря).

В проводнике, который движется в магнитном поле, происходит перераспределение зарядов, т.е. наведение ЭДС. (Определить направление ЭДС так: силовые линии в ладонь, то направление ЭДС совпадает с направлением пальцев раскрытой руки).

v—скорость движения проводника в магнитном поле.

Направление ЭДС не зависит от тока, наведение ЭДС зависит от вращения рамки. Рис. 24

С_Е—коэффициент, С_М  С_Е

Даже если в рамке нет тока, ЭДС все равно наводится. Если ЭДС и ток направлены встречно—машина—потребитель, так что можно сказать, что машина работает в двигательном режиме.

Машина обычно схематично изображается так: Рис.25

При выключенном резисторе ток изменит свое направление и оно будет совпадать с E_a, машина будет работать в режиме генератора. I_f—произвольный ток возбуждения.

Используя закон Ома:

R_a—сопротивление якорной цепи

В курсе электрических машин предполагается, что питающая сеть представляет собой идеальный источник ЭДС.

Уравнение, связывающее частоту вращения с током якоря, называется электромеханической характеристикой или иначе скоростной характеристикой машины постоянного тока (реально меняется ток и частота вращения).

Зависимость частоты вращения от момента на валу носит название механической характеристики машины постоянного тока.

При холостом ходе:

(I₀=0)

при пуске:

, где М_П—пусковой момент

, где I_П—пусковой ток.

В двигательном режиме нагрузка машины—момент на валу, т.е. изменение нагрузки (изменение момента) приведет к изменению тока якоря, что приведет к изменению угловой скорости. В генераторном режиме изменение нагрузки влечет изменение тока якоря, что приводит к изменению тормозного момента (момент с отрицательным знаком).

Связь геометрических размеров и технико-экономических показателей машин.

Пусть даны машины с пропорциональными параметрами. Пусть во всех машинах, различающихся только размерами (все они пропорциональны), индукция в зазоре одинакова. Рис.26

Если снизить ток возбуждения, снизятся потери. Для высокого В (магнитной индукции) большое Н (намагничивающая сила)  будет большой ток, т.е. большие потери, но будет недоиспользована сталь. Зафиксируем плотность тока якоря—j. Также пусть будет одинакова частота вращения ω₀ (f)—скорость холостого хода. Длина и диаметр якоря будут меняться E_a~l² (ЭДС пропорциональна квадрату какого-либо линейного размера). I_a~l² (ток также пропорционален квадрату какого-либо линейного размера). P_эм=E_aI_a~l⁴ (электромагнитная мощность пропорциональна четвертой степени линейного размера). G~l³ (масса пропорциональна третьей степени линейного размера). Мощность машины растет быстрее, чем размеры. Единица мощности крупной машины дешевле, чем единица мощности машины малой мощности. Посмотрим потери: преобладают электрические, магнитные потери. Пусть j-плотность тока — будет одинакова. Электрические потери: ΔP_эл~I²R~l⁴R~l⁴ρ(l/l²)~l³. ΔP_эл~ l³. Магнитные потери: P_м~l³ (предполагаем, что зависимость магнитных потерь выражает удельные магнитные потери от массы, а т.к. машины подобны, то ферромагнетик один и тот же  будет пропорциональность объему). С ростом мощности уменьшаются электрические и магнитные потери.

~

Рис.27

т.к. машина греется потерями, а в уравнение теплового баланса входит площадь соприкосновения со средой, которая пропорциональна квадрату линейного размера  _уст ~ l, т.е. идет ухудшение системы охлаждения.

СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. независимое возбуждение (магнитный поток зависит от тока якоря).

Рис.28

—от постоянных магнитов (магнитоэлектрическое)

Рис.29

—электромагнитное

2. параллельное возбуждение

Рис.30

—шунтовое возбуждение

3. последовательное возбуждение

   —сериесное возбуждение

4. смешанное или компаундное

Режимы работы машин постоянного тока.

U_а не зависит от нагрузки машины при идеальном источнике. Рис.36

E_а>U_а для работы машины в генераторном режиме.

частота машины должна быть больше, чем частота вращения идеального холостого хода. >_0. Если машина переходит из двигательного в генераторный режим, то меняется направление тока  момент изменит свой знак на противоположный. В генераторном режиме момент отрицательный. Рис.37

в точке идеального холостого хода, т.е. в точке ₀, E_a=U_a, тока нет. В реальном случае электромагнитного момента не будет. М состоит из электромагнитных, механических и добавочных потерь. Частота перемагничивания стали ротора происходит с частотой вращения. Постоянные потери таковыми не являются, наиболее применим термин «условно постоянные». Для того, чтобы перевести машину в генераторный режим, момент надо перевести в активный режим. Рис.38

(физически, например, при подъеме груза—груз потянет вниз). Вся энергия, потребленная из сети, уходит в нагрузку якоря R_a (т.е. в электрические потери).

Режим динамического торможения.

Рис.39

Такая же характеристика получится при автономном режиме генератора (на изолированную нагрузку, а не в сеть).

Реверс—изменение направления вращения (для изменения меняем направление U_а).

Чем больше ток, тем режим работы тяжелее (больше нагрев).

Общие сведения об обмотках машин постоянного тока.

Рис.41.

Обмотки главных полюсов есть практически всегда (похоже на катушки индуктивности). При независимом возбуждении витков больше. Помимо главных полюсов в машине есть дополнительный полюс, располагающийся между главными. Его назначение—улучшение коммутации. Обмотка дополнительного полюса обтекается током якоря, имеет достаточно большое сечение, витков не много. Рис.42

Геометрическая нейтраль машины—продольная ось и плоскость, перпендикулярная продольной оси (индукция на ней равна нулю). Рис.43

При вращении якоря положение его токов не меняется. Поле, созданное током якоря, будет складываться каким-то образом с полем главных полюсов. Индуктивности складывать нельзя, но можно сложить намагничивающие силы. Искажение магнитного поля машины, обусловленное токами якоря, называется реакцией якоря. Для уменьшения реакции якоря вводят компенсационную обмотку, которая распределена по поверхности полюсных наконечников.

Реакция якоря в машинах постоянного тока.

Реакцией якоря называют изменение магнитного поля машины, вызванного изменением тока якоря. Если нагрузка неизменна, токи остаются постоянными, направление не меняют. Магнитное поле якоря и магнитное поле индуктора друг относительно друга неподвижны при изменяющейся нагрузке (т.е. в статическом режиме).

Сечение якоря принято делить на продольное и поперечное. Поперечное сечение будет создавать продольную реакцию якоря, продольная составляющая якоря направлена встречно потоку возбуждения.

Рис.44

Продольная реакция направлена продольно или встречно рабочему потоку (полю) машины. Если щетки смещены по ходу движения—реакция размагничивания, если щетки смещены против направления вращения—реакция намагничивающая (это для двигательного режима); для генераторного режима направление вращения в другую сторону  все наоборот—по ходу смещения щеток—реакция намагничивающая, против—реакция размагничивающая.

В якоре течет переменный ток. Картина распределения токов в статическом режиме остается неподвижной. Поля в статическом режиме всегда неподвижны. Рис.45 , 46.

синий пунктир—суммарная намагничивающая сила

зеленая сплошная—намагничивающая сила главных полюсов

Если бы воздушный зазор был бы равномерным, и если бы был не ферромагнетик, то картина качественно не поменялась бы.

синий пунктир—индукция в якоре при отсутствии поля (токов) возбуждения

черный пунктир—индукция в машине при холостом ходе

сплошная красная—реально

Система была бы линейной, если бы ферромагнетик был бы не намагничен. Реакция якоря не сказывается на параметрах машины. При отсутствии насыщения поток не меняется. Рис.48

красная сплошная—реально (учитывая нелинейность машины)

Поперечная реакция якоря всегда размагничивающая. (!)

Генераторный режим машины постоянного тока.

Генераторы постоянного тока используются, в основном, как источники автономного электроснабжения (например, на железнодорожном транспорте). Генераторы бывают смешанного возбуждения, но преобладает намагничивающая сила шунтовой обмотки.

Характеристики генератора независимого возбуждения.

1. Характеристика холостого хода

Рис. 49

=const, I_а=0.

Наличие остаточной E_а обусловлено остаточной намагниченностью. Характеристика описывает магнитные свойства машины. Вид ее не зависит от способа возбуждения машины (в масштабе совпадает с основной кривой намагничивания). Рабочая точка машины находится после точки перегиба (не используется железо машины, увеличивается чувствительность ЭДС к случайному изменению тока возбуждения). Если рабочая точка попадает в область большого насыщения, то увеличивается ток возбуждения, увеличиваются потери на возбуждение, ограничивается регулирование.

2. Нагрузочная характеристика машины (генератора).

Рис.50

=const, I_а=const  0.

Имея нагрузочную характеристику и характеристику холостого хода, можно оценить реакцию якоря. Допустим, знаем R_a и имеем две характеристики, знаем, где находится рабочая точка машины (выбираем начальную точку внешней характеристики). Получаем U_a:

E_a1—ЭДС якоря под нагрузкой,

E_a0—при той же начальной точке, но на холостом ходу,

E—изменение ЭДС вследствие реакции якоря,

I_f0—ток, при котором получаем ту же E_a1 при холостом ходе,

I_f—характеризует изменение намагничивающей силы в машине (т.е. намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения).

E (сигнал изменения намагничивающей силы), связана со степенью насыщения машины.

3. Внешняя характеристика машины (генератора) при независимом возбуждении.

Рис.51

Уменьшение напряжения U_a влечет за собой уменьшение напряжения на сопротивлении якорной цепи, изменение E_a. Реакция якоря не линейна, зависит от железа машины.

Если бы генератор был параллельного возбуждения, то при изменении I_а будет меняться ток возбуждения, потому что схема возбуждения машины (Рис перед 52)  ЭДС будет меняться вследствие изменения тока возбуждения и из-за реакции якоря. Рис.52

Ток к.з. протекает под действием остаточной ЭДС (и не будет равен нулю из-за той же остаточной ЭДС). из-за нелинейности. При параллельном возбуждении напряжение якоря падает быстрее, т.к. помимо действия падения напряжения на сопротивлении якоря и изменения ЭДС под действием реакции якоря, существует изменение ЭДС машины, вызванное изменением тока возбуждения. Рабочая точка выходит на линейный участок—внешняя характеристика имеет перегиб в этой точке. I_К.З. порядка I_ном. Протекание тока I_К.З. зависит от остаточной ЭДС, которая не равна остаточной ЭДС при опыте холостого хода из-за реакции якоря.

Характеристики генератора последовательного возбуждения. Рис.53

Начальный участок характеристики, пока падение напряжения на сопротивление невелико, подобен участку в опыте х.х., далее плоский участок—машина насыщается—обусловлен тем, что прирост индукции компенсируется с одной стороны падением напряжения на R_a и индукция не столь заметна, т.к. машина вошла в область насыщения. Увеличение магнитной силы обмотки возбуждения не может компенсировать реакцию якоря и падение напряжения на R_a. При сопоставимой мощности I_К.З. будет больше, чем для генератора параллельного и независимого возбуждения. При смешанном возбуждении все будет зависеть от того, как включена сериесная обмотка. Она может быть подключена так, чтобы сериесная и шунтовая обмотки (намагничивающие силы) складывались, а может быть—чтобы вычитались. Напряжение на R_a практически постоянно. Сериесная обмотка помогает компенсировать падение напряжения на R_a и реакцию якоря. Если обмотки включены встречно, то напряжение падает значительно быстрее. Характеристика хороша для сварочных генераторов, т.к. сопротивление меняется в широких пределах.

Термин R_a. Включает в себя сопротивление собственно обмотки, сопротивление щеточного контакта, а также сопротивление обмотки дополнительного полюса, сопротивление компенсационной обмотки, сопротивление сериесной обмотки, сопротивление якорного реостата (если есть), сопротивление обмоток токовых реле (если есть). Сопротивление щеточного контакта представляет собой нелинейное сопротивление. Предполагается считать, что сопротивление щеточного контакта есть величина постоянная и не изменяющаяся (в реальной жизни это почти так). Рис.54

U_Щ—величина порядка единиц вольт. U_Щ  const. Степень нелинейности зависит от материала щеток (самая маленькая для металлических, для графитовых больше).

Регулировочная характеристика.

=const, U_a=const Рис.55

Самовозбуждение шунтового генератора постоянного тока.

Самовозбуждение—появление нормального напряжения на зажимах якоря при приведении якоря во вращение. Должны быть выполнены следующие условия:

• в генераторном режиме должен присутствовать остаточный магнитный поток, который создаст остаточную ЭДС;

• магнитный поток, создаваемый током возбуждения, протекающим под действием остаточной ЭДС, должен совпадать по направлению с остаточным магнитным потоком;

• сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше некоторого критического значения или частота вращения якоря должна быть больше некоторого критического значения.

Рис.56

Неидеальный нелинейный источник ЭДС и нелинейное сопротивление. Рис.57

Энергия при процессе возбуждения уходит на создание магнитных полей. В катушке создается ЭДС самоиндукции:

Рис.58, 59, 60.

Рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

Рабочие характеристики строятся в зависимости от:

если считаем, что

Рис.61

Механическая характеристика линейна, рабочая—все равно нелинейная.

(если поток неизменен, I_a повторяет график M(P₂))

(при U_a постоянном, получаем ту же характеристику, что и у I_a).

В машине существуют постоянные потери, поэтому в уравнении P₁ не учитываются некоторые величины. Магнитные потери будут меняться по квадратичной зависимости. Магнитные потери зависят от частоты вращения, но если на рабочем участке частота меняется слабо, то магнитные потери тоже будут меняться слабо. Если учитывать магнитные потери при составлении полной характеристики, то считают, что они будут пропорциональны полиному второй степени. Гистерезисные потери (т.е. потери на перемагничивание машины) пропорциональны первой степени.

Регулирование частоты вращения.

Регулирование частоты вращения всегда связано с переходом с естественной характеристики на искусственную или с одной искусственной на другую. Регулирование не зависит от изменения момента на валу.

Рис.62

Любой грузоподъемный механизм имеет постоянный сопротивления на валу.

 = -12

M_ном—момент номинальный

M₀—момент трогания.

Регулирование производится: