КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 2. Электрические машины

178

Рассмотрим два режима: а) режим холостого хода; б) режим нор- мальной работы машины (работа под нагрузкой).

Холостой ход

В этом случае цепь якоря отключена от нагрузки IЯ=0, см. рисунок 4. По проводникам якоря ток не течет. Якорь не имеет своего собственного магнитного поля. Машина при холостом ходе имеет одно поле – поле воз- буждения, которое называется главным полем машины. При холостом хо- де это поле симметрично.

Рисунок 4 – Пояснение к работе машины на холостом ходу

Электрической нейтралью называется линия, проходящая через точ- ки касания щеток к коллектору (А, В). При холостом ходе, благодаря сим- метрии магнитного поля, электрическая нейтраль совпадает с геометриче- ской нейтралью. При постановке щеток на электрическую нейтраль – щет- ки не искрят – происходит безыскровая коммутация.

Нормальный режим

При этом режиме по якорю протекает ток, см. рисунок 5.

Якорь превращается в мощный электромагнит. Поле якоря действует под углом, близким к 90° к главному полю. Результирующее поле искажа- ется, перестает быть симметричным. Электрическая нейтраль смещается по ходу вращения от геометрической и выходит из под щеток, в результате щетки начинают искрить.

Для каждой нагрузки имеется свое положение нейтрали и значит свое положение щеток. Щетки пришлось бы беспрерывно перемещать, чтобы иметь хорошую коммутацию. Практически это невозможно. Необ-

179

ходимо компенсировать якорное поле. Для этого между главными полю- сами устанавливают еще полюса, которые называются дополнительными.

Рисунок 5 – Пояснение к работе машины в нормальном режиме

без дополнительных полюсов

Рисунок 6 – Пояснение к работе машины постоянного тока

с дополнительными полюсами

Основная задача дополнительных полюсов – борьба с реакцией яко-

ря. Обмотка дополнительных полюсов включается последовательно с яко- рем. По ней проходит якорный ток. Магнитные свойства дополнительных полюсов и реакции якоря изменяются в равной степени, так как питаются одним и тем же током. При дополнительных полюсах электрическая ней-

180

траль не сбивается. И машина при любых нагрузках работает с неподвиж- ными щетками в режиме безискровой коммутации.

2.6.1.5 Устройство машины постоянного тока

Общая конструкция МПТ показана на рисунке 4, полюса МПТ пока- заны на рисунке 5, на рисунке 6 показана конструкция коллектора, на ри- сунке 7 приведена конструкция щеткодержателя.

Рисунок 4. Устройство машины постоянного тока: 1 - коллектор; 2 – щеткодержатель со щетками; 3 - сердечник якоря; 4 – сердечник главного полюса; 5 – обмотка возбуждения; 6 - станина; 7 – передний подшипниковый щит; 8 - вентилятор; 9 – обмотка якоря; 10 - вал;

11 - лапы для крепления; 12 – задний подшипниковый щит

сердечник; 3 - полюсная катушка.

181

Рисунок 6 – Конструкция коллектора: 1,3 – стальные шайбы; 2- винт; 4- миканитовые прокладки; 5 – верхняя часть коллекторных пластин; 6-

коллекторная пластина

Основными элементами коллектора являются медные коллекторные пластины, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилинд- рическую форму. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказы- ваются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3. Конусные шайбы стя- нуты винтами 2. Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от стальных шайб миканитовыми прокладками 4. Верхняя часть коллектор- ных пластин 5, называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в ко- торый закладывают проводники обмотки якоря и припаивают.

Рисунок 7 – Конструкция щеткодержателя:1-курок; 2- пружина; 3 – щетки; 4- корпус;5 – зажим; 6- медный проводник.

Щеткодержатель (сдвоенный) состоит из корпуса 4, в который по- мещены щетки 3 и курка 1, представляющего собой откидную деталь, пе-

2.6.1.7Виды возбуждения машин постоянного тока

Взависимости от схемы включения обмотки возбуждения, МПТ бы-

вают:

- машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбужде-

ния (0В) питается постоянным током от источника, электрически не свя- занного с обмоткой якоря (рисунок 9, а);

183

-машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбужде-

ния и обмотка якоря соединены параллельно (рисунок 9, б);

-машины последовательного возбуждения (обычно применяемые в качестве тяговых двигателей), в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рисунок 9, в);

-машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2 (рисунок 9, г);

-машины с возбуждением постоянными магнитами (рисунок 9, д).

Эти машины малой мощности до 1 кВт.

Схемы их включения приведены на рисунке 9.

возбуждением; б – с параллельным возбуждением; в – с последовательным возбуждением; г – с комбинированным возбуждением; с – с постоянными

магнитами

2.6.2 Механические характеристики машин с разным типом возбуждения

Рассмотрим зависимость оборотов вала двигателя постоянного тока (в дальнейшем ДПТ) от момента на валу n = f (M ) , которая называется механической характеристикой.

Из выражений (3), (9) и (10) можно получить выражение для меха- нической характеристики ДПТ

где nхол - обороты холостого хода, т.е. при М=0.

Рассмотрим полученное выражение применительно к двигателям с разными типами возбуждения.

2.6.2.1 Двигатель с независимым возбуждением

Для него справедливо, что Ф = const . Поскольку коэффициенты KE и CM , также неизменны для данного двигателя, получаем механическую

В этом случае механическая характеристика “жесткая”, машина хо- рошо держит обороты при различных нагрузках, снижение оборотов со- ставляет порядка n = (5 ÷ 10) %nном . Такие ДПТ применяют там, где не- обходима постоянная частота вращения вала двигателя независящая от на- грузки: приводы станков; автоматизированные линии; системы следящего электропривода и т.д.

Аналогичные механические характеристики имеют и двигатели с па- раллельным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, ши- роко используемые в системах автоматики.

2.6.2.2Двигатель с последовательным возбуждением

Втаких ДПТ магнитный поток машины пропорционален току якоря Ф = k I Я . Согласно выражению (9), получим

где ROB - сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

В данном двигателе вращающий момент на валу пропорционален квадрату силы тока в якоре. Таким образом, вращающий момент с увели- чением нагрузки резко возрастает.

Вид механической характеристики ДПТ последовательного возбуж- дения представлен на рисунке 11.

185

Из формулы (14) видно, что при снижении момента на валу, обороты двигателя неограниченно возрастают. При увеличении скорости вращения существенно выше номинального значения, возникающие центробежные силы могут вырвать обмотку из пазов якоря. Поэтому, работа таких ДПТ без нагрузки недопустима. Наименьший предел нагрузки, при которой воз- можен пуск двигателя составляет (25 20)% от номинальной нагрузки. Дви- гатель с последовательным возбуждением не рекомендуется применять при ременных или канатных передачах, так как обрыв передачи или сброс ремня приведет к “разносу” двигателя.

Рисунок 11 – Механическая характеристика ДПТ последовательного

возбуждения

Для ДПТ с последовательным возбуждением установлено предель- ное превышение оборотов вала n над номинальным значением nном , кото-

рое обычно не превышает nnном ≤ 4 .

Пологая механическая характеристика данного типа ДПТ относится к «мягким». Такая характеристика гарантирует отсутствие рывков и резких скачков скорости вращения. Это позволяет широко использовать ДПТ с последовательным возбуждением для привода подъемно-транспортных механизмов. Они применяются как крановые, тяговые двигатели электри- ческого транспорта, гребные электродвигатели судов и т.д.

186

Контрольные вопросы

1.Пояснит устройство и принцип работы машин постоянного тока.

2.ЭДС якоря машины постоянного тока, привести формулу с анали- зом физической сущности.

3.Вращающий момент и мощность машины постоянного тока, при- вести формулу с анализом физической сущности.

4.Машины постоянного тока и их классификация по способу воз- буждения. Самовозбуждение генераторов и основные условия для этого.

5.Обратимость машин постоянного тока.

6.Механические характеристики двигателей постоянного тока с па- раллельным, последовательным и смешенным возбуждением.

187

Лекция 2.7 Пуск, реверс и регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока.

План лекции

1)Схемы пуска, реверса двигателей постоянного тока.

2)Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока по якорю и регулирование по обмотке возбуждения.

2.7.1Схемы пуска, реверса двигателей постоянного тока

2.7.1.1 Пуск ДПТ с независимым возбуждением

Рассмотрим пусковые свойства двигателя. В момент пуска n = 0, от- сюда, с учетом того, что U Я = ЕЯ + RЯ I Я , получим пусковой ток якоря

Так как RЯ мало, а EЯ = 0 , то пусковой ток ДПТ стремится к беско- нечности.

Чтобы ограничить бросок тока, в момент пуска последовательно с якорем включают реостат. Этот реостат называется пусковым. Он включа- ется на время разгона двигателя, а затем отключается.

Величину пускового реостата можно определить, если задать вели- чину максимально допустимого пускового тока. Обычно принимают

где IНОМ - номинальный (паспортный) ток двигателя.

Отсюда имеем величину сопротивления пускового реостата