2. Сведения из теории

Электрические машины постоянного тока (МПТ) используют как в качестве генераторов, так и двигателей  это свойство обратимости. Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ), работающие в диапазоне мощности от долей ватт (в устройствах автоматики) до нескольких тысяч киловатт (в приводах металлургии, горнодобывающей промышленности, транспорте). Их широкое использование обусловлено большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми свойствами и возможностью плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

МПТ (двигатель) является коллекторной машиной. Коллектор  это механический преобразователь переменного тока в постоянный (механический выпрямитель) и наоборот  (инвертор). Применение коллектора обусловлено тем, что в обмотке якоря должен протекать переменный ток, так как только в этом случае будет осуществляться непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии [1].

Принцип действия ДПТ рассмотрен на упрощенной модели, показанной на рисунке 1. Между полюсами (1) N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть двигателя – якорь (2) и коллектор (3). В продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка (5), концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор (3). На поверхность коллектора наложены щетки (4), осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие обмотку якоря с внешней цепью. Если к щеткам машины подвести напряжение от внешнего источника постоянного тока, то в обмотке якоря появится ток I_а. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем, создаваемым магнитом NS, возникнут электромагнитные силы F_эм. Каждая, из этих сил действует на виток (5) обмотки якоря и в совокупности создает на якоре электромагнитный момент М, который приводит якорь во вращение. Таким образом, взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент

После поворота якоря на 180^о электромагнитные силы не изменяют своего направления, так как одновременно с переходом проводника обмотки якоря из зоны действия одного магнитного полюса в зону другого, меняется направление тока в проводниках. Рассмотренная упрощенная модель МПТ не обеспечивает устойчивой работы двигателя, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали пп электромагнитные силы F_эм = 0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю). Но с увеличением числа проводников обмотки якоря и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Рисунок 1Принцип действия ДПТ

Устройство МПТ показано на рисунке 2. МПТ отличаются по функциональному назначению – двигатель и генератор, но общая конструктивная схема машин одинакова. ДПТ состоит из неподвижной части – статора, и вращающейся части – якоря. Статор состоит из станины (6) и главных полюсов (4). Станину изготовляют из стали – материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью; она служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через неё замыкается магнитный поток машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения и состоят из сердечника (4) и обмотки возбуждения (5). Со стороны, обращённой к якорю, сердечник полюса имеет полюсной наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов выполняют шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 12 мм или из тонко-листовой электротехнической анизотропной холодно-катанной стали, например, марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая плёнка оксида на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наводимых в полюсных наконечниках, за счёт пульсации магнитного потока, вызванных зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката. Пониженная магнитная проницаемость поперёк проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

Рисунок 2. - Устройство машины постоянного тока

1-коллектор; 2-щётки; 3-сердечник; 4-сердечник полюса; 5-катушка возбуждения; 6-станина;

7, 12-подшипниковые щиты; 8-вентилятор; 9-обмотка якоря; 10-вал; 11-лапы для крепления.

Якорь ДПТ состоит из вала (10), сердечника (3) с якорной обмоткой и коллектора (1). Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию, его набирают из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах на поверхность якоря накладывают бандаж из проволоки или стеклоленты. Лобовые части (9) обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом. Проводники обмотки якоря соединяются с коллекторными пластинами.

Основными элементами коллектора (1) являются пластины трапециидального сечения из твердотянутой меди, собранными в цилиндрическую форму и разделенные миканитовыми прокладками. Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток (2). Плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором – необходимое условие бесперебойной работы машины. Давление на щетку должно быть отрегулировано, иначе чрезмерный нажим вызовет преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный – искрение на коллекторе.

В большинстве МПТ (двигатель) магнитное поле возбуждения создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Свойства МПТ (двигателя) в значительной степени определяются способом возбуждения, т. е. схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря. В зависимости от способа возбуждения ДПТ разделяют: а)  на двигатели независимого возбуждения, б)  параллельного (шунтового) возбуждения, в)  последовательного (сериесного) возбуждения и г)  смешанного (компаундного) возбуждения (рисунок 3).

Рисунок 3 - Способы возбуждения ДПТ и схема подключения ДПТ с независимым возбуждением

В двигателях постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ) напряжение возбуждения U_в отличается от напряжения U, подведенного к цепи якоря, поэтому применяют независимое возбуждение. В этом случае обмотка возбуждения ОВ не имеет электрической связи с обмоткой якоря (рисунок 3). Применение в двигателе того или иного способа возбуждения определяется схемой электропривода.

Основные понятия. При подключении двигателя к источнику постоянного тока в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуждения создаст на якоре электромагнитный момент М, который будет не тормозящим, а вращающим

М = c_мI_a,

где c_м – конструктивная постоянная , I_a – ток якоря,  - магнитный поток.

Под действием электромагнитного момента М якорь машины начнет вращаться, т. е. двигатель будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать в механическую. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой противоположно току якоря I_a и поэтому ее называют противо-ЭДС. Основное уравнение двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, имеет вид

U = E_a + I_ar, (1)

где U  питающее напряжение, E_a  индуцируемая ЭДС, r  сумма сопротивлений всех участков цепи якоря. Из этого уравнения следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (1) ток якоря

I_a = (U - E_a ) / r. (2)

Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря I_а, получим уравнение мощности для цепи якоря двигателя постоянного тока:

UI_а = I_а²Σr + E_aJ_a, (3)

где UI_a  мощность в цепи обмотки якоря; I_а²Σr  мощность электрических потерь в цепи якоря.

Учитывая E_a = (pN/60a)n = c_en и c_м = pN/(2 a) (c_e – постоянная для данной машины, n – частота вращения якоря), в результате преобразований получим

E_aI_a= (pN/60a)ФnI_a=(pN/60a)Ф(60ω/2π)I_a,

или

E_aI_a= (pN/60a)ФnI_a ω=c_м ФnI_a ω=Mω,

окончательно получим

E_aI_a = Mω = Р_эм, (4)

где ω = 2πn/60 — угловая скорость вращения якоря; Р_эм — электромагнитная мощность двигателя. Следовательно, выражение Е_аI_а является электромагнитной мощностью двигателя. Преобразовав выражение (3), с учетом (4) получим

UI_а = Mω + I_а²Σr

Анализ этого уравнения показывает, что с повышением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UI_а, т. е. мощность на входе двигателя. Но, так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря I_а.

Подставив выражение ЭДС Е_а = с_еФп в формулу (1) и выразив частоту вращения двигателя (об/мин), получим

n = (U - I_аΣr)/ с_еФ (5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности

(U - Е_а), что, в свою очередь, ведет к росту тока I_а. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря I_а. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно реверсировать двигатель, т. е. изменять направление вращения его якоря. Но при одновременном изменении направления тока в цепи якоря и в обмотке возбуждения направление вращения якоря двигателя остается прежним.

Эксплуатационные свойства ДПТ определяются их рабочими и механическими характеристиками.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости частоты вращения п, тока I_а в обмотке якоря, коэффициента полезного действия , момента М₂, подводимой мощности Р₁ от полезной мощности двигателя Р₂ при неизменных значениях напряжения питания U и тока в обмотке возбуждения I_в (рисунок 4 – а) [2].

Характеристика п = f(P₂) имеет вид кривой, наклоненной к оси абсцисс. Такая форма характеристики объясняется тем, что с ростом нагрузки двигателя Р₂ увеличивается ток якоря I_а следовательно, возрастает падение напряжения в цепи якоря I_аΣr. В итоге уменьшается числитель (5), что ведет к снижению частоты вращения. Одновременно с ростом нагрузки усиливается реакция якоря; это уменьшает основной магнитный поток Ф, что способствует увеличению частоты вращения. В двигателях малой мощности с небольшим магнитным насыщением размагничивающее влияние реакции якоря невелико и характеристика п = f(P₂) имеет вид кривой, слабо наклоненной к оси абсцисс. В двигателях мощностью в несколько киловатт и более реакция якоря проявляется значительнее, и с ростом нагрузки в определенном диапазоне частота вращения двигателя будет возрастать, и двигатель начнет работать неустойчиво. Для преодоления этого недостатка двигатели снабжаются легкой (несколько витков) стабилизирующей обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, чтобы ее МДС F_CT была направлена согласно с МДС обмотки возбуждения F_B. При увеличении нагрузки одновременно с усилением реакции якоря увеличивается МДС стабилизирующей обмотки F_CT, которая компенсирует размагничивающее действие реакции якоря.

Характеристика момента М₂ = f(P₂) определяется выражением полезного момента (момента на валу) (Нм):

М₂ = Р₂/ = 9,55Р₂/n, (6)

где п — частота вращения якоря, об/мин..

Если п =const, то график М₂=f(P₂) представляет собой прямую линию, выходящую из начала осей координат. Однако с ростом нагрузки двигателя частота вращения уменьшается, что приводит к нелинейности рассматриваемой характеристики.

Характеристика тока якоря I_а = f(Р₂) не выходит из начала осей координат, так как в режиме холостого хода (Р₂ = 0) двигатель потребляет из сети ток холостого хода I₀ и развивает момент холостого хода М₀, обусловленный механическими и магнитными потерями в двигателе.

а) б)

в) г)

Рисунок 4 – Рабочие –а) и механические – б) с введением добавочного сопротивления, в) при ослаблении поля, г) при изменении питающего напряжения характеристики ДТПНВ

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения якоря п от электромагнитного момента М при неизменных напряжении питания (U = соnst) и сопротивлении реостата в цепи возбуждения (r_рег = const). Подставив в (5) значение тока якоря I_а = М/(с_мФ), получим

п =U /(c_e)Мr/(с_е с_м ²) = п₀  п, (7)

гдеп₀=U/с_е частота вращения двигателя при идеальном холостом ходе (М=0, I_а = 0);

п = [Мr/(с_е с_м ²)]  перепад частоты вращения якоря, вызванный действием статического нагрузочного момента рабочей машины М_с.

Скоростная характеристика ДПТ вида п = f(I_a) является зависимостью частоты вращения п от тока в обмотке якоря при неизменном токе возбуждения и номинальном подведенном напряжении. Уравнение скоростной характеристики п = f(I_a) имеет вид

п =(U – I_аr)/c_e.

В режиме идеального х. х. ток в цепи якоря I_a = 0, следовательно и момент М = 0, поэтому частота вращения в режиме идеального х. х.

п₀ =U /(c_e).

Уравнения скоростной и механической характеристик можно привести к виду

п = п₀  п.

Зависимость п от тока нагрузки определяется выражением

п = [ I_аr/(с_е)]. (8)

Зависимость п от момента нагрузки имеет вид

п = [Мr/(с_е с_м ²)]. (9)

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря и принять магнитный поток в двигателе неизменным, то механическая и скоростная характеристики ДПТ независимого (параллельного) возбуждения примут вид прямых с наклоном к оси абсцисс. Такие характеристики называется естественными.

Естественные механическая и скоростная характеристики ДПТНВ «жесткие», так как при увеличении нагрузки на валу двигателя до номинальной, частота вращения при сравнительно небольшом падении напряжения в цепи якоря изменяется незначительно (5 – 10 %).

Если в цепь якоря двигателя ввести добавочное сопротивление R_доб, R = r + R_доб, то влияние нагрузки на величину п становится более значительным (ведет к уменьшению частоты вращения п  см. (7)), и характеристики становятся мягкими; их угол наклона к оси абсцисс увеличивается. Полученные таким образом характеристики называют искусственными (реостатными). При этом, чем больше сопротивление резистора R_доб, тем мягче механические характеристики (рисунок 4  б).

На форму механических характеристик влияет основной магнитный поток Ф, при уменьшении которого увеличиваются как частота вращения идеального холостого хода п₀, так и перепад частоты вращения n, вызванный нагрузкой двигателя. При этом, если п₀ обратно пропорциональна магнитному потоку Ф, то n обратно пропорционально Ф². Такая зависимость слагаемых выражения (7) от магнитного потока Ф приводит к резкому изменению жесткости механической характеристики (рисунок 4 в).

При изменении напряжения U, подводимого к цепи якоря, частота вращения идеального холостого хода п₀ изменяется пропорционально изменению этого напряжения. Перепад частоты вращения n от напряжения U не зависит и при изменении U остается неизменным. В итоге наклон механических характеристик («жесткость») не меняется, и они смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рисунок 4 г).

Исследованию групп рабочих, механических и электромеханических характеристик ДПТ независимого возбуждения посвящена настоящая лабораторная работа.