Попов / Попов билеты / 31

§ 11.4. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В устройствах автоматики и различных электробытовых приборах широко применяют универсальные коллекторные двигатели мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, которые могут работать как от источников постоянного тока,  так и однофазного тока.

Устройство. Универсальный коллекторный двигатель устроен так же, как и двигатель постоянного тока с последо­вательным возбуждением. Он отличается от машины посто­янного тока только тем, что его магнитная система выполняется полностью шихтованной, а катушки обмотки возбуждения состоят из двух секций и имеют промежуточные выводы (рис. 11.16). Выполнение статора и ротора машины шихтованными объясняется тем, что при работе на перемен­ном токе они пронизываются переменным магнитным пото­ком; секционирование же обмотки возбуждения делается потому, что в этом режиме из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя номинальная скорость вращения оказывается меньшей, чем при работе на постоянном токе. Для выравнивания этих скоростей при работе на постоянном токе в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе—только часть их, вследствие чего соот­ветственно уменьшается магнитный поток машины. В универсальных коллекторных дви­гателях, выпускаемых отечественной промыш­ленностью, обмотка возбуждения подразделя­ется на две части, включаемые с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование обмотки) позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.

Рис. 11.16. Схе­ма включения универсального коллекторного двигателя

 

Рис. 11.17.   Графики   изменения   тока   якоря,   потока и электромагнитного момента универсального коллек­торного двигателя (а) и его векторная диаграмма при работе  на  переменном  токе  (б)

 

При работе на постоянном токе универсальный кол­лекторный двигатель ведет себя так же, как двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Работа двигателя на переменном токе имеет ряд специфических особенностей.

Электромагнитный момент при работе на переменном токе. В рассматриваемом режиме ток якоря i_a и магнитный поток Φ изменяются по синусоидальному закону:

(11.35) 

 

(11.36)

_где γ — угол, возникающий из-за потерь мощности в стали.

Мгновенное значение электромагнитного момента

            (11.37)

Графики изменения тока i_а, магнитного потока Φ и элект­ромагнитного момента Μ показаны на рис. 11.17. Очевидно, что момент двигателя можно представить в виде двух составляющих —постоянной и переменной, изменяющейся с двойной частотой:

 (11.38)   

 (11.39)

 Электромагнитный момент двигателя является перемен­ным, а в отдельные промежутки времени — даже тормозным. Однако якорь двигателя вращается с равномерной частотой, так как он имеет сравнительно  большой момент инерции. Среднее значение момента

         (11.40)

Характеристики при работе на переменном токе. Вектор­ная диаграмма однофазного коллекторного двигателя (рис. 11.17,б) строится  на  основании уравнения

                       (11.41)

где ΣR_а и ΣXа — сумма активных и реактивных сопротив­лении  в  цепи  обмотки  якоря.

Электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке якоря,

                                     (11.42)

Из (11.41) и (11.42) можно получить зависимость частоты вращения  от  тока  якоря:

(11.43)

На основании (11.40) и (11.43) строятся зависимости n=f(l_a), M=f(l_a) и n=f(M). Так как способ возбуждения машины при работе на постоянном и переменном токе остается неизменным, а формулы (11.40) и (11.43) для частоты вращения n и момента Μ имеют такую же структуру, как и формулы (10.45) и (10.46), механические характеристики двигателя при работе в двух указанных режимах будут приблизительно одинаковыми. Однако при переменном токе, в числителе (11.43) появляется дополни­тельный член jI_aΣX_a, сдвигающий механическую харак­теристику двигателя в область более низких частот вращения (рис. 11.18, а,кривая 2). Для того чтобы приблизить ее к механической характеристике при постоянном токе (кривая 1), часть витков обмотки возбуждения при переходе на питание переменным током отключают, т. е. уменьшают магнитный поток машин. При этом обеспечиваются одина­ковые номинальные частоты вращения двигателя в обоих режимах работы  (кривая 3).

В связи с уменьшением магнитного потока двигателя при работе на переменном токе его магнитная система оказывается менее насыщенной, чем при работе на посто­янном токе. Поэтому при работе в рассматриваемом режиме зависимость M=f(l_a) приближается к параболической; за­висимость n=f(I_a) — к гиперболической в большем диапазоне изменения тока, чем при постоянном токе, а механическая характеристика  становится  более  мягкой.

Рабочие характеристики двигателя (рис. 11.18,б) при его работе   на   постоянном   (сплошные   линии)   и   переменном

Рис. 11.18. Механические (а) и рабочие (б) характе­ристики

 универсального коллекторного двигателя

 

(штриховые линии) токе имеют приблизительно одинаковую форму. При переменном токе ток якоря больше, чем при постоянном, из-за появления реактивной составляющей и увеличения активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. По этим причинам КПД двигателя при переменном токе меньше, чем при постоянном.

При работе на постоянном токе регулирование частоты вращения осуществляют путем включения в цепь якоря реостата, а также изменения питающего напряжения и тока возбуждения (шунтирования обмотки возбуждения реоста­том). При работе на переменном токе регулирование частоты вращения осуществляют в основном изменением питающего напряжения; реже — включением реостата в цепь якоря.

Коммутация при работе на переменном токе. В этом случае в коммутируемой секциикроме реактивной ЭДС е_р индуцируется еще трансформаторная ЭДС е_тр, так как эта секция сцеплена с переменным магнитным потоком. Реак­тивная ЭДС возникает так же, как и в машине постоянного тока, в результате изменения тока i_a в коммутируемой секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Однако в данном случае токи +i_β и —i_a в каждой параллельной ветви (рис. 11.19, а) не остаются постоянными, а   изменяются   по   синусоидальному   закону   i_a = i_amsinωt =

Рис. 11.19. Диаграммы, иллюстрирующие возникновение реактивной и трансформаторной

ЭДС в универсальном коллекторном двигателе

 

= (I_a/2a)sinωt. Следовательно, реактивная ЭДС, пропор­циональная производной di/dt, будет зависеть от тока i_a в момент коммутации, т. е. в разные моменты времени она будет различной. Если пренебречь периодом коммутации Т_к по сравнению с временем Т_о между двумя последователь­ными коммутациями,  то можно считать,  что  производная

                          (11.44)

а реактивная ЭДС

   (11.45)

где e_pm=I_aL_peз/aT_K — максимальное значение реактивной ЭДС,  соответствующее максимальному току  якоря 1_ат.

Таким образом, реактивная ЭДС совпадает по фазе с током якоря, пропорциональна частоте вращения n (период коммутации Т_к обратно пропорционален п) и току якоря 1_а так же, как  в машинах постоянного  тока.

Трансформаторная ЭДС индуцируется в коммутиру­емой секции переменным магнитным потоком машины (рис. 11.19,6). Так как магнитный поток изменяется по зако­ну Ф = ф_тsinωt, то при установке щеток на геометрической нейтрали

                          (11.46)

где  w_c — число  витков в секции.

Следовательно, если не учитывать небольшого угла γ, то она будет сдвинута относительно реактивной ЭДС на 90° (рис. 11.19, б). Результирующая ЭДС в коммутируемой сек­ции будет изменяться по синусоидальному закону и в не­которые моменты времени будет иметь максимальное значение

                       (11.47)

Установка добавочных полюсов обеспечивает компенса­цию реактивной ЭДС. Трансформаторная же ЭДС остается нескомпенсированной и создает добавочный ток, замыка­ющийся через щетки. Это ухудшает коммутацию машины, а следовательно, может вызвать опасное искрение и значи­тельные радиопомехи. Особенно неблагоприятные условия возникают при пуске двигателя в случае, когда транс­форматорная ЭДС достигает большого значения из-за увеличенных значений пускового тока и потока возбуждения. По этой причине коллекторные машины переменного тока  средней   и  большой  мощности  не  получили  широкого применения. В универсальных коллекторных двигателях малой мощности трансформаторная ЭДС невелика и пра­ктически не ограничивает его нагрузку, как это имеет место в более мощных машинах. Однако срок службы щеток, коллектора и всей машины при работе на переменном токе сокращается по сравнению со сроком службы  на  постоянном  токе.