ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Электропривод и АПУ»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
Методические указания для студентов заочной формы обучения
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Часть 2
Могилев 2007
УДК 621.313 ББК 31.261 Э 62
Рекомендовано к опубликованию учебно-методическим управлением
ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»
Одобрено кафедрой «Электропривод и АПУ» «11» ноября 2007 г., протокол № 4
Составитель канд. техн. наук, доц. С. В. Кольцов
Рецензент канд. техн. наук, доц. С. К. Крутолевич
Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения.
Учебное издание
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Часть 2
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ответственный за выпуск |
Г. С. Леневский |
Технический редактор |
А. Т. Червинская |
Компьютерная верстка |
В. Э. Ковалевский |
Подписано в печать 21.12.2008 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1,86 . Уч.-изд. л. 1,7 .Тираж 115 экз. Заказ № 960
Издатель и полиграфическое исполнение Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет» ЛИ № 02330/375 от 29.06.2004 г. 212005, г. Могилев, пр.Мира, 43
© ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2007
3
Часть 2
8 Двигатели постоянного тока
8.1 Классификация двигателей
Обратимость электрической машины. Машина постоянного тока с
независимым или параллельным возбуждением, подключенная к сети с постоянным напряжением, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой.
Свойства двигателей постоянного тока, как и генераторов, в основном, определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим разли-
чают двигатели с параллельным, независимым, последовательным и
смешанным возбуждением. Схемы включения двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения тока при пуске.
Для контура «обмотка якоря — сеть»:
Ia = |
E − U |
. |
(10) |
|
|||
ΣRa |
|
||
Если Е > U, то ток Ia совпадает по направлению с ЭДС Е, и машина работает в генераторном режиме. При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения n, т. е. является тормозным. Для генераторного режима уравнение имеет вид: U = E − IaΣRa.
Если Е < U, то ток Ia изменяет знак и направлен против ЭДС Е. В соответствии с этим изменяет знак и электромагнитный момент М, т. е. он действует по направлению вращения n. При этом машина работает в двигательном режиме и уравнение для двигательного режима принимает вид: U = E + Ia, если за положительное направление тока Ia для двигательного режима принять его направление, встречное с ЭДС Е.
Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их ЭДС Е меньше напряжения сети U, и автоматически переходят в генераторный режим, когда их ЭДС Е больше U. При работе машины постоянного тока в двигательном режиме ЭДС Е и вращающий момент М определяются теми же формулами, что и в генераторном режиме:
Е = Ce Φ n; М = См Φ Ia, |
(11) |
но момент имеет противоположное направление.
4
Отсюда можно получить формулу для определения частоты вращения
n = |
U − IaΣRa . |
(12) |
Се Φ |
|
Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рису-
нок 36, а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат RР В, а в цепь якоря — пусковой реостат RП.
Рисунок 36 − Схема двигателя с параллельным возбуждением и его моментная и скоростная характеристики
Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения IВ не зависит от тока якоря Iа (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии получаем, что зависимости М = f(Ia) и n = f(Ia) (моментная и скоростная характеристики) линейные (рисунок 36, б). Следовательно, линейна и механическая характеристика двигателя n = f(М) (рисунок 37, а).
Рисунок 37 − Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением
5
Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат RП, то
n = |
U − Ia(ΣRa |
+ RП) |
= n0 |
− ∆n, |
(13) |
Се Φ |
|
||||
|
|
|
|
|
U
где n0 – частота вращения при холостом ходе, n0 = Се Φ;
∆n – снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя,
∆n = Ia(ΣRa + RП).
Се Φ
Величина ∆n, зависящая от суммы сопротивлений ΣRa + RП, определяет наклон скоростной n = f(Ia) и механической характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления RП указанные характеристики жесткие (естественные характеристики 1 на рисунке 36, б и рисунке 37, а), так как падение напряжения IaΣRa в обмотках машины, включенных в
цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3–5 % от UНОМ. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата RП1, RП2 и RП3. Чем больше сопротивление RП, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.
Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Φ при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол
наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели большой и средней мощностей с параллельным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической харак-
теристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе IНОМ составляет около 10 % от МДС параллельной обмотки.
Регулировочный реостат RР П позволяет изменять ток возбуждения двигателя IВ, его магнитный поток Φ, и, как следствие, при этом изменяется и час-
тота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь.
Рабочие характеристики рассматриваемого двигателя (рисунок 37, б) представляют собой зависимости потребляемой мощности, тока Iа ≈ IН, частоты вращения n, момента М и КПД η от отдаваемой мощности Р2 на валу двигате-
6
ля при U = const и IВ = const. Характеристики n = f(Р2) и М = f(Р2) являются
линейными, а зависимости Р1 = f(Р2), Iа = f(Р2) и η = f(Р2) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в
зависимости от тока якоря Iа.
Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения IВ также не зависит от тока якоря Iа.
Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе
(рисунок 38, а) ток возбуждения IВ = Iа, поэтому магнитный поток Φ является некоторой функцией тока якоря Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При Iа < (0,8 – 0,9)IНОМ, когда магнитная система машины не насыщена, Φ = kΦ·Iа, причем коэффициент пропорциональности kΦ в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Φ возрастает медленнее, чем Ia, и при больших нагрузках Iа > IНОМ можно считать, что Φ ≈ const. В соответствии с этим изменяются зависимости n = f(Iа) и М = f(Iа).
Рисунок 38 − Схема двигателя с последовательным возбуждением (а) и его моментная и скоростная характеристики (б)
При Iа < (0,8 – 0,9)IНОМ скоростная характеристика двигателя n = f(Iа) (рисунок 38, б) имеет форму гиперболы, так как частота вращения
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U − IаΣRa |
|
U |
– |
IаΣRa |
U |
− С2, |
(14) |
||||
n = |
|
Φ |
= |
|
|
|
|
= С1I |
|
|||
Се |
|
|
a |
|||||||||
|
|
|
Се kΦ·Ia |
|
Се kΦ·Ia |
|
|
|
||||
где С1 и С2 – постоянные.
При Iа > IНОМ скоростная характеристика становится линейной, так как частота вращения
n = |
U − IаΣRa = |
U |
|
− IаΣRa = С′1·U − С2′·Ia, |
(15) |
|
Се Φ |
||||||
|
Се Φ |
Се Φ |
|
|||
где С′ и С2′ – постоянные.
Аналогично можно получить зависимость электромагнитного момента от тока якоря М = f(Iа). При Iа < (0,8 – 0,9)IНОМ моментная характеристика
М = f(Iа) имеет форму параболы (см. рисунок 38, б), так как электромагнитный момент
М = СМ·Φ·Iа = СМ·kΦ·Ia2 = С3·Ia2, |
(16) |
где С3 – постоянная. |
|
При Iа > IНОМ моментная характеристика линейная, так как |
|
М = СМΦIа = С3′Ia, |
(17) |
где С3′ – постоянная.
Механические характеристики n = f(М) (рисунок 39, а) можно построить
на основании зависимостей n = f(Iа) и М = f(Iа). При Iа < (0,8 – 0,9)IНОМ частота вращения изменяется по закону
n = |
U |
|
− |
ΣRa |
= С4 |
|
U |
|
− С2, |
(18) |
Се kΦ |
М |
Се kΦ |
|
М |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
СМkΦ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где С4 – постоянная.
При Iа > IНОМ зависимость n = f(М) становится линейной.
Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями RП1, RП2 и RП3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше RП, тем ниже располагается характеристика.
8
Рисунок 39 − Механические (а) и рабочие (б) характеристики двигателя с последовательным возбуждением
Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением приведены на рисунке 39, б. Зависимости n = f(Р2) и М = f(Р2) являются нели-
нейными; зависимости Р1 = f(Р2), и η = f(Р2) имеют примерно такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.
Из рисунка 39, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение. Поэтому такие двигатели нельзя применять для приводов механизмов, работающих при небольшой нагрузке или в режиме холостого хода (различные станки, транспор-
теры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 – 0,25) IHOM; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характери-
стике частота вращения почти не зависит от момента М, поэтому мощность постоянна.
При мягкой характеристике двигателя с последовательным возбуждением
частота вращения обратно пропорциональна М, вследствие чего Р2 М. Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р2, а следовательно, мощность Р1 и ток Iа у двигателей с последовательным
9
возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением; кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например,
М
при заданной кратности перегрузки по моменту МНОМ = kM ток якоря в двига-
теле с параллельным возбуждением увеличивается в kM раз, а в двигателе с по-
следовательным возбуждением — только в kM раз. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как
при заданной кратности пускового тока |
IП |
= ki |
пусковой момент его |
IНОМ |
МП = ki2 MH0M, а у двигателя с параллельным возбуждением МП = ki MH0M. Указанные преимущества двигателей с последовательным возбуждением
наиболее четко проявляются в простых приводах, не имеющих систем автоматического управления. При наличии таких систем предпочтение всегда отдается двигателям с параллельным или независимым возбуждением, у которых с помощью регуляторов тока возбуждения можно получить требуемую форму механической характеристики, например, гиперболическую.
Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рису-
нок 40, а) магнитный поток Φ создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной и последовательной. Поэтому его
механические характеристики (рисунок 40, б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (см. рисунок 40, б, прямая 1) и последовательным (см. рисунок 40, б, кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения n0 имеет конечное значение.
Рисунок 40 − Схема двигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)