KonspektElektrotekhnika_i_elektronika

Электротехника и электроника

В обмотке возбуждения должна расходоваться небольшая мощность P=UIв по отношению к общей мощности машины. Так как обмотка возбуждения включается непосредственно на напряжение машины U, то ее ток Iв должен быть небольшим по сравнению с током якоря Iа и током, потребляемым от ис-

быть относительно велико. Поэтому шунтовая обмотка возбуждения имеет большое количество витков относительно тонкого провода, при этом ее со- противление будет довольно большое.

Рис. 5.7

Машины последовательного возбуждения (сериесные) (рис.5.7,б).

Обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем. Таким обра- зом, по ней проходит рабочий ток Iв = Iа отдаваемый генератором или потреб- ляемый двигателем. Но падение напряжения и потери мощности должны быть небольшими. Тогда сопротивление обмотки должно быть маленьким. Поэтому она выполняются проводом относительно большого сечения и имеет неболь- шое количество витков.

Машины смешанного возбуждения (компаундные) (рис. 5.7,в).

Это сочетание двух предыдущих способов. В этих машинах на каждом из полюсных сердечников размещены две катушки (обмотки возбуждения); одна, соединенная последовательно (последовательного возбуждения) и вторая, со- единенная параллельно (параллельного возбуждения) с якорем. У первой ма- ленькое количество витков провода относительно большого диаметра, у второй

– большое число витков относительно тонкого провода.

Машины независимого возбуждения (рис.5.7,г).

В этих машинах обмотка возбуждения получает питание от независимого источника Uв. Цепь возбуждения не имеет общих точек с цепью якоря.

5.2.4. Электродвижущая сила якоря

В каждом проводнике обмотки якоря наводится ЭДС. Щетки МПТ сумми- руют ЭДС индуктируемые в отдельных проводниках. ЭДС обмотки якоря:

Еа = СКФ·ω,

где Ф - магнитный поток полюса машины в веберах [Вб]; ω - угловая скорость вращения якоря [рад/с]; СК – величина, постоянная для данной машины.

- 70 -

5. Электрические машины. Машины постоянного тока

обмотки якоря машины, работающей генератором, и противо-ЭДС двигателя при той же скорости и том же потоке пропорциональна магнитному потоку Ф и скорости вращения n:

Еа = СEФ·n,

где СЕ – конструкционная постоянная (СЕ = СК / 9,55).

В соответствии со схемой замещения (рис. 5.8,б) составленной для цепи якоря МПТ в режиме двигателя (п. 5.2.1), ток в якоре будет пропорционален

разности напряжения сети U и ЭДС якоря Еа:

I = U − E . R

Это уравнение легко преобразовать в уравнение электрического равновесия двигателя:

U = RаIа +Eа.

Пример 5.1. Определить величину произведения СЕФ генератора, если:

Еа = 230 В, n = 1150 об/мин.

Решение. Из выражения ЭДС якоря Еа = СEФ·n, находим:

СЕФ = Е = 230 = 0,2 .

n1150

5.2.5.Тормозной и вращающий моменты МПТ

Электромагнитный момент машины постоянного тока создается электро- магнитными силами, которые возникают в результате взаимодействия тока в проводниках обмотки якоря и магнитного поля. Таким образом, электромаг- нитный момент пропорционален магнитному потоку и току якоря:

Мэм = СMФ·Iа,

где СМ – конструкционная постоянная (СМ = 9,55 СЕ); Ф в веберах [Вб]; Iа в амперах [A]; М в ньютон-метрах [Н·м].

Этот момент является тормозным при работе машины в режиме генератора Мт = Mэм и вращающим - в режиме двигателя М = Mэм.

- 71 -

Электротехника и электроника

Пример 5.2. Рассчитать вращающий момент шунтового двигателя, данные которого: 220 В, 50 A, 1500 об/мин, а сопротивления обмоток имеют значения:

Rа = 0,2 Oм, Rв = 105 Oм.

Вращающий момент М = СMФ·Iа = 9,55 СЕ Ф·Iа = 9,55·0,14·47,9= 64,1 Н·м.

5.2.6. Двигатели постоянного тока параллельного и независимо- го возбуждения

Якорь и обмотка возбуждения шунтового двигателя (рис. 5.9,а) питаются одним и тем же номинальным напряжением U = Uном, указанном на щитке дви- гателя; в случае двигателя независимого возбуждения (рис. 5.9,б) они питаются от двух различных источников. Для обоих типов двигателей напряжение, при- ложенное к обмотке возбуждения и, следовательно, ток возбуждения Iв, не за- висят от нагрузки двигателя. Таким образом, их свойства идентичны.

Ток I, потребляемый шунтовым двигателем, делится между якорем (Iа) и обмоткой возбуждения: I = Iа + Iв.

Ток возбуждения определяется сопротивлением обмотки возбуждения Rв и

составляет (1...5)% рабочего тока I. При U = Uном имеем Iвном = U ном . Rв

В случае двигателя независимого возбуждения I = Iа.

- 72 -

вого тока (перегрузочной способностью по току).

Пуск двигателя

Чтобы двигатель начал вращаться, надо, чтобы вращающий момент при пуске Мпуск был больше момента сопротивления Мс механизма, приводимого в движение. Тогда согласно уравнению движения:

где J – момент инерции системы двигатель-механизм, под действием вращаю-

но току уменьшается вращающий момент двигателя М= СMФ·Iа.

- 73 -

Электротехника и электроника

Для обеспечения разгона постепенно уменьшают сопротивление пускового реостата. В конце пуска, когда реостат выключается из цепи и Rp = 0, якорь дви-

гателя вращается с такой скоростью, при которой ток I = U − E создает вра-

R

щающий момент М = СMФ·Iа, равный моменту сопротивления на валу двигателя

М= Мс.

Свойство саморегулирования

С увеличением нагрузки на валу двигателя (Мс↑) нарушается механическое равновесие вращающего и тормозящего моментов: М – Мс < 0. Согласно урав- нению движения dn / dt < 0, то есть двигатель замедляет ход. При уменьшении

скорости, уменьшается ЭДС Еа = СEФ·n и увеличивается ток I = U − E . Про-

R

порционально току возрастает вращающий момент двигателя М = СMФ·Iа и ме- ханическое равновесие М = Мс восстанавливается при понизившейся скорости.

Вывод: при изменении нагрузки, потребляемый двигателем ток I принимает значение, обеспечивающее необходимый вращающий момент М = Мс.

Изменение направления вращения ДПТ

Вращающий момент М = СMФ·Iа. Таким образом, для изменения направле- ния вращения (реверсирования) двигателя постоянного тока нужно изменить направление тока в якоре или в обмотке возбуждения, пересоединив два прово- да в коробке выводов (или при помощи переключателя). Если изменить направ- ление тока и в якоре и в обмотке возбуждения, то направление вращения двига- теля останется без изменения М = СM (-Ф)(-Iа) = СMФ·Iа.

Характеристики двигателя

Зависимость скорости вращения от тока якоря n(Iа) при неизменном токе возбуждения и напряжении питания называется электромеханической харак-

теристикой двигателя. Она так называется, потому что устанавливает зависи- мость между механической величиной (скорость) и электрической (ток).

В уравнении электрического равновесия U = RаIа + Eа заменим ЭДС выра- жением Еа = СEФ·n. Получим:

n = U − I R .

СE Ф

Механической характеристикой двигателя называют зависимость скорости вращения от вращающего момента на валу n(M), при данных условиях работы.

Используя уравнение момента двигателя М = СMФ·Iа, получим:

Приведенные уравнения выражают электромеханическую и механическую характеристику как прямую:

n = n0 – ∆n,

где n0 = U СE Ф называется скоростью идеального холостого хода (М = Мс = 0).

- 74 -

5. Электрические машины. Машины постоянного тока

Значения, приведенные на рис. 5.11 Мном, Iа ном, nном, являются номинальны- ми значениями. Они соответствуют номинальной нагрузке.

Характеристики при наличии добавочного сопротивления Rр в цепи якоря называются искусственными реостатными характеристиками:

Все характеристики начинаются из одной точки с ординатой n0.

Величина сопротивления цепи якоря R = Rа + Rр определяет наклон харак- теристики. Характеристики – мягкие.

Сопротивление цепи якоря в начальный момент пуска R = R1 выбирается исходя из допустимого значения пускового тока якоря Iа = Iа пуск (М = Мпуск).

Для конкретного момента скорость зависит от сопротивления цепи якоря R. Например, когда вращающий момент уравновешивает номинальный момент сопротивления М = Мном= Мс, для значений сопротивления цепи якоря R1, R2, R3 или Rа, скорость имеет значения n1, n2, n3 или номинальное значение nном. Таким образом, при увеличении сопротивления цепи якоря скорость уменьшается.

Это простой способ регулирования скорости, но у него есть серьезный не-

2. - момент пуска М= Мпуск.=100 Н·м, n = 0.

- 75 -

5.2.8. Коэффициент полезного действия и потери мощности

КПД машины постоянного тока это отношение полезной мощности к по- требляемой мощности:

- 76 -

5. Электрические машины. Машины постоянного тока

Если машина работает как двигатель, произведение U·I представляет по- требляемую электрическую мощность P1, а полезная механическая мощность:

P2 = M n

9,55

Потребляемая мощность больше полезной на величину потерь:

∆P = P1 - P2.

Различают электрические (тепловые) потери в обмотке якоря и обмотке возбуждения, механические потери, потери в стали сердечника при перемагни- чивании.

a) Электрические потери.

Для шунтовой машины ток возбуждения I = U .

R

-если машина - генератор, ток якоря Iа = I + Iв, и ток I – будет отдаваться во внешнюю цепь;

-если МПТ работает как двигатель и потребляет общий ток I, ток в якоре

Iа = I – Iв.

Таким образом, обозначив тепловые потери через ∆P1, имеем:

∆P1 = U·Iв + RаI2а.

б) Механические потери и потери в стали.

Механические потери ∆Pмех и потери в стали ∆Pст редко разделяются:

∆P2 = ∆Pмех + ∆Pст.

Механические потери вызваны вентиляцией, а также трением щеток на коллекторе, трением вращающегося вала в подшипниках.

Потери в стали связаны с якорем, намагничивание которого изменяется че- рез каждые пол-оборота.

Таким образом суммарные потери ∆P = ∆P1 + ∆P2.

Пример 5.4. Определить вращающий момент шунтового ДПТ, если при напряжении 200 В он потребляет ток 20 А, имеет КПД 85% и вращается со скоростью 1200 об/мин.

Решение. Потребляемая двигателем электрическая мощность:

Р1 = U I = 200 20 = 4000 .Вт

Из выражения КПД η = Р2 полезная механическая мощность:

Р1

Р2 = Р1 η = 4000 0,85 = 3400 Вт.

Из формулы P2 = M n вращающий момент двигателя: 9,55

М = 9,55 Р2 = 9,55 3400 = 27 Н·м. n 1200

Пример 5.5. Найти количество тепла, которое выделяется в МПТ за 1 час ее работы с номинальной нагрузкой, если Р2ном = 2,8 кВт, η ном = 0,85.

Решение. Потребляемая мощность: Р1ном = Р2ном = 2,8 = 3,3кВт.

ηном 0,85

- 77 -

Электротехника и электроника

Потери мощности при работе МПТ ∆Pном = P1ном - P2ном = 3,3 – 2,8 = 0,5 кВт. Эти потери преобразуются в тепловую энергию. Тогда количество тепла,

которое выделяется в МПТ за один час работы, то есть за 3600 секунд:

Q = ∆ Pном t = 0,5 3600 = 1800 Дж.

5.2.9. Щиток машины

Обозначения, которые нанесены на щиток:

-наименование изготовителя, тип машины, заводской номер;

-способ возбуждения;

-номинальная мощность в киловаттах P2ном [kВт] (для генератора – электриче- ская, для двигателя – механическая);

-номинальное напряжение в вольтах Uном [В];

-номинальный рабочий ток Iном [A];

-скорость вращения в оборотах в минуту nном [об/мин] с номинальной мощно- стью;

-КПД для номинальной нагрузки ηном [%].

Пример 5.6. Двигатель параллельного возбуждения имеет: Р2ном = 10 кВт, Uном = 220 В, nном = 1500 об/мин, Іном = 52 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке.

Решение. Р2ном = Р2 – полезная механическая мощность. Потребляемая электрическая мощность:

P1 = Р1ном = Uном·Iном = 220·52 = 11440 Вт.

Тогда КПД ηном = Р2ном = 10 103 = 0,87 или 87%.

Р1ном 1140

Пример 5.7. Двигатель паралельного возбуждения с номинальными дан- ными Рном = 12,5 кВт, η ном = 0,85; Uном = 220 В имеет сопротивление якоря 0,2Ом и сопротивление обмотки возбуждения 55 Ом. Определить сопротивление пус- кового реостата, чтобы ток якоря при пуске не превышал номинальный в 2,5 раза.

Решение. Потребляемая двигателем электрическая мощность:

- 78 -

5. Электрические машины. Машины постоянного тока

Пример 5.8. Генератор постоянного тока имеет номинальную мощность 22кВт, напряжение 220 В, КПД 85%, nном = 1430 об/мин. Определить номиналь- ный ток генератора и номинальный вращающий момент приводного двигателя.

Решение. Номинальная мощность генератора – электрическая мощность:

Пример 5.9. Нарисовать естественную механическую характеристику ДПТ параллельного возбуждения с номинальными данными: мощность 15 кВт, на- пряжение 220 В, КПД 85%, nном = 1340 об/мин, если скорость идеального холо- стого хода n0 = 1500 об/мин, а перегрузочная способность равна 2. Определить наименьший момент сопротивления необходимый, чтобы остановить двига- тель.

Решение. Характеристику строим по двум точкам (рис. 5.15): 1. - холостой ход М = 0, n = n0 = 1500 об/мин;

2. - работа с номинальной нагрузкой n = nном = 1340 об/мин,

току и равна 2. Тогда вращающий момент ограничен значением Мmax = 2·Мном = 2·107= 214 Н·м.

По построенной характеристике определяем вращающий момент при n = 0. Для этого проводим характеристику до пересечения с осью момента. Этот мо- мент уравновешивает момент сопротивления механической нагрузки М = Мс. Таким образом, наименьший момент сопротивления, необходимый, чтобы ос- тановить двигатель, равен 900 Н·м.

- 79 -