42. Устройство машин постоянного тока, способы возбуждения.

44. Электродвижущая сила обмотки якоря и электромагнитный момент машин постоянного тока. где N – число пазовых проводников; 2a – число параллельных ветвей. ЭДС одного пазового проводника, активная длина которого l_i

где или с учетом где - постоянная для данной машины - электромагнитная сила

- электромагнитный момент

где D_a/2 – радиус сердечника якоря

где I_a/2a=i_a – ток параллельной ветви где - постоянная для данной машины.

Где - угловая скорость вращения - электромагнитная мощность машины постоянного тока.

45. Магнитная цепь и магнитное поле машины постоянного тока. Реакция якоря машин постоянного тока. L_cя – спинка якоря F_m – магнитное напряжение главного полюса F_a – магнитное напряжение статора (ярма) F_я – магнитное напряжение спинки якоря Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор d, поэтому магнитное напряжение F_δ намного больше остальных слагаемых F_{во .} Реакция якоря машины постоянного тока Если магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток Ф, не изменяя его значения: один край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС F_а и F_во совпадают по направлению, будут подмагничиваться, а другой край полюса и соответствующий слой якоря, где МДС F_а и F_во не совпадают по направлению, будут размагничиваться. Результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на угол a. Т. е. физическая нейтраль m m’ смещается относительно геометрической нейтрали n n’ на угол a. В режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а режиме двигателя – против вращения якоря. Искажения результирующего поля неблагоприятно влияет на рабочие свойства МПТ: 1. сдвиг физической нейтрали ухудшает условия работы щеточного контакта, что может привести к усилению искрения на коллекторе; 2. искажения поля приводит к неравномерному распределению магнитной индукции в зазоре , и, следовательно, к росту мгновенных значений ЭДС отдельных секций, что может привести к такому возрастанию напряжений между коллекторными пластинами, при котором возможно возникновения электрической дуги на коллекторе. Если магнитная система машины насыщена, то под влиянием реакции якоря подмагничивание одного края полюса и зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края полюса и зубцового слоя якоря. При этом результирующий магнитный поток Ф уменьшается, т.е. реакция якоря в насыщенной машине размагничивает магнитную систему. В результате у генераторов снижается ЭДС, а у двигателей – вращающий момент. Влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали, т. к. вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря. При этом МДС якоря F_а помимо поперечной составляющей F_аq= F_аcosb приобретает и про-дольную составляющую F_аd= F_аsinb, направлен-ную по оси полюсов. В генераторном режиме: – при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая F_аd размагничивает машину, т. е. ослабляет основной поток; – при смещении щеток против направления вращения якоря про-дольная составляющая F_аd подмагничивает машину, т. е. усиливает основной поток, но при этом может явиться причиной искрения на коллекторе. В двигательном режиме: – смещение щеток по направлению вращения якоря подмагничивает машину; – при смещении щеток против направления вращения продольная составляющая F_аd размагничивает машину.

46. Устранение вредного влияния реакции якоря в машинах постоянного тока. Наиболее эффективное средство – компенсационная обмотка (КО), которая укладывается в пазы полюсных наконечников. Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС F_КО была противо-положна направлению МДС обмотки якоря F_а. Такое включение КО обеспечивает автоматическую компенсацию МДС якоря при любой нагрузке машины. В межполюсном пространстве компенсационная обмотка не обеспечивает полной компенсации МДС якоря. Поэтому нежелательное влияния МДС якоря на работу щеточного контакта устраняют применением добавочных полюсов. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсационной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют увеличением зазора на краях главных полюсов. Однако, это приводит к необходимости повышения МДС главных полюсов и, следовательно, к увеличению размеров катушек, полюсов и всей машины в целом.

49. Уравнение напряжения и частота вращения двигателя постоянного тока. Уравнение напряжения для якорной цепи двигателя, работающего с постоянной частотой вращения - мощность в цепи обмотки якоря - мощность электрических потерь в цепи якоря - электромагнитная мощность двигателя - уравнение мощностей Подставим в уравнение напряжений и выразим n Регулировать частоту вращения можно: 1) изменением сопротивления в цепи якоря; 2) изменением основного магнитного потока Ф; 3) изменением напряжения в цепи якоря. 1) Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря _{n0=const, Dn ­ 2) Изменение основного магнитного потока Ф} При ослаблении Ф n₀ ­, Dn ­ 3) Изменение напряжения в цепи якоря U При снижении U

n₀ ¯, Dn =const

50. Пуск двигателя постоянного тока. Из уравнения напряжений В начальный момент пуска n = 0 Þ Е_а= 0 и В цепь якоря включают пусковой реостат r_пр

51. Двигатель параллельного возбуждения, его скоростные и механические характеристики. Характерная особенность этого двигателя:

ток в обмотке возбуждения не зависит от нагрузки. Рабочие характеристики: зависимости от полезной мощности при U = const и I_в = const - частоты вращения - полезного момента - вращающего момента - тока якоря Скоростная характеристика: Вращающий момент

Ток якоря При Ф=const график совпадает с графиком тк Механическая характеристика: подставим

52. Регулирование частоты вращения двигателей параллельного возбуждения.см 1твет №51

53. Двигатель последовательного возбуждения, его особенности, рабочие и механические характеристики. В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря, поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I = I_а= I_в , При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна: В этом случае электромагнитный момент:

А частота вращения:

Таким образом, вращающий момент двигателя последовательного возбуждения при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока, а частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки. Рабочие характеристики ДПТ последовательного возбуждения: и При больших нагрузках (I > I_ном) наступает насыщение магнитной системы. При этом магнитный поток при дальнейшем изменении нагрузки не изменяется (Ф - const) и характе-ристики приобретают почти прямо-линейный характер. Характеристика - «мягкая», т.е. частота вращения значи-тельно изменяется при изменении нагрузки. При уменьшении нагрузки частота вращения резко увеличивается, и при токе нагрузки менее 0,25 I_ном частота вращения может достичь опасных пределов (двигатель «уйдет в разнос»). 1 – естественная; 2 – искусственная. Резко падающие механические характеристики обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке Свойство этих двигателей разви-вать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значение при пуске и перегрузках. Это свойство обусловливает их широкое применение в качестве тяговых двигателей на транспорте, в качестве крановых двигателей в подъемных установках и других случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал с малой частотой вращения.

54. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения. Регулирование частоты вращения: 1) изменением напряжения. 2) изменением магнитного потока обмотки возбуждения; 1.а – включением в цепь якоря регулировочного реостата R_рг С увеличением реостата R_рг уменьшается напряжение на двигателе и, следовательно, снижается частота вращения. Этот способ применяется только в двигателях небольшой мощности из-за больших потерь энергии в реостате R_рг. 1.б – частоту вращения можно регулировать изменением напряжения U, подводимого к двигателю, посредством источника питания с регулируемым напряжением. При уменьшении напряжения U на двигателе, его механические характеристики смещаются вниз не меняя своей кривизны. При уменьшении напряжения U на двигателе, его механические характеристики смещаются вниз не меняя своей кривизны. 1.в – при совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения можно регулировать изменением схемы их включения: – при параллельном включении двигателей каждый из них работает под полным напряжением сети; – при последовательном включении двух двигателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. Этот способ регулирования частоты вращения применяется, например, в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей. 2. Регулировать частоту вращения изменением магнитного потока можно тремя способами: - шунтированием обмотки возбуждения реостатом; - секционированием обмотки возбуждения; - шунтированием обмотки якоря. 2.а – шунтирование обмотки возбуждения реостатом R_ш1 и уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения I_в = I_а – I_ш и, следовательно, к росту частоты вращения Этот способ экономичнее предыдущего и применяется чаще и оценивается коэффициентом ослабления поля Резистор R_ш выбирается таким, чтобы b < 50%.

2.б – при секционировании обмотки возбуждения отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения.

2.в – при шунтировании обмотки якоря реостатом R_ш2 увеличивается ток возбуждения I_в = I_а + I_ш , что приводит к снижению частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку частоты вращения (вплоть до остановки), но он неэкономичен (из-за значительных потерь в реостате R_ш2) и применяется редко.

55. Генераторы постоянного тока. Уравнения напряжений и мощностей. В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС: При подключении к генератору нагрузки, в цепи якоря возникает ток I_а, а на нагрузке устанавливается напряжение: - уравнение напряжений генератора Ток в проводниках обмотки якоря I_а, взаимодействуя с магнитным полем, создает на якоре электромагнитный момент М, который в генераторе направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя, т.е. является тормозящим. При неизменной частоте вращения (n=const) вращающий момент приводного двигателя М₁ уравновешивается суммой противодействующих моментов: - уравнение моментов генератора М₀ – момент х. х. , т.е. момент, создаваемый силами трения и действием вихревых токов в якоре. Умножив уравнение моментов на угловую скорость вращения w получим уравнение мощностей: где - механическая мощность подводимая к генератору, - мощность х. х. (подводимая к генератору в режиме х. х., т. е. при отключенной нагрузке); - электромагнитная мощность генератора. С другой стороны тогда где - полезная мощность генератора, т.е. мощность отдаваемая генератором нагрузке; - мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря. В результате, учитывая потери на возбуждение , получаем уравнение мощностей генератора: Механическая мощность, развиваемая приводным двигателем , преобра-зуется в генераторе в полезную мощность , передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь

56. Генератор постоянного тока независимого возбуждения, его особенности и характеристики. Обмотка возбуждения питается от внешнего, независимого от якорной цепи, источника постоянного тока. 1. Характеристика холостого хода U₀ = f (I_в), при I_а = 0 и n = const.

Е_ост – остаточная ЭДС, обусловленная явлением остаточного намагничивания. Характеристика U₀ = f (I_в) повторяет в другом масштабе магнитную характе-ристику машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины . 2. Нагрузочная характеристика – зависимость U_а = f (I_в), при I = const и n = const. Нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики холостого хода по следующим причинам: 1 – падение напряжения в обмотке якоря ; 2 – размагничивающее воздействие реакции якоря на магнитный поток Ф и, следовательно, снижение Е_а. Треугольник a b c – характеристический. ab – падение напряжения на обмотке якоря ; bc – ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее воздействия реакции якоря ; ae – напряжение на выходе генератора U под нагрузкой; be – ЭДС генератора Е_а под нагрузкой; de – напряжение на выходе генератора U₀ в режиме холостого хода при токе возбуждения . 3. Внешняя характеристика U_а = f (I_а), при I_в = const и n = const. Изменение напряжения на якоре ΔU при изменении нагрузки от 0 до I_ном обусловлено: 1 – падением напряжения в обмотке якоря 2 – размагничивающим воздействием реакции якоря на магнитный поток. 4. Регулировочная характеристика I_в = f (I_а), при U_а = const и n = const. Эта характеристика показывает каким образом необходимо регулировать ток возбуждения I_в при изменении нагрузки, чтобы напряжение на выходе генера-тора U_а оставалось неизменным.

57. Генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Условие самовозбуждения. Принцип самовозбуждения ГПТ параллельного возбуждения основан на способности магнитной системы длительное время сохранять небольшой магнитный поток остаточного магнетизма. При вращении якоря поток Ф_ост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Е_ост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток I_{в ост} Если МДС обмотки возбуждения имеет такое же направление, что и Ф_ост, то поток главных полюсов увеличивается. Это приводит к увеличению ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличивается. Этот процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е.

1 – характеристика холостого хода U₀ = f (I_в), при n = n_ном; 2 – характеристика I_в r_в = f (I_в), при r_в >r_{в кр}; 3 – характеристика I_в r_в = f (I_в), при r_в< r_{в кр}; 4 – характеристика холостого хода U₀ = f (I_в), при n = 0,5 n_ном; Условие самовозбуждения генератора параллельного возбуждения: 1. магнитная система должна обладать остаточным магнетизмом; 2. присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки возбуждения совпадала с остаточным потоком Ф_ост; 3. сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического, т. е. r_в< r_{в кр}; 4. частота вращения якоря должна быть больше критической, т. е. n > n _кр.

58. Основные характеристики генераторов параллельного и смешанного возбуждения. 1. Характеристика холостого хода – зависимость U₀ = f (I_в), при I = 0 и n = const. Так как ГПТ параллельного возбуждения самовозбуждается лишь при одном направ-лении тока I_в, то характеристика х. х. может быть снята только для одного квадранта осей координат. 2. Нагрузочная характеристика U_а = f (I_в), при I = const и n = const. практически не отличается от характеристики ГПТ независимого возбуждения. 3. Внешняя характеристика U_а = f (I_а), при r_рг = const и n = const. 1 – ГПТ независимого возбуждения 2 – ГПТ параллельного возбуждения 3 – «постепенное» короткое замыкание 4 – «внезапное» короткое замыкание 4. Регулировочная характеристика I_в = f (I_а), при U_а = const и n = const. 1 – ГПТ независимого возбуждения 2 – ГПТ параллельного возбуждения Генератор постоянного тока смешанного возбуждения: Основной магнитный поток создается обмоткой параллельного возбуждения. Согласное включение обмоток параллельного и последовательного возбуждения (направления МДС обмоток совпадают) обеспечивает более жесткую внешнюю характеристику. МДС обмотки последовательного возбуждения компенсирует размагничивающее влияния реакции якоря и падение напряжения в якоре. При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика будет более «мягкой» из-за размагничивающего влияния последовательной обмотки возбуждения. Встречное включение применяют тогда, когда надо получить круто падающую внешнюю характеристику, например, у сварочных генераторов. Регулировочная характеристика I_в = f (I_а), при U_а = const и n = const. 1 – ГПТ параллельного возбуждения; 2 – ГПТ смешанного возбуждения (согласное включение ОВ); 3 – ГПТ смешанного возбуждения (встречное включение ОВ).

59. Потери и коэффициент полезного действия машин постоянного тока. Потери в МПТ: основные (магнитные, электрические и механические) и добавочные Магнитные потери В процессе работы машины постоянного тока перемагничивается только сердечник якоря. В сердечнике якоря основные магнитные потери где Р_мz – магнитные потери в зубцовом слое якоря; Р_мc – магнитные потери в спинке якоря. Электрические потери. Потери в цепи возбуждения где U_в – напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в цепи якоря где ∑r – сопротивление в цепи якоря Потери в контакте щеток где ΔU_щ – переходное падение напряжения на щетках обеих полярностей. Потери коллекторной машины постоянного тока Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины и называются переменными. Механические потери где Р_к – потери от трения щеток о коллектор; Р_п – потери от трения в подшипниках; Р_вен – вентиляционные потери. Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными. Добавочные потери складываются из: - потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях, - потерь в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, - потерь в полюсных наконечниках при пульсации основного магнитного потока вследствие зубчатого якоря и т.д. В МПТ без компенсационной обмотки от полезной мощности ; В МПТ с компенсационной обмоткой от полезной мощности . Коэффициент полезного действия: Подводимая мощность Р₁ . Для генератора – механическая мощность Для двигателя – электрическая мощность

Полезная мощность Р₂ Для генератора – электрическая мощность Для двигателя – механическая мощность Суммарная мощность потерь Для генератора Для двигателя Для машин с мощностью от 1 до 100 кВт КПД - от 75% до 90%.Для машин с мощностью более 100 кВт КПД - от 90% до 97%. КПД можно определить: 1) методом непосредственной нагрузки – по результа-там измерений подведенной и отдаваемой мощностей (Применяется для машин малой мощности). 2) косвенным методом – по результатам измерения потерь. Из опыта х.х. определяются магнитные и механические потери, а электрические потери рассчитываются после измерения электрических сопротивлений.

10