Контрольная работа № 1

На тему : «Механические характеристики двигателей

постоянного тока»

Электрические машины постоянного тока применяют в качестве двигателей и генераторов, несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока. Двигатели постоянного тока позволяют плавно регулировать скорость вращения в широких пределах и создают большой момент при пуске. Они применяются для привода различных механизмов (прокатные станы, транспортеры), в качестве тяговых на транспорте (электровозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных устройствах (краны, экскаваторы), на морских и речных судах и др. Двигатели небольшой мощности применяют в системах автоматики.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания двигателей постоянного тока, для электроснабжения различных потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах и др.

Недостаток машин постоянного тока - наличие щеточно-коллекторного узла, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте - синхронными генераторами, работающими совместно с выпрямителями.

4.1. Режимы работы машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать в режиме генератора, двигателя и электромагнитного тормоза.

Если к зажимам обмотки вращающегося якоря присоединить нагрузку, то под действием ЭДС якоря в цепи возникает ток. Машина будет работать в режиме генератора. Напряжение на его зажимах меньше ЭДС якоря на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря

U = Еа – Rа·Iа.

В результате взаимодействия тока якоря и поля возбуждения в машине создается электромагнитный момент. Этот момент будет тормозным по отношению к моменту первичного двигателя, вращающего якорь (ротор).

Если подать напряжение (от какого-нибудь источника) на зажимы обмотки неподвижного якоря, то в цепи якоря начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем возбуждения приведет к появлению вращающего момента. Если этот момент больше тормозного момента на валу (вызванного трением в подшипниках, вентиляцией, нагрузкой), то ротор начнет раскручиваться и достигнет установившейся скорости. Машина будет работать в двигательном режиме. Приложенное к якорю напряжение будет больше ЭДС, индуцированной в обмотке якоря, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении

U = Еа + Rа·Iа.

Итак, одна и та же машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Это есть подтверждение свойства обратимости электрических машин.

Если момент нагрузки (например, при подъеме груза) станет больше вращающего момента двигателя, то он сначала остановится, а затем начнет вращаться в обратном направлении. При этом ЭДС якоря изменит направление. Двигатель окажется в режиме электромагнитного тормоза. Теперь ток в цепи создается суммой прикладываемого напряжения и ЭДС якоря и может существенно возрасти.

U + Еа = Rа·Iа.

Для перевода двигателя в режим электромагнитного тормоза нужно поменять полярность обмотки якоря. Изменяется направление момента, развиваемого машиной, и двигатель быстро затормаживается.

4.2. Преобразование энергии в генераторном и двигательном режимах

Работа машины постоянного тока сопровождается различного рода потерями энергии, вызывающими нагрев ее частей. Прежде всего в машине имеют место электрические потери во внутренних сопротивлениях якоря pЭЛ (включая сопротивление щетка - коллектор), которые составляют около 50% всех потерь в машине при номинальном режиме. Эти потери пропорциональны квадрату тока якоря.

Далее имеют место потери магнитные в сердечнике якоря pМГ (составляют 1…3% от РН), механические потери от трения и вентиляции рМЕХ (составляют менее 1…2% от РН), электрические потери в цепи возбуждения рЭЛ.В (составляют 0,5…7% от РН). Все перечисленные потери (кроме потерь в обмотке якоря) практически не зависят от нагрузки.

Энергетические диаграммы для генератора и двигателя приведены на рис. 4.1.

КПД машин постоянного тока зависит от мощности и изменяется в пределах (70…96)%.

Рис. 4.1 - Энергетические диаграммы генератора (а), двигателя (б)

4.3. Эдс якоря, момент и способы возбуждения машин постоянного тока

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку полюса

где - постоянная машины по ЭДС; p - число пар полюсов; N - число проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Это выражение справедливо как для генератора, так и для двигателя.

Электромагнитный момент машины пропорционален току якоря и результирующему магнитному потоку полюса

где постоянная машины по моменту.

Цепь возбуждения и цепь якоря по отношению к сети могут быть включены независимо одна от другой, параллельно и последовательно. В соответствии с этим различают генераторы и двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

В машинах независимого возбуждения цепь возбуждения включают на напряжение постороннего источника (выпрямитель, аккумулятор и т. д.), рис. 4.2, а. В машинах малой мощности (до 500 Вт) поток возбуждения может создаваться постоянными магнитами.

В машинах параллельного возбуждения обмотку возбуждения включают параллельно цепи обмотки якоря, рис. 4.2, б. В этом случае обмотка возбуждения выполняется из большого числа витков тонкого провода. Ток возбуждения составляет (1…5)% от номинального тока якоря.

Рис. 4.2 - Способы возбуждения машин постоянного тока:

а – независимое, б – параллельное, в – последовательное, г - смешанное

В машинах последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена с якорем последовательно, рис. 4.2, в, поэтому она рассчитана на полный ток якоря. Число витков катушек возбуждения невелико, их выполняют из провода большого сечения.

В машинах смешанного возбуждения на основных полюсах имеется по две катушки: одна принадлежит параллельной обмотке возбуждения, другая - последовательной.

Схема возбуждения магнитного поля машины определяет особенности ее работы.