7. Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока превращают электрическую энергию постоянного тока в механическую (двигатели) и наоборот, механическую энергию, подведенную к валу машины, в электрическую энергию постоянного тока (генераторы). Двигатели постоянного тока используют в электроприводах механизмов с регулированной частотой вращения. Генераторы постоянного тока используют для питания автономных цепей постоянного тока, в частности на железнодорожном и автомобильном транспорте, речных и морских судах.

Принцип работы генераторов постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции, то есть на явлении индуктирования ЭДС в проводниках, которые движутся в магнитном поле. Принцип работы двигателей постоянного тока основан на способности магнитного поля создавать электромагнитную силу, которая действует на проводник с током, помещенный в этом поле.

Уравнение электрического состояния обмотки машины постоянного тока, которая движется в магнитном поле и в которой образуется ЭДС, имеет вид: . Здесь знак "+" соответствует работе машины в режиме двигателя, а знак "-" − работе машины в режиме генератора. Одна и та же машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство называют оборатимостью электрических машин.

Конструктивно основными элементами машины постоянного тока является неподвижный статор и вращающийся ротор (якорь). Статор выполнен в виде цилиндрической станины из стали или чугуна, к которой прикреплены главные полюса с обмоткой возбуждения и дополнительные полюса с обмоткой, которая включается последовательно с обмоткой якоря. В машинах малой мощности дополнительные полюса отсутствуют. Якорь представляет собой посаженный на вал машины стальной цилиндр с продольными пазами, изготовленный из листов электротехнической стали. В пазах якоря находится обмотка. Вместе с якорем на валу машины установлен коллектор, изготовленный в виде медного цилиндра, составленного из медных пластин, изолированных одна от другой, а также и от вала машины. К коллекторным пластинам определенным образом подключены проводники обмотки якоря. Электрический контакт между вращающимся коллектором и неподвижными внешними выводами цепи якоря осуществляют с помощью неподвижных щеток, которые скользят по коллектору. Коллектор и щетки представляют собою электромеханический выпрямитель, в котором осуществляется скользящий контакт между внешним цепью постоянного тока и проводниками обмотки якоря, по которым течет переменный ток.

Обмотка якоря состоит из секций, каждая из которых имеет две стороны, одна из которых укладывается в верхнюю, а вторая − в нижнюю часть паза якоря с шагом приблизительно равным полюсному делению. Под полюсным делением понимают длину дуги на поверхности якоря, которая приходится на один полюс машины. Обмотки якоря разделяют на петлевые и волновые. Важным свойством простых петлевых обмоток является то, что в них количество пар параллельных ветвей в обмотке якоря равняется количеству пар полюсов. Простая же волновая обмотка якоря независимо от количества пар полюсов всегда имеет одну пару параллельных ветвей.

ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока равняется . Здесь с − конструктивный коэффициент машины; Ф − магнитный поток на один полюс машины, Вб; Ω − угловая скорость якоря, с^-1; Е − ЭДС якоря, В. Электромагнитный момент, который развивают проводники якоря, . Здесь с − один и тот же конструктивный коэффициент машины, что и в выражении для ЭДС; Ф − магнитный поток, Вб; І_Я − ток якоря, А; М − электромагнитный момент, Нм.

При отсутствии тока в обмотке якоря магнитный поток, созданный магнитодвижущей силой обмотки возбуждение, распределяется симметрично вдоль продольной оси полюсов. Если же ток существует в обеих обмотках, то магнитодвижущая сила якоря влияет на магнитное поле полюсов и создает результирующее поле, которое отличается от поля, созданного обмоткой возбуждения. Это явление называют реакцией якоря.

Реакция якоря немного уменьшает магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, и увеличивает искрение под щетками. Для устранения искажения магнитного поля под полюсами в машинах средней и большой мощности применяют компенсационную обмотку, которую размещают в пазах, отштампованных в полюсных наконечниках и включают последовательно с обмоткой якоря. Компенсационная обмотка значительно усложняет машину и делает ее более дорогой, поэтому ее применяют относительно редко. Для устранения искрения под щетками в машинах постоянного тока мощностью большее 0,3 кВт применяют дополнительные полюса, которые устанавливают на геометрической нейтрали машины. Геометрическая нейтраль − линия, которая проходит через точки обхода якоря, расположенные посредине между соседними полюсами машины. Обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. Благодаря их действию поток от главного магнитного поля, сцепленный с секциями, которые замыкают на – коротко щетки, равняется нулю.

Под коммутацией машины постоянного тока понимают совокупность явлений и процессов, которые происходят под щеткой и в секции, которая замыкается накоротко при переходе из одной параллельной ветви к другой. Учитывая обеспечение удовлетворительной коммутации кратковременное превышение тока якоря его номинальной величины не должно быть большей 2÷2,5.

По способам включения обмоток возбуждения по отношению к обмотке якоря машины постоянного тока разделяют на машины не– зависимого возбуждения, параллельного возбуждения, последовательного и смешанного возбуждения. Номинальный ток обмотки параллельного (не зависимого) возбуждения в машинах средней мощности обычно составляет до 5% от номинального тока обмотки якоря.

Зависимость ЭДС обмотки якоря генератора постоянного тока от тока возбуждения при отсутствии нагрузки (І_Я = 0) и постоянной частоте вращения якоря называют характеристикой холостого хода. Ее вид является подобным характеристике намагничивания ферромагнитного материала магнитопровода машины. Наличие гистерезисных явлений в магнитопроводе разрешает получить эффект самовозбуждения в генераторе параллельного возбуждения.

Зависимость напряжения на выводах якорной обмотки от тока нагрузки U=U(І) при постоянной частоте вращения и неизменном значении тока возбуждения для генератора независимого возбуждения, или неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения для генератора параллельного возбуждения называют внешней характеристикой генератора постоянного тока. Напряжение U при увеличении тока І от холостого хода до номинального режима уменьшается вследствие возрастания падения напряжения на сопротивлении якоря и уменьшения ЭДС Е, обусловленного размагничивающим действием реакции якоря, для генераторов независимого возбуждения на 5 − 15%. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения имеет больший наклон к оси абсцисс, чем характеристика генератора не зависимого возбуждения, поскольку с уменьшением напряжения якоря при параллельном возбуждении одновременно уменьшается и ток возбуждения машины, который приводит к уменьшению ЭДС якоря.

В генераторах смешанного возбуждения в зависимости от величины магнитного потока, создаваемого сериесной обмоткой и направленного согласованно с магнитным потоком шунтовой обмотки, можно обеспечить равенство напряжений холостого хода и напряжения при номинальном токе нагрузки или даже немного увеличить напряжение генератора с целью компенсации падения напряжения в линии электропередачи.

В момент пуска двигателя постоянного тока угловая скорость и ЭДС якоря равны нулю, поэтому пусковой ток равняется и намного превышает номинальный. Учитывая сохранение рабочих свойств щеточно-коллекторного узла ток якоря не должен превышать номинальный большее чем в 2÷2,5 раза. Поэтому безреостатные пуски двигателей на практике применяют лишь для микродвигателей, а во всех других случаях ограничивают величину пускового тока реостатом, которые включают последовательно с якорем двигателя.

Пуск двигателя последовательного возбуждения можно осуществлять только при наличии момента сопротивления на его вале, поскольку угловая скорость такого двигателя при холостом ходе может быть намного больше номинальной. При таких скоростях большие центробежные силы могут механически повредить обмотку якоря и коллектор. И в добавок при больших скоростях вращения значительно усложняются условия коммутации. Все это может вывести машину из строя.

Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость угловой скорости вращения якоря Ω от электромагнитного момента якоря М или от момента на валу двигателя M₂ при неизменном напряжении питания U = const и неизменных сопротивлениях в цепях якоря и возбуждения. Если принять, что магнитный поток Ф двигателей независимого и параллельного возбуждения не изменяется при разных значениях электромагнитного момента М, то уравнение механической характеристики для электромагнитного момента является уравнением прямой линии, которая не проходит через начало координат

.

Регулировать угловую скорость двигателей постоянного тока можно: введением дополнительного сопротивления последовательно с обмоткой якоря; изменением напряжения на якоре и уменьшением магнитного потока путем уменьшения тока возбуждения. При реостатном регулировании изменяется наклон механической характеристики. При изменении напряжения на якоре механическая характеристика смещается параллельно самой себе пропорционально изменению напряжения. При уменьшении магнитного потока возрастает скорость холостого хода двигателя и уменьшается пусковой момент, который разрешает увеличить угловую скорость двигателя в зоне рабочих нагрузок.

В зависимости от направлений электромагнитного момента двигателя и момента соединенного с ним механизма и их соотношения двигатель может работать в двигательном режиме, генераторном режиме и режиме противключения.

Естественная механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения имеет гиперболический характер. Увеличивая сопротивление реостата, включенного якорную цепь двигателя, можно получить реостатные механические характеристики, которые в нижней своей части имеют почти прямолинейный характер. Механические характеристики двигателей последовательного возбуждения обеспечивают заметно большее уменьшение скорости, а, таким образом, и мощности двигателя при увеличении момента сопротивления. Такие характеристики удобны для транспортных электроприводов, поэтому именно двигатели последовательного возбуждения широко используют в электротранспорте.

Мощность Р₁, потребляемая двигателем из сети, распределяется между цепью якоря (мощность Р_Я) и цепью возбуждения (мощность Р_В). Мощность в цепи возбуждения обычно составляет 3÷5% от мощности Р₁. Часть мощности Р_Я расходуется на нагрев обмотки якоря и на электрические потери в щетках ∆Р_Щ. Последними в многих случаях можно пренебречь. Мощность, которая осталась, составляет механическую мощность якоря Р_МЕХ, которая равняется произведению электромагнитного момента якоря на его угловую скорость. Мощность на валу двигателя Р₂ меньше механической мощности Р_МЕХ на величину потерь в стали якоря ∆Р_С и механических потерь ∆Р_МЕХ.

Для оценки свойств двигателей широко используют их рабочие характеристики, которые представляют собой зависимости потребляемой мощности Р₁, тока якоря І_Я, угловой скорости Ω или частоты вращения п, электромагнитного момента М или момента на валу двигателя М₂, КПД η от мощности на валу Р₂ при неизменном напряжении на якоре U = const и неизменном токе в параллельной (независимой) обмотке возбуждения. Реостат в якорной цепи при снятии рабочих характеристик отсутствует.

Коллекторные двигатели являются попыткой использования двигателей постоянного тока в цепях переменного тока с целью получения двигателя, скорость которого можно было бы регулировать также, как и двигателя постоянного тока. Но коллекторный двигатель переменного тока выглядит значительно более сложными и более дорогим, чем обычный двигатель постоянного тока. Разновидностью коллекторного двигателя является универсальный коллекторный двигатель, который может работать в цепях как переменного, так и постоянного тока с приблизительно одинаковыми характеристиками.

Микродвигатели постоянного тока конструктивно отличаются от двигателей средней и большой мощности отсутствием дополнительных полюсов и компенсационных обмоток. По способу возбуждения микродвигатели постоянного тока изготовляют с параллельным, независимым, последовательным возбуждением (электромагнитное возбуждение) и с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрическое возбуждение). Микродвигатели постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения имеют те же самые механические характеристики, что и обычные двигатели. Но благодаря тому, что обмотку якоря микродвигателей изготавливают из провода малого сечения, омическое сопротивление их обмоток якоря относительно большое и кратность пусковых токов значительно меньше, чем у двигателей средней и большой мощности.

Бесконтактные микродвигатели вместо щеточно-коллекторного узла имеют полупроводниковый коммутатор. В отличие от обычных двигателей постоянного тока бесконтактные двигатели выполняют поворотными. Выполненный из постоянных магнитов ротор создает магнитное поле, а обмотку якоря располагают в пазах шихтового статора. Как и обычная якорная обмотка, эта обмотка состоит из отдельных секций, концы которых подведены к электронному коммутатору. По сигналам переключателя положение ротора электронные ключи коммутатора осуществляют переключение секций обмотки якоря с одной параллельной ветви на другую, то есть выполняют функции механического коллектора, но без скользящего контакта.