3.9 Эдс якоря и электромагнитный момент

3.9.1 Значение ЭДС одного витка обмотки может быть найдено из закона электромагнитной индукции в формулировке Максвелла:

,

п оскольку w=1 (речь идет о витке, а не о катушке), то , где Ф – поток вектора магнитной индукции, пронизывающий виток.

На рисунке показана кривая радиальной составляющей индукции в зазоре, усредненная в пределах зубцовых делений.

В исходном положении (положения проводников витка обозначены цифрами 1, 2) оси пазов, в которых лежит виток, имеют координаты х₁ и х₂. В этом положении потокосцепление витка

.

После перемещения за время dt на малое расстояние dx=υ·dt виток займет положение 1', 2'. Здесь потокосцепление витка

,

где - изменение потока через виток за счет перемещения паза 1;

- изменение потока через виток за счет перемещения паза 2.

Тогда изменение потокосцепления витка за время dt

Подставим ( ) в ( ), получим:

(ЭДС левой активной стороны витка минус ЭДС правой активной стороны витка), причем ЭДС сторон витков (проводников обмотки) определены в формулировке Фарадея.

Из последнего соотношения видно, что при определении ЭДС в проводниках обмотки якоря, несмотря на отсутствие потока магнитной индукции Ф_δ в пазах якоря, где они расположены в реальной ЭМ=Т, можно пользоваться законом электромагнитной индукции, выраженным М. Фарадеем (см. п. 1.2, е).

3.9.2. ЭДС параллельной ветви обмотки якоря. Мгновенное значение ЭДС, индуктируемой в каждом проводнике обмотки якоря,

где B_x – индукция в точке воздушного зазора, где находится провод ник;

v – окружная скорость якоря;

l_a– активная длина проводника (ротора ЭМ=Т).

Пусть общее число активных проводников обмотки якоря равно N. Если 2а – число параллельных ветвей обмотки, то в одну параллельную ветвь, напряжение на которой равно Е_а , входит N/2a проводников. Тогда

.

При большом количестве коллекторных пластин N можно считать, что каждый из проводников обмотки находится в зоне, где действует среднее значение индукции В_ср (в пределах ширины полюсного деления τ), тогда

,

где - среднее значение индукции в пределах полюсного деления τ.

Основной поток машины ,

поэтому .

Линейная скорость активного проводника , где Д_а - диаметр окружности якоря, на которой расположены проводники обмотки; очевидно, что , следовательно, .

Подстановка полученного выражения в соотношение для ЭДС якоря дает

.

После подстановки получим окончательное выражение

,

которое означает, что ЭДС электромагнитной индукции ЭМ=Т определяется только скоростью вращения ее вала и значением основного потока полюсов (с_Е – постоянная величина для данной машины) и не зависит от формы кривой распределения индукции в зазоре.

Это - среднее значение ЭДС. В действительности величина её колеблется (пульсирует) между Е_амакс и Е_амин, поскольку при вращении якоря часть витков, будучи замкнуты накоротко щетками, исключаются из параллельных ветвей. Размах пульсаций напряжения на зажимах ЭМ=Т ΔЕ (от Е_макс до E_мин) зависит от количества коллекторных пластин k (при 10 пластинах ΔЕ составляет около 2,5 %).

3.9.3 Электромагнитный момент ЭМ=Т

На каждый проводник с током действует электромагнитная сила (см. п. 1.2, ж) и 3.9.1). Здесь l - активная длина проводника. Если N проводников обмотки разбиты на 2а параллельных ветвей, то в каждом проводнике течет ток . Тогда общая сила, действующая на якорь с закрепленными на нем проводниками,

,

а электромагнитный момент, созданный взаимодействием тока якоря и потока возбуждения машины

Подставляя в это выражение значение (см. предыдущий материал), получим

.

Учитывая, что (см. выше), приходим к окончательному выражению электромагнитного момента ЭМ=Т:

.

Из полученного соотношения следует, что величина электромагнитного момента, развиваемого машиной постоянного тока, определяется только током обмотки якоря этой машины и потоком магнитной индукции ее полюсов (с_М – константа для конкретной машины).

3.10 Машины постоянного тока при нагрузке

3.10.1 Реакция якоря. Холостой ход ЭМ=Т – это режим, при котором в обмотке ее якоря не протекает ток (будь то генератор или двигатель). Картина магнитного поля на холостом ходу в машине показана на рисунке ,а). Магнитный поток Ф_δ создается только намагничивающей силой полюсов (МДС) F_δ. При симметричной конструкции машины поток Ф_δ распределяется симметрично относительно оси главных полюсов (эту ось машины называют продольной осью машины и обозначают d - d^').

При работе ЭМ=Т под нагрузкой (генератор отдает электрическую мощность, а двигатель – механическую) по ее якорной обмотке протекает ток, вследствие чего возникает МДС якоря (см. п. 1.2, д)). Картина создаваемого током якоря магнитного поля при отсутствии потока полюсов Ф_δ и при установке щеток на геометрической нейтрали машины показана на рисунке ,б). Ось этого поля (поля якоря) направлена по поперечной оси машины, на которой установлены щетки (ось эта обозначается q –q^' ) . Магнитный поток Ф_aq, созданный МДC якоря F_aq , в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины q –q^', поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

Поля якоря Ф_aq и индуктора Ф_δ, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого показан на рисунке . Воздействие МДС якоря на магнитное поле ЭМ называют реакцией якоря. Развиваемый в машине электромагнитный момент М_эм иногда трактуют как взаимодействие полюсов поля возбуждения N-S и полюсов якоря N_a-S_a.

Направления токов в проводниках обмотки якоря и полярность его "полюсов" на рисунке соответствуют случаю, когда в режиме Г якорь вращается по часовой стрелке, а в режиме Д - против.

Результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев главных полюсов. Поэтому физическая нейтраль (линия, соединяющая точки якоря, в которых индукция В=0), смещается относительно геометрической нейтрали q –q^' на некоторый угол β (ось 2 - 2 на рисунке .

3.10.2 Распределение индукции в зазоре

Для построения кривой В_рез=f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря применим метод суперпозиции (считая магнитную цепь машины ненасыщенной и, следовательно, линейной).

На рисунке представлены кривые, иллюстрирующие распределение МДС F_aq и F_δ, а также индукции B_δ (кривая 2), B_aq (кривая 1) и В_рез (кривая 3), полученная алгебраическим сложением ординат кривых B_δ и B_aq. Очевидно, что под краями полюсов наблюдается рост индукции.

Если учесть, что магнитная цепь машины работает в режиме "полунасыщения" (см. подразд. 3.7), то рост магнитной индукции (а, следовательно, и потока Ф_δ) окажется меньше, чем показано на рисунке , и в итоге распределение индукции будет соответствовать кривой 4.

Таким образом, наличие реакции якоря приводит к ряду негативных последствий: физическая нейтраль машины смещается относительно геометрической; искажается кривая распределения индукции в зазоре; результирующий поток Ф_δ в электрической машине снижается (а ведь его величина, как следует из соотношений п. 3.9,2 и 3.9.3, определяет эффективность работы ЭМ=Т как в режиме генератора, так и двигателя).

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали (q –q^') окружность якоря можно разбить на 4 зоны (рисунок ). Из рисунка видно, что при повороте щеток ЭМ=Т по направлению вращения возникает продольная реакция якоря Ф_ad, вызывающая уменьшение потока полюсов по продольной оси (размагничивание машины).

Поперечная реакция якоря (F_aq) создает поток Ф_aq так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали (поперечной оси машины q –q^').

3.10.3 Напряжение между коллекторными пластинами

В режиме холостого хода (ХХ) (см. рисунок ) напряжение между соседними коллекторными пластинами, к которым подведены выводы одной секции (от двух проводников или сторон этой секции, расположенных в противоположных пазах якоря, в зоне нахождения которых индукция равна В_пр) коллекторной обмотки,

,

где Е_с - ЭДС секции обмотки якоря;

w_c – число витков этой секции.

Из-за реакции якоря, возникающей при работе ЭМ с нагрузкой, под одним из краев полюса индукция В_пр возрастает до В_{δ макс} (см. п. 3.10.2) , соответственно возрастает и напряжение u_к до величины u_кмакс. Предельное значение u_кмакс ограничивается опасностью возникновения электрической дуги между соседними пластинами. Обычно для ЭМ=Т u_кмакс не превышает 30 - 50 В.

Вследствие перегрузки машины (резкое повышение тока якоря I_a) возрастает реакция якоря, что может увеличить . Негативным следствием этого является электрический пробой между соседними коллекторными пластинами, искрение на коллекторе и в особо тяжелом случае – круговой огонь на коллекторе).

Для борьбы с искажениями поля и ростом напряжения между коллекторными пластинами применяется компенсационная обмотка (КО) на главных полюсах ЭМ. Она размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках основных полюсов. Электрически она включается последовательно с обмоткой якоря и создает МДС F_к, направленную встречно МДС реакции якоря F_aq и компенсирующую ее при всех значениях тока якоря (I_к=I_a).

Кроме того, иногда используется конструкция полюсов с увеличенным зазором δ, что снижает максимальное значение индукции ( ), но этот способ требует увеличения МДС F_в.

Применяется также конфигурация полюсных наконечников, формирующая зазор δ, минимальный под серединой полюса и увеличивающийся к краям. При этом магнитное сопротивление зазора для основного потока главных полюсов увеличивается меньше, чем для потока поперечной реакции якоря.

3.10.4 Коммутация

Коммутация – это процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви обмотки в другую. В более широком смысле коммутация – это все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Во время коммутации некоторые секции обмотки замыкаются щетками накоротко.

Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки, т.е. под тем ее краем, из-под которого пластины коллектора выходят при его вращении.

Причины искрения: а) механические; б) электромагнитные. К механическим причинам относятся следующие:

- неровность поверхности коллектора;

- плохая пришлифовка щеток к коллектору;

- биение коллектора;

- заедание щеток в щеткодержателях.

Электромагнитные причины связаны с протеканием электромагнитных процессов в коммутируемых секциях. Даже при идеальном в механическом смысле состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи с током и возникает электрическая дуга, повреждающая щетку и коллекторные пластины.

Время, в течение которого секция оказывается замкнутой щеткой накоротко, называется периодом коммутации

,

где b_щ – ширина щетки, v_к – окружная скорость коллектора.

Величина Т_к обычно весьма мала и составляет порядка 10^-3 - 10^-4 с. Но за это время коммутируемая секция переходит из одной параллельной ветви якорной обмотки в другую, и ток в ней (I_c) меняется от до . Поэтому производная

очень велика, и в секции возникает большая ЭДС самоиндукции (реактивная, трансформаторная ЭДС) е_р (см. подраздел 1.2):

,

причем направление ее по правилу Ленца таково, что препятствует изменению тока I_c). Часто в ЭМ=Т ширина щетки b_щ превышает ширину коллекторных пластин b_к, поэтому в таких машинах одновременно коммутируются несколько секций, т. е. в них изменяются токи. Из-за наличия взаимоиндуктивных связей этих катушек между собой в одновременно коммутируемых секциях появляются дополнительные, тоже реактивные ЭДС

.

В дальнейшем будем обозначать сумму этих реактивных ЭДС как е_р.

Помимо е_р в коммутируемой секции индуцируется и ЭДС вращения, коммутационная ЭДС (см. подраздел 1.2), создаваемая внешним по отношению к этой секции магнитным полем, , где В_к - индукция в воздушном зазоре в зонах, где перемещаются проводники коммутируемой секции. Индукция В_к создается суммарным полем МДС главных полюсов и МДС реакции якоря и может иметь (+) и (-) значения (см. рисунок ).

3.10.5 Изменение тока в коммутируемой секции

Рассмотрим процесс изменения тока в секции в период коммутации. Выделим в этом периоде 4 момента времени (см. рисунок ).

i_c

i_c

i_c

i_c

Таким образом, в конце периода коммутации Т_к ток в секции изменяет направление на противоположное.

Для контура коммутируемой секции можно записать уравнение

,

в котором R_с, R₁, и R₂ – сопротивления самой секции (оно обычно достаточно мало) и контактов между щеткой и соответствующими коллекторными пластинами. Это нелинейное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами, но для качественного анализа достаточно рассмотреть его упрощенную линейную версию.

При равенстве нулю суммарной ЭДС в коммутируемой секции, т.е. при (е_р направлена встречно е_к и компенсирует ее) коммутация – идеальная прямолинейная (рисунок , отрезок 2). При этом выход коллекторной пластины из-под щетки происходит без разрыва тока I_c, что является условием безыскровой коммутацией. Такая коммутация называется идеальной.

При направлении е_к, совпадающем с е_р, или встречном, но с условием |е_р|>|е_к|, то согласно правилу Ленца е_р (или е_р+ е_к) препятствует изменению тока секции, и тогда коммутации называется замедленной (отрезок 2). Если коммутационная ЭДС е_к направлена встречно е_р и превосходит её (|е_к|>|е_р|), то коммутация называется ускоренной (отрезок 3).

В обоих последних случаях в момент времени Т_к ток , и сбегающий край щетки разрывает остаточный ток . Поэтому в этих случаях будет наблюдаться искрение под щетками.

В действительности процесс изменения тока не является прямолинейным ( R_щ, В_к нелинейны). Поэтому зависимость может при различной настройке коммутации выглядеть так, как показано на рис .

3.10.6 Способы улучшения коммутации

Существуют три основные способа, применяемых в ЭМ=Т. Первый из них - применение добавочных полюсов (ДП), с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле В_к, индуцирующее коммутационную ЭДС е_к требуемой величины (т.е. такой, при которой е_к+е_р=0)

Намагничивающая сила ДП должна быть направлена против МДС реакции якоря F_aq, чтобы скомпенсировать её и еще создать сверх того коммутирующее поле В_к для компенсации реактивной ЭДС е_р.

ДП устанавливают между главными полюсами машины. Обмотку ДП включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему ДП выполняют ненасыщенной. Поэтому ~ (знак "~" означает пропорциональность), а поскольку тоже ~ , то выполнение условия при изменении нагрузки и скорости вращения достигается автоматически.

При наличии компенсационной обмотки (см. п. 3.10.3) (КО) требуемая МДС обмотки ДП резко уменьшается, т.к. реакция якоря (РЯ) уже скомпенсирована. Сердечники ДП обычно изготавливают массивными (не шихтованными).

Другой способ улучшения коммутации - сдвиг щеток за физическую нейтраль, т.е. в зону, где индукция в зазоре δ имеет требуемое направление (см. п. 3.10.2, рисунок ). Это позволяет скомпенсировать реактивную ЭДС только для одного направления вращения и для одной нагрузки ( ).

Третий способ - снижение величины ; поскольку , то необходимо уменьшать индуктивность секции L_с. Очевидно, что для этого нужно использовать секции с минимальным числом витков w_c и располагать обмотки якоря в неглубоких пазах.

Поскольку зависимость сопротивления щеточного контакта R_щ=f(I_a) – нелинейная функция, вид которой зависит от материала щеток, возможно улучшение коммутации за счет оптимального выбора материала щеток.

3.10.7 Радиопомехи, вызванные коммутацией

Источниками радиопомех при работе ЭМ=Т являются:

- искрение на коллекторе при коммутации коллекторных машин;

- пульсации выпрямленного напряжения на выводах (щетках) машины.

Частота возникающих при этом электромагнитных колебаний – от единиц до нескольких десятков кГц (в зависимости от скорости вращения и числе коллекторных пластин).

Для борьбы с радиопомехами применяют:

- электромагнитное экранирование машины;

- электрические фильтры нижних частот в цепи якоря (С, LC);

- симметрирование обмоток, включенных в цепь якоря (ОВ, КО, ОДП).

3.10.8 Условные графические обозначения элементов ЭМ=Т в принципиальных электрических схемах

- якорь машины постоянного тока и щетки;

- обмотка независимого или параллельного возбуждения;

- обмотка последовательного возбуждения;

- компенсационная обмотка ;

- обмотка добавочных полюсов;

- полюсы в виде постоянных магнитов.

Внутри обозначения обмотки якоря допускается проставлять буквы G для генератора или М для двигателя.

4 Генераторы постоянного тока

4.1 Общие сведения

В промышленности применяют обычно переменный ток. Однако генераторы постоянного тока (Г=Т) также широко применяются в различных промышленностях, транспортных и других установках:

- для питания электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости вращения;

- для питания бортовой сети автономных транспортных средств (самолеты, суда, космические объекты и т.п.);

- в качестве усилителей и датчиков автоматических систем управления.

Классификация Г=Т – проводится по способу создания основного потока машины – потока возбуждения Ф_δ:

- независимого возбуждения (ГНВ);

- Г=Т с самовозбуждением.

ГНВ подразделяются, в свою очередь, на генераторы с электромагнитным возбуждением, при этом обмотки возбуждения (ОВ) их полюсов питаются постоянным током от постороннего источника (аккумулятора, вспомогательного Г=Т); и на генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением, в которых для создания основного потока машины применяются полюсы в виде постоянных магнитов. Недостаток таких Г - сложность регулирования потока возбуждения Ф_δ.

В генераторах с самовозбуждением ОВ питаются электрической энергией, вырабатываемой самим генератором. В зависимости от способа включения ОВ такие генераторы подразделяются на 3 вида:

- Г параллельного возбуждения (шунтовые), будем обозначать их Г||В;

- Г последовательного возбуждения (сериесные), ГПВ;

- Г смешанного возбуждения (компаундные), ГСВ.

Иногда используются ГСВ, в которых добавлена третья обмотка независимого возбуждения.

Свойства Г=Т анализируются с помощью характеристик, устанавливающих зависимости между основными величинами, определяющими работу генератора : U – напряжение на зажимах Г, I_a(I_н) – ток якоря Г (ток, отдаваемый Г в нагрузку), I_в - ток, протекающий в обмотке возбуждения Г и создающий основной поток Ф_δ, n –скорость вращения вала Г (обычно генераторы работают с постоянной скоростью, т.е. n=const). Полную картину свойств Г=Т дают 4 вида характеристик: 1) ХХХ – характеристика холостого хода; 2) ВХ - внешняя характеристика; 3) РХ – регулировочная и 4) НХ - нагрузочная.

4.2 Генератор с независимым возбуждением (ГНВ)

4.2.1 Схема включения

В генераторе этого типа ОВ питается от отдельного источника (см. рисунок , и ток возбуждения I_в не зависит (в этом и состоит независимость) от тока якоря I_a (I_a=I_н).

Величина тока I_в определяется только напряжением U_в, приложенным к ОВ, и сопротивлением регулировочного реостата R_рв (резистор регулировки тока обмотки возбуждения), включенного последовательно с ОВ с целью регулировки тока I_в. Очевидно, что

.

Обычно , где I_{a ном} – номинальный ток якоря Г, указанный в ее паспорте.

4.2.2 Характеристика ХХ.

ХХХ - это зависимость

.

В режиме ХХ , , намагничивающая сила обмотки возбуждения ОВ .

При I_в=0 в обмотке якоря потоком оставшейся намагниченности полюсов индуктируется остаточная ЭДС (2-4% U_ном).

4.2.3 Внешняя характеристика

ВХ – это зависимость

.

При

,

г де ; R_a - сопротивление якорной обмотки Г; R_доб – сопротивление включенной последовательно с якорем (см. п. ) обмотки добавочных полюсов; R_ко – сопротивление компенсационной обмотки (см. п. ); R_щ - сопротивление контакта щетка-коллектор. На рисунке I_к – ток короткого замыкания, он может быть очень велик, что чревато.

Имеются две причины уменьшения напря-жения генератора U при увеличении тока нагрузки I_н:

- падение напряжения на сопротивлении якорной цепи R_a;

- уменьшение ЭДС якоря Е из-за влияния поперечной РЯ, уменьшающей основной поток Г.

4.2.4. Регулировочная характеристика (РХ)

РХ - это зависимость I_в = f (I_н) при n = const, U = const. Она показывает, как следует изменять I_в, чтобы поддерживать неизменным напряжение на зажимах Г при изменении нагрузки. Понятно, что с ростом I_м нужно повышать I_в для компенсации эффектов, указанных в п. 4.2.3 (см. рис. ).

4.2.5 Нагрузочная характеристика (НХ)

НХ (кривая 1 на рисунке ) - это зависимость U = f(I_в) при n = const, I_н = const. XXX – частный случай НХ (2). Разность ординат характеристик (1) и (2) вызвана размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения на Ra.

Достоинства ГНВ – возможность регулирования напряжения в широких пределах путем изменения тока в обмотке возбуждения I_в и сравнительно малое изменение напряжения под нагрузкой. Недостатком можно считать потребность в отдельном источнике питания ОВ.

Генераторы с возбуждением, создаваемым постоянными магнитами, имеют только внешнюю характеристику, аналогичную ВХ ГНВ и используются, в основном, при изменяющейся скорости вращения n – например, как тахогенераторы (ТГ).

4.3 Генератор с параллельным возбуждением (Г||В)

4.3.1 Схема включения.

Здесь ОВ подключена параллельно якорю, а также нагрузке (рисунок ). При этом она получает питание непосредственно от якорной обмотки Г, т.е. в Г||В реализуется принцип самовозбуждения.

При вращении якоря поток остаточной намагниченности полюсов Ф_ост наводит в обмотках якоря небольшую ЭДС Е_ост, что вызывает появление тока I_в в ОВ. Этот ток создает намагничивающую силу возбуждения и добавочный поток полюсов Ф_в. В зависимости от направления тока I_в и направления вращения якоря поток Ф_в может либо складываться с Ф_ост, увеличивая его, либо вычитаться, уменьшая результирующий поток возбуждения Г. В первом случае процесс увеличения ЭДС и, соответственно, потока Ф_в, развивается лавинообразно, и рост Ф_в ограничивается только нелинейностью кривой намагничивания машины (насыщением). Этот процесс графически изображен на рисунке (для режима холостого хода ХХ генератора).

Здесь R_в = R_ов + R_рв. Прямые 1 - 4 – зависимость U_в от R_в при четырех значениях R_в. При параллельном соединении ОВ и ОЯ установившийся режим Г определяется точкой пересечения ХХХ и прямой U_в = I_в · R_в. (точка С).

С увеличением R_в (за счет увеличения R_рв) напряжение U = E = U_в уменьшается, и при некотором значении R_в самовозбуждение генератора становится невозможным (R_вз = R_вкр , прямая 3).

4.3.2 Характеристика ХХ

Как определено выше, ХХХ – это зависимость U = f(I_в) при I_a=I_н = 0, n = const. Она может быть снята путем изменения R_pв, при этом будет изменяться I_в. Поскольку ток I_в << I_a, то Е ≈ U, и кривая ХХ выглядит так же, как и у ГНВ.

4.3.3 Внешняя характеристика (ВХ)

Зависимость U = f(I_н) при n = const, R_в = const для Г||В приведена на рисунке . При уменьшении R_н возрастает ток I_н. При этом напряжение U снижается по отношению к U_хх в силу тех же причин, что и в ГНВ (I_aR_a, РЯ). Однако в Г||В есть еще и третья причина падения напряжения – это уменьшение тока I_в из-за падения U. В результате ВХ падает круче, нежели у ГНВ.

При дальнейшем возрастании тока нагрузки I_н (экспериментально это достигается уменьшением R_н) напряжение U снижается, ток I_в также уменьшается, следовательно, падает и поток Ф_в, магнитная цепь машины становится менее насыщенной, и малые уменьшения I_в будут вызывать все большие уменьшения Ф_в (см. магнитную характеристику машины). Поэтому, начиная с точки А, дальнейшее снижение R_н не только не вызывает роста тока I_н, а наоборот, приводит к уменьшению этого тока, так как U падает быстрее R_н.

Работа Г на участке А-Б неустойчива. Несмотря на малое значение тока короткого замыкания, резкий переход в режим КЗ для этого генератора опасен из-за того, что поток Ф_в не может мгновенно упасть до нуля из-за ЭДС самоиндукции в ОВ.

4.3.4 Регулировочная и нагрузочная характеристики

Они практически совпадают с аналогичными характеристиками ГНВ.

К достоинствам Г||В относится отсутствие внешнего источника для питания обмотки возбуждения, поэтому большинство Г=Т имеют параллельную ОВ. Недостаток Г||В – он имеет более круто падающую внешнюю характеристику по сравнению с ГНВ.

4.4 Г последовательного В (ГПВ)

Схема включения такого генератора приведена на рисунке . Здесь I_в = I_а = I_н. При n = const имеется только 2 независимые переменные - U и I_н, поэтому такой Г имеет только одну – внешнюю – характеристику U = f(I_н) при n = const (рисунок ).

При увеличении тока нагрузки I_н возрастает поток Ф_δ и ЭДС Е, поэтому напряжение на зажимах Г U = Е - I_аR_a сначала растет линейно, а при достижении насыщения рост U замедляется. Затем, после достижения критического значения тока I_кр, рост Е замедляется настолько, что не может скомпенсировать рост I_аR_a.

Из-за того, что U сильно изменяется при изменении нагрузки, ГПВ практически не применяются (только в специальных установках).

4.5 Г со смешанным возбуждением (ГСВ)

В ГСВ (см. рисунок ) имеются две ОВ: основная ОВ1 (параллельная) и вспомогательная ОВ2 (последовательная). При согласном включении обмоток можно получить практически неизменное напряжение U при изменении нагрузки.

Внешняя характеристика ГСВ (рисунок ) может быть представлена как сумма характеристик Г||В и ГПВ. Кривая 1 – ВХ Г||В ; 2 – ГПВ; 3 – результирующая характеристика при оптимальном соотношении витков ОВ1 и ОВ2; 4 – перекомпенсация (МДС ОВ2 больше МДС ОВ1); 5 – встречное включение ОВ1 и ОВ2 (вычитание их МДС). Это включение используют в электромашинных сварочных агрегатах, где требуется ограничивать ток К3.

4.6 Тахогенератор постоянного тока (Тг=Т)

Тг – это электрическая микромашина (до 600 Вт), работающая в генераторном режиме и служащая для преобразования скорости вращения в пропорциональный электрический сигнал. Основное назначение Тг в САУ – служить датчиком механической скорости вращения валов (производной угла их поворота).

Уравнение преобразования Тг:

U_тг=k_тг ·ω = k_тг·dΘ/dt,

где Θ – угол поворота ротора.

Тг=Т по способу создания потока возбуждения бывают:

- с электромагнитным возбуждением, т.е. с катушками возбуждения на статоре, причем только с независимым возбуждением (попытайтесь самостоятельно найти причину этого);

- с магнитоэлектрическим В, т.е. с возбуждением от постоянных магнитов.

К Тг, как элементу САУ, во многом определяющему ее точность и быстродействие, предъявляются следующие основные требования:

- минимальная амплитудная погрешность (минимальное отклонение характеристики преобразования, т.е. зависимости U = f(ω), от линейной);

- малый механический момент инерции якоря (малая механическая инерционность);

- малая электромагнитная постоянная времени (малая электрическая инерционность).

При неизменном потоке возбуждения Ф_δ уравнение Тг на ХХ представляет собой соотношение для Е обычного Г=Т: Е = c_ЕnФ_δ. Выходное напряжение Тг=Т U = E - I_аR_a = Е – , отсюда .

Отклонение от линейности характеристики преобразования (рисунок , пунктирные кривые) может возникать по двум причинам: из-за ослабления потока Ф_δ, вызванного РЯ и изменения сопротивления щеточного контакта R_щ, которое в принципе нелинейно зависит от тока (следствием нелинейности R_щ является и то, что характеристика преобразования начинается не из нуля координатных осей).

У Тг с электромагнитным возбуждением возможна температурная погрешность: рост температуры приводит к росту R _ов, и при постоянном U_в - к снижению I_в и, следовательно, Ф_δ.

Возможна также асимметрия выходного напряжения при изменении направления вращения, обусловленная технологической неточностью установки щеток на геометрической нейтрали Тг.

Основными преимуществами Тг=Т перед Тг~Т являются высокая линейность характеристики, а также отсутствие влияния характера нагрузки (индуктивная, емкостная) на выходное напряжение.

4.7 Электромашинный усилитель постоянного тока (ЭМУ)

4.7.1 ЭМУ продольного поля

Это электрический генератор, выходная мощность которого может изменяться в широких пределах вследствие изменения мощности управления (прототип электронного усилителя мощности). Отношение выходной мощности к мощности управления называется коэффициентом усиления по мощности К_р:

К_р = (U_а·I_а )/(I_у²R_у).

Простейший ЭМУ – это Г=Т с НВ, у которого мощность, подаваемая в ОВ (обмотку управления), во много раз меньше мощности, получаемой на выходе от обмотки якоря. Такой ЭМУ позволяет получить значения К_р  50  100. Коэффициент усиления по мощности прямо пропорционален ω², 1/R_м и обратно пропорционален R_у, R_я, R_н.

Возможно использование в качестве ЭМУ ГПВ и Г||В. Такие ЭМУ используются обычно в системах «генератор-двигатель», где требуется изменять скорость вращения двигателя в широких пределах.

Для увеличения К_р применяют многоступенчатые ЭМУ, когда один ЭМУ является возбудителем второго. В этом случае, при двух ступенях усиления, К_р = К_р1·К_р2.

Рассмотренные ЭМУ используют, как и все ранее рассмотренные ЭМ=Т, в качестве основного потока возбуждения продольный магнитный поток, направленный вдоль осей полюсов возбуждения.

4.7.2 ЭМУ поперечного поля

В этих ЭМУ основным потоком возбуждения является поперечный поток РЯ. Схема такого ЭМУ приведена на рисунке . В такой машине обычно используются 2 - 4 обмотки управления (ОУ) для организации одновременно с функцией усиления также функций суммирования и вычитания сигналов, для введения ОС и т.п.

Якорь ЭМУ приводится во вращение от постороннего (обычно – асинхронного) двигателя с постоянной скоростью (n = const). Он устроен так же, как и в обычной М = Т.

На коллекторе установлены два комплекта щеток: по поперечной (q – q^') и продольной (d –d^') осям. Щетки, установленные по оси q – q^', замыкаются накоротко (иногда между ними включается обмотка поперечного подмагничивания ПО).

При подаче управляющего сигнала U_у на одну из ОУ по ней протекает ток I_у, который создает в магнитной цепи машины небольшой продольный поток Ф_у. Этот поток индуктирует во вращающейся обмотке якоря ЭДС Е_q (снимаемую с поперечных щеток, как и у обычного Г=Т). Величина этой ЭДС Е_q=с_Е n Ф_у. Поскольку щетки q – q^' замкнуты накоротко, ток в обмотке якоря достигает значительной величины (I_q = E_q/R_a, а R_a мало).

Большой ток якоря I_q вызывает появление поперечного потока (потока реакции якоря) Ф_аq, во много раз большего, чем поток Ф_у. В свою очередь, поток Ф_аq индуктирует в обмотке якоря ЭДС, которую можно снять с продольных щеток (d – d^'), E_d = с_ЕnФ_аd, и при подключенной в цепь этих щеток нагрузке R_н потечет ток I_d = I_н.

МДС якоря F_аd, создаваемая током I_d, направлена встречно МДС F_у, поэтому продольный поток Ф_аd будет размагничивать машину. Для компенсации МДС F_аd на статоре ЭМУ размещают компенсационную обмотку (КО), которую включают последовательно с нагрузкой. Для точного регулирования МДС F_к, создаваемой этой обмоткой, параллельно (шунтовое подключение) КО включают реостат R_ш.

Таким образом, ЭМУ поперечного поля - это Г=Т, состоящий из двух ступеней, включенных каскадно (последовательно). В первой ступени магнитный поток создается ОУ, а выходом служит обмотка якоря, замкнутая накоротко через поперечные щетки. Выходная мощность первой ступени является входной для второй ступени.

Коэффициент усиления такого ЭМУ

К_р = Р_н/Р_у = К_р1·К_р2 ,

где К_р1, К_р2 – коэффициенты усиления по мощности первой и второй ступеней.

4.7.3 Особенности конструкции ЭМУ поперечного поля

При небольшой (до нескольких кВт) мощности ЭМУ и приводной асинхронный двигатель располагают в общем корпусе. Они имеют общий вал, на котором установлены ротор приводного двигателя и якорь усилителя. Для повышения быстродействия (определяемого как скорость изменения магнитного потока при изменении сигнала управления) магнитопровод машины выполняют целиком шихтованным, при этом снижаются вихревые токи при быстрых изменениях тока управления).

Для обеспечения хорошей коммутации под продольными щетками главные полюсы «расщепляют», т.е. разделяют на 2 части, и между ними устанавливают добавочные полюсы со своими обмотками (ОДП). Под поперечными щетками ДП не устанавливают. Для обеспечения безыскровой коммутации под поперечными щетками вводят специальную поперечную подмагничивающую обмотку (ПО). Тогда поперечный поток Ф_аq, требуемый для создания Е_d, образуется не только за счет МДС якоря F_аq, но и за счет МДС ПО. Это позволяет уменьшить I_аq и МДС F_аq, что облегчает условия работы поперечных щеток.

Для уменьшения влияния гистерезиса (следовательно, и Е_ост, вызванной остаточным потоком намагниченности Ф_ост), вокруг ярма (статора) наматывают размагничивающую обмотку, питаемую переменным током. Это способствует снижению остаточного намагничивания и снижает погрешности ЭМУ.

4.7.4 Характеристики ЭМУ

ЭМУ с поперечным полем выполняют с ненасыщенной магнитной системой, поэтому U_вых пропорционально I_у. Регулировочная характеристика U_вых = f(I_у) при n=const, Rн = const повторяет магнитную характеристику машины.

Семейство внешних характеристик, снятых при различных степенях компенсации МДС F_аd, U_вых = f(I_н) при n = const, I_у = const, показано на рисунке .

Это прямые, угол наклона которых к оси абсцисс зависит от степени компенсации НС F_аd компенсационной обмоткой МДС (1 – недокомпенсация, U_вых снижается из-за размагничивающего действия Ф_аd; 2 – точная компенсация; 3 – перекомпенсация, при которой работа ЭМУ становится неустойчивой).