21. Электрические машины постоянного тока

Двигатели постоянного тока в зависимости от способа возбуждения в них подразделяются на три типа:

1. двигатели с независимым возбуждением (параллельным возбуждением);

2. двигатели с последовательным возбуждением;

3. двигатели со смешанным возбуждением.

Машина постоянного тока (рисунок 2.1) состоит из статора, который обычно является индуктором, и ротора (якоря).

Рисунок 2.1 — Электрическая машина постоянного тока

Статор содержит:

• стальной корпус;

• полюсные наконечники вместе с полюсными сердечниками;

• обмотку возбуждения;

• траверсу со щеткодержателями для крепления щеток;

• подшипниковые щиты с подшипниками.

Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения на электрических схемах приведено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

При вращении якоря его обмотка пересекает Ф_ост и в ней индуцируется небольшая по величине остаточная ЭДС Е_ост. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток возбуждения, который создаст небольшой магнитный поток. Если обмотка возбуждения включена правильно, то этот магнитный поток совпадет с остаточным магнитным потоком.

Рисунок 2.3

В результате общий магнитный поток возрастает, увеличится и ЭДС, наводимая этим потоком в обмотке якоря. Поскольку возросла ЭДС якоря, возрастает и ток возбуждения, что в свою очередь ведет к новому увеличению магнитного потока и ЭДС якоря. Процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря не станет равной падению напряжения в цепи возбуждения.

Запишем уравнение согласно второго закона Кирхгофа для контура, включающего в себя цепь якоря и цепь возбуждения:

Е_я=I_в R_ов+I_вR_я+I_вR_в=I_вR_цв

Здесь:

R_ов— сопротивление обмотки возбуждения;

R_я — сопротивление обмотки якоря;

R_в — сопротивление реостата;

R_цв= R_ов + R_я+ I_я R_я — сопротивление цепи возбуждения.

Если Е_я> I_вR_цв, то процесс самовозбуждения проходит.

Если Е_я= I_вR_цв, то процесс самовозбуждения останавливается.

Если Е_я< I_вR_цв, то процесса самовозбуждения нет и машина не возбуждается.

Таким образом, для обеспечения процесса самовозбуждения генератора постоянного тока необходимо три условия:

1. наличие остаточного магнитного потока в магнитной системе машины;

2. правильное включение обмотки возбуждения;

3. сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

Аналогично процесс возбуждения происходит у генераторов с последовательным возбуждением, но для этого к ним необходимо подключить нагрузку.

Рассмотрим работу машины постоянного тока независимого возбуждения в режиме двигателя (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4

Обмотку возбуждения подключена к источнику постоянного тока, под действием которого в ней будет протекать ток возбуждения и создаваться магнитный поток машины. Если к источнику постоянного тока подключить обмотку якоря, то по ней потечет ток якоря. Тогда на проводники с током якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения будут действовать электромагнитные силы, совокупность которых образует вращающий момент, приложенный к якорю. Направление этого момента можно найти по правилу левой руки, а величину его по выражению

M=kФI_я.

Под действием этого момента якорь придет во вращение, а его проводники — пересекать магнитный поток возбуждения и в них будет индуцироваться ЭДС Е_я, величину которой можно найти согласно:

Е_я=kФ?

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. В двигательном режиме ЭДС якоря в двигателе будет направлена против тока якоря. По величине Е_я близка напряжению сети, но всегда его меньше.

Значение Е_я зависит от частоты вращения якоря (?). Если под действием постороннего вращающего момента увеличивать скорость вращения якоря, то можно достичь такой скорости (?₀), при которой Е_я =U. В этом случае ток через якорь протекать не будет (I_я=0) несмотря на то, что обмотка якоря подключена к сети постоянного тока. Такой режим работы называют режимом идеального холостого хода.

Запишем уравнение для цепи якоря двигателя согласно второго закона Кирхгофа:

U - Е_я = I_я(R+R_p).

Учитывая, что Е_я=kФ?, после подстановки получим:

?= (U - I_я(R+R_p))/kФ.

Полученное уравнение называют уравнением электромеханической характеристики.

Если принять, что U=U_н, Ф=Ф_н, R_р=0, то получим уравнение естественной электромеханической характеристики:

Чтобы получить выражение для механической характеристики, нужно учесть, что M=kФI_я., выразить отсюда ток якоря I_я=M/(kФ) и подставить его в уравнение электромеханической характеристики:

Полученное уравнение называется уравнением механической характеристики.

Если в это уравнение подставить U=U_н, Ф=Ф_н, R_p=0, то получим уравнение естественной механической характеристики:

В режиме идеального холостого хода, когда Е_я=U, I_я=0, М=0, якорь должен вращаться со скоростью ?₀, тогда из выражений для механической и электромеханической характеристик следует, что скорость идеального холостого хода можно найти согласно выражению:

?₀ = U/(kФ)

Механическая характеристика двигателя — это зависимость угловой скорости двигателя от вращающего момента ? =f(M), полученная при неизменных других параметрах (при U=const, Ф=const, R_p=const). Механическая характеристика, снятая при нормальных рабочих условиях (U_н,I_вн,R_р=0) называется естественной характеристикой. Все прочие характеристики называют искусственными.

На рисунке 2.5 приведено семейство искусственных характеристик, соответствующих различным значениям сопротивления реостата R_p, включенного последовательно с якорем.

Рисунок 2.5

Все характеристики пересекаются в точке идеального холостого хода ?₀, поскольку скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления якорной цепи двигателя

(?₀=U/kФ).

Разность значений установившихся скоростей до и после приложения заданной статической нагрузки называется статическим падением скорости электропривода (??₀). Для данного двигателя из уравнения естественной механической характеристики следует, что:

.

Для искусственных характеристик статическое падение скорости определится из выражения:

.

Уравнение для скорости двигателя запишется в следующей форме:

?=?₀-??.

Обмотка возбуждения у двигателя постоянного тока последовательного возбуждения включена последовательно с якорем (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Уравнение электромеханической характеристики будет иметь такой же вид, что и у двигателя независимого возбуждения:

Здесь R_? - суммарное сопротивление цепи двигателя, состоящее из сопротивления якоря и обмотки возбуждения.

Поскольку ток якоря и ток возбуждения один и тот же, то при изменении нагрузки изменяется и магнитный поток возбуждения, следовательно, магнитный поток Ф является функцией тока якоря.

Зависимость магнитного потока возбуждения от тока Ф=f(I) называется кривой намагничивания (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 — Зависимость магнитного потока возбуждения от тока Ф=f(I)

Зависимость Ф=f(I) нелинейна из-за насыщения магнитной цепи. Из-за нелинейности нельзя получить точного аналитического выражения зависимости Ф=f(I).

Для упрощения анализа можно пренебречь магнитным насыщением и считать, что магнитный поток пропорционален току якоря (линейная зависимость показана на графике пунктиром), то есть. Ф=?I.

При этом момент двигателя можно записать в виде:

M = k · Ф · I = k · ? ·I².

Уравнение электромеханической характеристики тогда будет иметь вид:

.

Учитывая, что  получим выражение для механической характеристики:

.

Из анализа этих выражений следует, что уравнение электромеханической и механической характеристик представляют собой гиперболические зависимости. В каталогах обычно приводятся естественные механические и электромеханические характеристики.

Уравнение механической характеристики имеет вид:

Рисунок 2.8 — Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения

При уменьшении момента скорость якоря возрастает, при M>0  скорость ?>?, то есть такой двигатель не имеет скорости идеального холостого хода. При возрастании скорости машина не переходит в генераторный режим. Механические характеристики не имеют продолжения во втором квадрате. При снижении момента сопротивления скорость якоря растет и может достигнуть выше допустимой по условиям механической прочности коллектора и бандажей обмотки якоря. При нагрузках ниже (15-20)% номинальных, работа двигателя практически недопустима из-за чрезмерного увеличения скорости якоря (двигатель идёт в разнос). Это ограничивает область применения этих двигателей. Их нельзя использовать для привода механизмов, которые в режиме холостого хода создают малый момент сопротивления на валу.

В каталогах приводятся зависимости ?^*=f(I^*)  и M^*=?(I^*)  угловой скорости и момента от тока якоря, в относительных единицах, общий вид которых представлен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9

С увеличением сопротивления реостата скорость двигателя уменьшается при одном и том же моменте сопротивления М_с, уменьшается и жесткость механических характеристик.

На рисунке 2.10 представлены искусственные реостатные механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения