Краткие сведения из теории.

Электрический двигатель - это устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую.

Электрические двигатели классифицируют по назначению; роду тока; способу защиты; способу охлаждения; классу изоляции; принципу действия и другим признакам.

Электрический двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей (рисунок 8.1):

- статора - неподвижного электромагнита, создающего основное магнитное поле машины;

- ротора - вращающейся части машины, в обмотке которой возникает эдс.

Статор состоит из станины и главных полюсов. На сердечнике 2 главных (основных) полюсов расположена обмотка возбуждения 1. Полюс заканчивается полюсным наконечником 4, распределяющим магнитный поток в воздушном зазоре. На обмотку возбуждения подают постоянное напряжение. Возникающий магнитный поток замыкается через сердечник полюса N, воздушный зазор, сердечник якоря, воздушный зазор к сердечнику полюса S и через ярмо статора (станину) возвращается к полюсу N.

Вращающаяся часть машины - якорь состоит из сердечника якоря, обмотки якоря, коллектора.

Сердечник якоря набран из пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм (для уменьшения потерь на вихревые токи). В пазах сердечника уложены проводники обмотки якоря.

Коллектор - это полый цилиндр, набранный из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и oт вала. К пластикам коллектора припаяны проводники обмотки якоря. По коллектору скользят щетки, закрепленные в специальных щёткодержателях.

Рисунок 8.1. Устройство машины постоянного тока: 1 - обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3 – ярмо; 4 - полюсный наконечник; 5 - якорь; 6 - проводники якорной обмотки.

При подаче постоянного напряжения к зажимам электрической машины постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря возникает ток. В результате взаимодействия тока якоря с магнит­ным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения в магнито­проводе статора, возникает электромагнитный момент электро­двигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. При этом электромагнитный момент, развиваемый двигателем,

,

где с_М — коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа полюсов электродвигателя;

Ф — магнитный поток одной пары главных полюсов электродвигателя;

I_Я - ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС, которая при работе машины в режиме двигателя направлена против тока якоря и, так же как и при работе машины в режиме генератора, равна

,

где n — частота вращения якоря электродвигателя,

с_е — коэффициент, зависящий от конструктивных элементов машины.

Для изменения направления вращения электродвигателя постоянного тока необходимо изменить полярность напряжения, подводимого к якорю или обмотке возбуждения. В зависимости; от способа включения обмотки возбуждения различают электродвигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Схема включения двигателя с параллельным возбуждением представлена на рисунке 8.2.

+ U –

Рисунок 8.2. Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Зажимы Я1 и Я2 относятся к обмотке якоря, а зажимы Ш1 и Ш2 - к обмотке возбуждения. Переменные сопротивления R_п и R_ш предназначены соответственно для изменения тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. Обмотка возбуждения этого двигателя выполняется из большого количества витков медного провода сравнительно малого сечения и имеет значительное сопротивление. Это позволяет подключать ее на полное напряжение сети, указанное в паспортных данных.

Особенностью пуска двигателей этого типа является то, что при их пуске, работе и остановке запрещается отсоединять обмотку возбуждения от якорной цепи. В противном случае при размыкании обмотки возбуждения в ней появится недопустимое значение ЭДС, которое может привести к поражению обслуживающего персонала и к выходу из строя двигателя. По той же причине нельзя размыкать обмотку возбуждения и при выключении двигателя, когда его вращение ещё не прекратилось.

Дополнительное сопротивление R_Д в цепи якоря в момент пуска двигателя должно иметь максимальное значение. С увеличением скорости вращения его следует уменьшать, а при достижении установившейся частоты вращения - вывести полностью. Большое значение дополнительного сопротивления в обмотке якоря в момент пуска двигателя необходимо для ограничения его пускового тока, который может превышать номинальную величину в 10... 30 раз.

Двигатели описываются механической характеристикой - зависимостью числа оборотов якоря от электромагнитного момента

п=п(М).

Механическая характеристик двигателя параллельного возбуждения можно получить и з уравнения двигателя

,

используя , можно получить

,

откуда следует .

Это уравнение механической характеристики двигателя параллельного возбуждения. Характеристика линейна относительно М.

Механическая характеристика считается жесткой (число оборотов якоря незначительно зависит от электромагнитного момента). Двигатель имеет устойчивые обороты нерабочего хода

.

Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения приведена на рисунке 8.3. Выводы С1 и С2 соответствуют сериесной обмотке возбуждения. Она выполняется из малого числа витков в основном медного провода большого сечения, соединённой последовательно с обмоткой якоря. Сопротивление R_Р в цепи обмоток якоря и возбуждения позволяет уменьшить пусковой ток и производить регулирование частоты вращения двигателя. В момент пуска оно должно иметь наибольшее значение. Эти двигатели при пуске развивают большие пусковые моменты вращения и должны запускаться при нагрузке не менее 25% ее номинального значения. Включение двигателя на холостом ходу не допускается. В противном случае он может развить недопустимо большие обороты, что вызовет выход его из строя. Двигатели этого типа широко применяются в транспортных и подъёмных механизмах и могут менять частоту вращения в широких пределах.

Рисунок 8.3. Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Особенность двигателей последовательного возбуждения заключается в том, что ток якоря является также и током возбуждения, т. е. I_ВОЗ=I Основной магнитный поток связан с током якоря, т. е. имеет место пропорциональность .

Поскольку ,, , т.е. .

В общем случае уравнение механической характеристики двигателя имеет такой вид:

При последовательном возбуждении уравнение преобразуется:

Это уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения (C₁, C₂ - коэффициенты пропорциональности).

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения - мягкая, т. е. число оборотов якоря в значительной мере зависит от электромагнитного момента.

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения представлена на рисунке 3.4. Двигатели смешанного возбуждения имеют промежуточное значение между двигателями параллельного и последовательного возбуждения. Большая принадлежность их к тому или другому виду зависит от соотношения частей основного потока возбуждения, создаваемых параллельной или последовательной обмотками возбуждения. В момент пуска сопротивление в цепи якоря для уменьшения пускового тока должно иметь максимальное значение. Этот двигатель обладает хорошими тяговыми характеристиками и может работать в режиме холостого хода.

Рисунок 8.4. Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения.

Из уравнения двигателя

где , можно получить уравнение механической характеристики

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (компаундного двигателя) является промежуточной между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

На рис. 12.28 приведены механические характеристики двигателей с разными способами возбуждения.

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения л, момента М, тока якоря I_Я и КПД η от полезной мощности на валу Р₂ электродвигателя, т. е. п(Р₂), М(Р₂), I_Я (Р₂), η(Р₂) при неизменном напряжении на его зажимах U = const.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением представлены на рис. 14.8.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением представлены на рис. 14.9. Несколько другой вид рабочих характеристик этого электродвигателя по сравнению с двигателем с параллельным возбуждением объясняется тем, что с изменением нагрузки на валу (мощности Р₂) происходит также изменение и магнитного потока.

Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой зависимости, занимающие в прямоугольной системе координат некоторое среднее положение между рабочими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

КПД двигателя

где Р₂ — полезная мощность на валу,

P₁ — мощность, потребляемая из сети.

Полезная мощность на валу

где М₂ — реальный вращающий момент на валу.

Мощность, потребляемая из сети,

т, е. учитываются потери энергии и в обмотке возбуждения.

Таким образом, КПД можно определить как

где ΣР—суммарные потери в двигателе.

Суммарные потери состоят из следующих видов потерь.

1. Потери в обмотке возбуждения

2. Потери в обмотке якоря

3. Потери механические Р_МЕХ — это потери от трения, охлаждения двигателя и пр. Они зависят от особенностей эксплуатации и теоретически рассчитать их невозможно.

4. Потери магнитные в якоре (Р_МЯ) связаны с явлением реакции якоря.

Таким образом, .

Энергетическая диаграмма

КПД машины постоянного тока зависит от ее мощности и нагрузки (рис. 12.34). КПД машины изменяется от нуля (при нерабочем ходе) до наибольшего (при номинальной мощности). КПД машин промышленного применения составляет 80...90%.

Большим преимуществом двигателей постоянного тока является возможность регулирования скорости вращения якоря в широких пределах несколькими достаточно простыми способами.

Регулирование скорости вращения якоря можно рассмотреть на примере двигателя параллельного (независимого) возбуждения. Уравнение механической характеристики такого двигателя имеет вид

Из этого выражения вытекает, что есть три способа регулирования скорости вращения якоря:

1. Регулирование изменением напряжения используется обычно в системах «генератор - двигатель». При изменении напряжения второй член уравнения механической характеристики (характеризует наклон прямой) не изменяется. Поэтому все прямые будут параллельны друг другу. Характеристики различаются оборотами нерабочего (холостого) хода (первым членом уравнения). Этим способом можно регулировать обороты в очень широких пределах, вплоть до остановки якоря. Недостатком данного способа является необходимость использования источника с регулируемой ЭДС.

2. Регулирование скорости вращения якоря введением дополнительного сопротивления в цепь якоря также позволяет изменять обороты в широких пределах (до остановки якоря). При повышении сопротивления цепи якоря увеличивается второй член уравнения механической характеристики, т. е. увеличивается наклон прямых (рис. 12.30). Этот способ невыгоден с энергетической точки зрения — возникают дополнительные потери на регулирующем реостате.

3. Изменяя ток возбуждения, можно изменять магнитный поток статора. При уменьшении, потока увеличивается первый и уменьшается второй член уравнения механической характеристики. Иначе говоря, есть зона, где при ослабленном потоке скорость вращения будет большей, чем скорость при номинальном потоке. Но при уменьшении тока возбуждения до нуля скорость вращения будет ограниченной.

.

Этот способ более эффективен.

Обычно используют различные способы регулирования или их комбинации в зависимости от конкретных условий эксплуатации двигателя.

Дата добавления: 2015-08-17