Уравнение мпт в режиме электромагнитного торможения

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Электромагнитный момент

где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Асинхронная машина в режимах генератора и электромагнитного торможения

Лекция 10.

Асинхронная машина в режимах генератора и электромагнитного торможения

Режим генераторного (рекуперативного)

торможения асинхронной машины

Чтобы перевести асинхронную машину, включенную в сеть, в режим генератора, ее ротор необходимо привести во вращение с частотой вращения, превышающей синхронную частоту вращения. При этом: ; , а направление развиваемого ею момента противоположно направлению вращения ротора (рис. 10.1). Асинхронные генераторы вырабатывают только активную мощность, а реактивную мощность, необходимую для создания основного магнитного потока, потребляют из сети. По своим характеристикам они уступают синхронным генераторам, и потому в качестве первичных источников электроэнергии не используются. Практическое значение этого режима заключается главным образом в возможности осуществления так называемого рекуперативного торможения, которое находит применение в грузоподъемных механизмах (скоростной спуск), электрической тяге, при обкатке автотракторных двигателей, и других случаях. При его реализации ротор может вращаться не только каким-либо специальным приводом, но и по инерции, или под действием потенциальной энергии грузов. Механическая мощность вращающегося ротора преобразуется в активную электрическую мощность, и за вычетом потерь в самой машине возвращается (рекуперируется) в сеть.

В уравнении электромагнитного момента скольжение в генераторном режиме необходимо брать со знаком «минус»:

. (10.1)

Из очевидного неравенства:

следует, что при: в генераторном режиме работы момент всегда больше, чем в двигательном: .

Зоне устойчивой работы соответствуют следующие пределы изменения скольжения и момента:

; .

Расширить зону устойчивости можно, увеличивая критическое скольжение за счет активного сопротивления ротора.

Электромеханические характеристики, которые часто называют также скоростными, представляют собой зависимость приведенного тока ротора от скольжения:

. (10.2)

В генераторном режиме имеем два характерных значения тока. Ток ротора достигает максимума, равного:

, (10.3)

в том случае, если:

,

а при стремится к пределу:

. (10.4)

Ни максимальное, ни предельное значения тока сами по себе не зависят от активного сопротивления цепи ротора, но, изменяя это сопротивление, можно изменить наклон характеристик, и расширить зону устойчивости. Общий вид зависимостей при различных значениях активного сопротивления цепи ротора показан на рис. 10.2.

Ток в обмотке статора в общем случае получается путем геометрического суммирования приведенного тока ротора с током намагничивания. В режиме идеального холостого хода: ; ; , а при : . В результате вектора токов и практически совпадают по фазе, а ток статора равен их арифметической сумме: (рис. 10.3).

Режим электромагнитного торможения

Режим электромагнитного торможения возникает в том случае, если под действием внешнего момента ротор вращается в направлении, прот ивоположном направлению электромагнитного момента, развиваемого самой машиной. Механические и скоростные характеристики, соответствующие этому режиму (рис. 10.1, 10.2), расположены в зоне скольжений: , из чего согласно выражению (10.2) следует, что ток при торможении превышает (хотя и незначительно) пусковой ток. При он стремится к предельному значению (10.4), но, в отличие от генераторного режима, максимума не имеет. Пределы изменения тока составляют:

. (10.5)

Практически режим электромагнитного торможения можно осуществлять только в машинах с повышенным скольжением, и с фазным ротором, в которых увеличение r’2 помимо ограничения тока дает возможность увеличить тормозной момент, смещая максимальный момент в зону соответствующих скольжений, и повысить тем самым устойчивость работы. Существуют два способа торможения.

Тормозной спуск осуществляется под действием внешнего момента, который превышает момент, развиваемый самой машиной: , и противоположно направлен по отношению к нему. Если момент сопротивления уменьшится до: , машина перейдет в двигательный режим работы.

Торможение изменением чередования фаз применяется для быстрой остановки двигателей с возможностью последующего реверса. Оно осуществляется путем быстрого переключения обмотки статора на обратное чередование фаз. При этом ротор продолжает вращаться, но магнитное поле статора и электромагнитный момент изменяют направление на противоположное. Этому соответствует зеркально отраженная механическая характеристика (рис. 10.4). В результате машина из двигательного режима (точка 1) переходит в режим торможения (точка 2), и под действием момента МЭМ частота вращения ротора быстро уменьшается. Если обмотку статора не отключить от сети после остановки ротора (точка 3), машина перейдет в двигательный режим работы с обратным направлением вращения.

Поскольку в обоих случаях машина подключается к сети таким образом, что направление развиваемого ей электромагнитного момента противоположно направлению вращения ротора, этот режим часто называют противовключением.

В отличие от генераторного торможения, торможение противовключением неэкономично, и характеризуется большими потерями, которые выделяются в виде тепла в самой машине и в добавочных сопротивлениях цепи ротора.

Асинхронный генератор с самовозбуждением

Принцип действия асинхронного генератора с самовозбуждением основан на явлении остаточного магнетизма.

При вращении ротора внешним приводом остаточный магнитный поток Фост наводит в обмотках статора небольшую остаточную ЭДС Еост. Для получения тока намагничивания, обеспечивающего увеличение ЭДС до требуемого уровня, к выводам обмотки статора подключаются конденсаторы (рис. 10.5 – а).

На рис. 10.5 – б изображены зависимость ЭДС, индуктируемой в обмотке статора от тока намагничивания (характеристика холостого хода) асинхронной машины 1, и вольт-амперные характеристики конденсаторов 2 и 3. Характеристика 2 совпадает с линейной частью характеристики холостого хода, и соответствует критическому значению емкости, при котором процесс самовозбуждения будет неустойчив. При увеличении емкости конденсаторов наклон характеристик увеличивается таким образом, что приращение ЭДС идет быстрее, чем приращение напряжения UC на конденсаторах. Возникающий при этом условии процесс самовозбуждения заключается в следующем. Под действием Еост в контуре, образованном обмоткой статора и конденсаторами, возникает ток, величина которого зависит от емкости конденсаторов. Этот ток, протекая по обмотке статора, индуктирует приращение ЭДС ΔЕ, которое в свою очередь вызывает приращение тока ΔI. Процесс идет до тех пор, пока ЭДС и напряжение на конденсаторах не сравняются, чему соответствует точка пересечения характеристик. В этой точке ЭДС должна равняться желаемому напряжению холостого хода , чему соответствует ток I0ном. Емкость при этом определяется исходя из условий:

; ,

, (10.6)

где , L1 – полное индуктивное сопротивление и полная индуктивность асинхронной машины в режиме холостого хода; f1 – частота генерируемой ЭДС.

Увеличение ёмкости сверх этого значения приводит к насыщению магнитной системы, резкому возрастанию тока и потерь холостого хода. Частота вращения ротора связана с частотой f1, числом пар полюсов р, и скольжением зависимостью:

, (10.7)

откуда следует, что постоянство частоты обеспечивается только в том случае, если: . При выполнении этого условия на частоте f1, равной согласно (10.6):

.

в контуре возбуждения «L1 – C» возникает резонанс напряжений. В генераторном режиме скольжение асинхронной машины отрицательно, поэтому при возрастании нагрузки частоту вращения ротора необходимо увеличивать. Однако, если скольжение изменяется в малых пределах, практически: , и при достаточной мощности первичного привода изменения частоты f1 будут незначительны.

Асинхронные генераторы с самовозбуждением находят применение в качестве автономных источников питания, сварочных генераторов и некоторых других случаях.

Асинхронные преобразователи частоты используются в качестве источников питания потребителей при частоте, отличной от 50 Гц. Наибольшее значение имеют преобразователи частоты 50/200 Гц, применяемые для питания электрифицированных ручных инструментов, стригальных машинок, и других потребителей, к которым предъявляются особые требования по массо-габаритным показателям.

Принципиально асинхронный преобразователь состоит из двух машин с общим валом. Одна из них (М1) работает в режиме двигателя, а вторая (М2) имеет фазный ротор, и работает в режиме электромагнитного торможения (рис. 10.6). Обычно М1 и М2 конструктивно машины объединяются, что позволяет уменьшить массо-габаритные показатели преобразователей.

Фазный ротор машины М2 рассчитывается на определенное напряжение, а частота наводимой в нем ЭДС зависит от скольжения, и определяется выражением:

.

Таким образом, для получения заданного значения частоты f2 необходимо обеспечить вращение ротора М2 с определенным скольжением, которое в общем случае составляет:

, (10.9)

где – скольжение двигателя М1.

Машина М1 работает в режиме двигателя, поэтому скольжение s1 очень мало, а машина М2, работающая в режиме электромагнитного тормоза, имеет большое скольжение s2, которое определяется практически только противоположными по знаку синхронными частотами вращения первой ω11 и второй ω12 машин. Требуемое значение s2 получают, подбирая определенное число пар полюсов в машинах:

. (10.10)

Например, для получения частоты, близкой к 200 Гц, необходимо иметь машины с одной и тремя парами полюсов: ; . Частота ЭДС в роторе при этом составляет:

, Гц.

Скольжение s1 зависит от частоты вращения ротора преобразователя, и потому изменяется при изменениях нагрузки, увеличение которой приводит к снижению частоты f2, а уменьшение – напротив, к возрастанию. Зависимость выходной частоты от нагрузки является недостатком асинхронных преобразователей, поскольку влияет на характеристики подключаемых к ним потребителей.

Снижение частоты f2 приводит к уменьшению индуктивного сопротивления и нелинейному возрастанию намагничивающего тока электродвигателей ручных инструментов, что в свою очередь вызывает их интенсивный нагрев.

Важное преимущество асинхронных преобразователей частоты по сравнению с синхронными генераторами заключается в относительно малой установленной мощности электрических машин. Электромагнитная мощность первой машины РЭМ, сообщаемая за вычетом потерь, ротору второй машины в виде механической мощности Рмех, равна: . Вторая часть мощности, поступающей на фазный ротор представляет собой электромагнитную мощность машины М2:

В установившемся режиме работы электромагнитный момент двигателя уравновешивается противоположным по знаку тормозным моментом второй машины: , а их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях. В результате электромагнитные мощности имеют одинаковые знаки, а их сумма за вычетом потерь равна мощности нагрузки:

. (10.11)

Таким образом, каждая из машин рассчитывается только на часть мощности нагрузки, пропорциональную ее частоте вращения. Так, при: ; (без учета потерь) имеем:

; .

В асинхронных преобразователях частоты отсутствует возможность регулирования частоты и величины выходного напряжения, поэтому для частотного регулирования они не применяются.

С точки зрения надежности существенным недостатком является наличие подвижных щеточных контактов, которые рассчитываются на полную мощность нагрузки.

Принцип работы машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5 для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки. Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря.

Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки. Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами. Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой. Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку.

ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует.

Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

Схема замещения якорной обмотки

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.Рис. 4ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

где Се — константа.

В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Якорь электродвигателя

Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора;Rя — сопротивление обмотки якоря.

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.

На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Рис. 5

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.

Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.

Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаватьсяот постоянных магнитов (рис. 7).

Рис. 6 Рис. 7

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)

Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.

Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется.

Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

Рис. 8 Рис. 9

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.

Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.

Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.

Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Рис. 11

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когдаγ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт — амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где CM — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.

Рис.13

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:

1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Рис. 14

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n2 от момента на валу M2 при U = const и Iв = const.

Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k — коэффициент пропорциональности.Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает. С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима. Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения. Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д., когда жесткость, то есть рывки момента недопустимы.

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока.

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря и коллектора . Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в простейшей машине имеет один виток.

Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум.

На коллектор наложены две неподвижные щетки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током.

Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока Iа у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Eа, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

и для двигателя

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Приведенные соотношения действительны и при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока разделяются на обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (ОЯ). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые — для отбора мощности от питающей электросети в режиме двигателя или для питания электрической нагрузки в режиме генератора. Существуют еще и обмотки дополнительных полюсов, используемые для облегчения процесса коммутации.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ — под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют:

• в металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подач и главного движения);
• в тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как: тягачи, троллейбусы, трамваи, электровозы;
• в мощных снегоочистителях;
• в качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления и прочее.

Машина постоянного тока – двигатель троллейбуса

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

Генератор в разрезе

Устройство машин постоянного тока

1. Коллектор – металлический скользящий контакт, через который ротор коммутируется с внешними электрическими цепями;
2. Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые) – ответная часть скользящего контакта, которая постоянно трется о коллектор при вращении ротора;

Коммутация в машинах постоянного тока

1. Ротор (якорь)- подвижная часть агрегата. При его вращении запускается процесс электромагнитной индукции.
2. Главные полюса;
3. Катушка обмотки возбуждения;

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

1. Станина – корпус агрегата;
2. Боковая крышка, которая закрывает крыльчатку охлаждения и является держателем подшипников качения, на которых вращается ротор;
3. Вентилятор – призван охлаждать машину во время ее работы.

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Устройство и принцип действия машин постоянного тока — статор

Основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической.

Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Устройство машины постоянного тока – якорь располагается на валу

Остальные элементы относятся к механической части.

• Станина машины постоянного тока делается из прочного металла – обычно это конструкционная сталь.
• К внутренней части станины крепятся главные и добавочные полюса статора. Сердечники главных полюсов набираются из стальных пластин. Для добавочных полюсов они идут в основном массивные.
• Обмотка возбуждения находится на главных полюсах – их МДС формируют рабочий поток. Обмотки добавочных полюсов обеспечивают нормальную коммутацию.

Коммутация тока в машинах постоянного тока

• Роторный магнитопровод шихтуется из специальной электромагнитной стали.

Сам якорь имеет следующее строение:

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

На провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.

Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока является наиболее часто используемым приводом для создания непрерывного движения, скорость вращения которого легко регулируется. Их исполшьзуют в таких устройствах, как регулирование скорости, управление сервоприводом.

Доступно три типа двигателей постоянного тока.

• Коллекторный двигатель — этот тип двигателя создает магнитное поле в намотанном роторе (вращающаяся деталь), пропуская электрический ток через узел коммутатора и угольной щетки, отсюда и термин «щеточный». Магнитное поле статоров (неподвижная часть) создается с помощью обмотки статора или постоянных магнитов.
• Бесколлекторный двигатель — этот тип двигателя создает магнитное поле в роторе, используя постоянные магниты, прикрепленные к нему. Коммутация достигается с помощью электроники. Они используют переключатели «эффекта Холла» в статоре для получения требуемой последовательности вращения поля статора, имеют более длительный срок эксплуатации.
• Серводвигатель — этот тип двигателя в основном представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока с некоторой формой управления позиционной обратной связью, подключенной к валу ротора. Они подключены к контроллеру типа ШИМ и управляются им. Используются в системах позиционного управления и радиоуправляемых моделях.

Обычные двигатели постоянного тока имеют почти линейные характеристики, скорость вращения которых определяется приложенным напряжением постоянного тока, а их выходной крутящий момент определяется током, протекающим через обмотки двигателя. Скорость вращения любого двигателя постоянного тока может варьироваться от нескольких оборотов в минуту (об / мин) до многих тысяч оборотов в минуту, что делает их пригодными для применения в электронике, автомобилестроении или робототехнике. При подключении их к коробкам передач или зубчатым передачам их выходная скорость может быть уменьшена, в то же время увеличивая крутящий момент двигателя на высокой скорости.