Уравнение равновесия эдс машины постоянного тока

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;

Машины постоянного тока.

Устройство, назначение отдельных частей машины (главные полюсы – создание основного магнитного потока; якорь – индуктируется ЭДС; щёточно-коллекторный аппарат – механический выпрямитель в режиме генератора, перераспределение тока по обмотке якорь-двигатель). Принцип работы в режиме генератора (якорь вращается в неподвижном поле полюсов статора; в проводниках обмотки якоря индуктируется переменная ЭДС , однако напряжение на зажимах машины сохраняет постоянное направление вследствие выпрямления его щёточно-коллекторным устройством; если якорь замкнуть на нагрузку, по нагрузке потечёт постоянный ток) и в режиме двигателя (постоянное напряжение подаётся на обмотки якоря и возбуждения; создаётся поле главных полюсов, и по якорю пойдёт ток; при взаимодействии тока якоря и магнитного поля возникает электромагнитный момент, который начинает вращать якорь, совершая механическую работу).

Связь между ЭДС и напряжением в генераторном и двигательном режимах . Обратимость машин постоянного тока.

, В,

где Ф, Вб – магнитный поток одного полюса.

,

где р – число пар полюсов,

а — число пар параллельных ветвей,

N – число проводников якоря.

Генератор – ЭДС, двигатель – противоЭДС.

При n = const и поток полюса и соответствующая ему ЭДС зависят только от тока возбуждения – характеристика Х.Х.

Вращающий (двигатель), тормозной (генератор) момент

, Н·м,

, , .

Электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален току якоря и результирующему потоку каждого полюса.

Уравнение баланса мощностей цепи якоря генератора:

.

Правая часть уравнения выражает мощность нагрузки и электрические потери мощности в обмотке якоря. Их сумма равна — мощности, получаемой от первичного двигателя при преобразовании его механической энергии в электрическую.

Величина — электромагнитная мощность машин, характеризует скорость процесса преобразования энергии.

Для электродвигателя баланс мощностей цепи якоря:

.

Это уравнение означает, что мощность поступления энергии в якорь электродвигателя от внешнего источника равна электромагнитной мощности и мощности потерь в обмотке якоря. Электромагнитная мощность равна механической мощности вращения якоря .

Работа машины постоянного тока сопровождается потерями энергии и нагревом её частей:

— электрические потери во внутренней цепи якоря от тока нагрузки;

— потери от трения в подшипниках и о воздух, обычно составляющие 1 – 2%;

— потери в магнитной цепи (якоре) от гистерезиса и вихревых токов, составляющие 1 – 3%;

— потери на возбуждение или самовозбуждение, т.е. электрические потери в цепи обмотки возбуждения.

Способы возбуждения машин постоянного тока.

Независимое Последовательное (сериесные)

.

Параллельное (шунтовые) Смешанное

генераторный: ;

двигательный: .

Генераторы с самовозбуждением.

Условия самовозбуждения (наличие остаточного потока, совпадение по направлению и Ф, сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического).

Двигатели при включении якоря на номинальное напряжение сети ( = 0) пусковой ток будет недопустимо велик. Поэтому в цепь якоря при пуске двигателя вводят добавочное сопротивление в виде специального пускового реостата. Сопротивление выбирается таким, чтобы пусковой ток не превышал (1,5÷2) .

.

Уравнение механической характеристики: .

,

.

Из механической характеристики – способы регулирования скорости двигателя:

1) изменение напряжения на якоре U,

2) изменение потока возбуждения Ф,

3) изменение добавочного сопротивления в цепи якоря.

Задача 1.

Генератор независимого возбуждения имеет следующие номинальные данные: , , . Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии Ом.

Построить внешнюю характеристику генератора и определить его электромагнитную мощность , а также изменение напряжения на зажимах при переходе от номинального режима к режиму Х.Х. Реакцией якоря и падением напряжения в контактах щёток пренебречь.

Внешняя характеристика генератора строится по уравнению:

, это .

В генераторе независимого возбуждения . Для построения внешней характеристики – прямая линия – достаточно определить величину напряжения при двух фиксированных режимах работы. Такими режимами работами будем считать номинальный режим и режим Х.Х.

Если пренебречь реакцией якоря, то можно считать

.

.

Координаты точек характеристики .

, — номинальный режим.

, — холостой ход.

кВт.

Изменение напряжения на зажимах генератора: .

1. Как определяется величина тока генератора независимого возбуждения при режиме К.З.? Опасен ли этот режим для машин?

Величина магнитного потока практически не зависит от нагрузки, следовательно практически постоянной будет и ЭДС генератора. При К.З. U=0, следовательно .

=13480 А.

Ток возрастает в 17 раз, что чрезвычайно опасно.

2. Какие причины вызывают уменьшение напряжения генератора при росте нагрузки?

а) при росте нагрузки увеличивается падение напряжения в цепи якоря,

б) хоть и незначительно, изменяется (уменьшается) ЭДС, вследствие реакции якоря.

Задача 2.

На сколько процентов нужно уменьшить магнитный поток генератора постоянного тока с независимым возбуждением и напряжением на выводах , если нагрузка уменьшилась с 3 до 1,5 кВт, чтобы при этом напряжение на выводах осталось постоянным? Падение напряжения на щётках . Всеми потерями можно пренебречь, учесть только влияние реакции якоря и потери в якорной цепи. Сопротивление обмотки якоря Ом.

1) Уравнение электрического равновесия для двух нагрузок:

, ,

где , (подразумевается, что скорость вращения при изменении нагрузки не изменяется).

2) В генераторах с независимым возбуждением , поэтому . По заданным мощностям нагрузок можно определить токи якоря для двух режимов работы:

А, А.

3) Так как ЭДС пропорциональны магнитным потокам, можно записать .

Относительное изменение магнитного потока:

.

Итак, чтобы напряжение осталось неизменным при уменьшении нагрузки, поток требуется уменьшить на 5,5%.

Задача 3.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением, число полюсов 2р=4, номинальная мощность кВт. Индукция воздушного зазора при холостом ходе изменяется вдоль зазора так, как это показано на рисунке. Максимальная индукция воздушного зазора Тл, число проводников N=430, обмотка волнового типа, сопротивление якоря Ом.

Основные размеры машины: диаметр якоря м, расчётная длина м, n=1500 об/мин, падение напряжения на щётках В.

1) Среднюю индукцию воздушного зазора В_б;

2) Полюсное деление и окружную скорость якоря ;

3) число проводников, включённых последовательно в одной ветви обмотки;

4) индуктированную ЭДС;

5) напряжение на выводах генератора и номинальный ток якоря .

1) В_б – среднее значение индукции на протяжении полюсного деления .

,

Тл.

2) Полюсное деление м.

Окружная скорость якоря:

м/мин м/с.

3) Число последовательно включённых проводников одной параллельной ветви ,

где 2а=2 – число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно 2.

4) ЭДС, индуктированная в якоре ,

где Ф – полезный магнитный поток.

Вб.

В.

5) Уравнение электрического равновесия якорной цепи в номинальном режиме:

, ,

,

,

,

,

,

,

В, В.

Значение можно отбросить, так как оно имеет порядок остаточного напряжения. Следовательно, В.

А.

Дополнительный вопрос.

Машина постоянного тока, рассмотренная в задаче, подключается к сети при напряжении на выводах U=220 В. Ток возбуждения неизменён. Машину в качестве двигателя нагружают до номинальной нагрузки. При этом ток якоря А. Определить частоту вращения двигателя и полезный момент М.

Уравнение электрического равновесия в режиме двигателя:

,

— ток как ток возбуждения не изменился, поток также остаётся неизменным.

,

об/мин.

Развиваемый при этом момент Н·м.

Задача 4.

Четырёхполюсный генератор постоянного тока вращается с частотой n =1500 об/мин. Диаметр якоря м, расчётная длина пакета якоря м, длина полюсной дуги в = 0,162 м. Данные обмотки: число пазов z = 43, число катушечных сторон в одном слое паза u = 3, число витков в секции w = 1. Обмотка волновая, лобовые части обмотки не перекрещиваются.

1) Построить обмотку так, чтобы она не была ступенчатой;

2) Определить полезный поток машины, если ЭДС Е = 414 В;

3) Определить значение индукции воздушного зазора: среднюю В_б и максимальную В_бmax.

1) Если обмотка не ступенчатая, катушечные стороны располагаются совместно в одном пазу. При этом – пазовый шаг (выражается в количестве зубцовых делений) должен выражаться целым числом.

, т.е. необходимо произвести удлинение на ,

— первый частичный шаг, выражен в числе катушечных сторон.

Число коллекторных пластин k = u·z = 3·43 =129.

Коллекторный шаг .

Второй частичный шаг .

Число действующих проводников по периметру якоря: N = 2·u·z·w = 2·3·43·1 = 288.

Схема соединения на рисунке 6.

2) Полезный магнитный поток машины определяется из соотношения .

Вб.

Средняя индукция воздушного зазора:

Тл,

м, полюсное деление машины.

Максимальное значение индукции:

Тл.

Задача 5.

Схема замещения генератора постоянного тока приведена на рис.7.

U_н = 230 В, I_я = 29,6 А, R_я = 0,7 Ом, Ом.

Второй закон Кирхгофа – уравнение электрического состояния генератора В.

Номинальный ток возбуждения (закон Ома):

А.

Мощность на нагрузке:

Вт.

Задача 6.

Условие то же. Построить внешнюю характеристику.

Определить U и Р при I = 24 А.

,

,

P = U·I = 232,5·24 = 5580 Вт.

232,5

Задача 7.

Характеристика Х.Х. генератора независимого возбуждения задана:

Номинальные данные генератора: Р_н = 178 кВт, U_н = 230 В, I_ян = 775 А, номинальное напряжение на зажимах обмотки возбуждения U_вн = 100 В.

Определить собственное сопротивление обмотки возбуждения R_в, а также сопротивление регулировочного реостата R_p, включаемого в цепь обмотки возбуждения для того, чтобы при неизменном сопротивлении нагрузки R = 0,297 Ом напряжение на её зажимах было равно .

При номинальном режиме , отсюда В.

Согласно характеристике Х.Х. этому значению ЭДС соответствует номинальное значение тока возбуждения I_вн = 4,5 А.

Номинальный режим создаётся при полностью выведенном регулированном реостате. Поэтому собственное сопротивление обмотки возбуждения: Ом.

При снижении напряжения до величины В уменьшается соответственно и ток нагрузки, равный току якоря: А.

ЭДС обмотки якоря в этом случае определится:

в.

Этому значению ЭДС соответствует на характеристике Х.Х. I_в = 1,55 А. При этом сопротивление цепи возбуждения — .

Ом.

Сопротивление регулировочного реостата: Ом.

Задача 8.

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением характеризуется следующими номинальными величинами: напряжение U_н, мощность Р_н. Мощность потерь в номинальном режиме в % от Р_н, в цепи возбуждения Р_в.

1) Номинальный ток нагрузки генератора I_н;

2) Номинальный ток возбуждения I_в;

3) Номинальный ток якоря I_я;

4) Сопротивление цепи якоря R_я;

5) ЭДС якоря при токе, равном номинальному;

6) Сопротивление цепи возбуждения при токе возбуждения, равном номинальному;

7) сопротивление обмотки возбуждения, принимая, что при холостом ходе генератора и полностью выведенном реостате в цепи возбуждения ток в этой цепи составляет 1,5I_вн.

При решении воспользоваться зависимостью Е=f(I_в).

Задача 9.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения включён в сеть U = 110 В, сопротивление обмотки якоря двигателя R_я = 0,07 Ом. При половинной нагрузке частота вращения двигателя n = 1400 об/мин, якорный ток I_я = 74 А. Определить частоту вращения двигателя, если в цепь якоря включено внешнее добавочное сопротивление R_доб = 0,3 Ом, а нагрузочный момент увеличился вдвое. При этом пренебречь реакцией якоря, а падение напряжения на щётках считать равным В.

Момент двигателя постоянного тока . Сравним два режима работы. Так как реакцией якоря можно пренебречь, в обоих случаях поток остаётся неизменным, а поэтому: , .

А.

Уравнение электрического равновесия:

, отсюда для первого случая:

В,

.

Для второго случая:

, об/мин.

Задача 10.

Для тяговых двигателя последовательного возбуждения одинаковой конструкции нагружаются поочерёдно. Напряжение сети U = 500 В. В начале к сети подключается один из этих двигателей и нагружается до тех пор, пока его частота вращения не достигнет n₁ = 700 об/мин. Потребляемый из сети ток этого двигателя равен I_я1 = 50 А. Затем то же самое проделывают со вторым двигателем. При той же частоте вращения потребляемый из сети ток I_я2 = 55 А. Внутренне сопротивление цепи якоря каждого двигателя R_я = 0,3 Ом. Валы двух двигателей соединены муфтой. Их электрические цепи соединены последовательно и подключены к сети U = 500 В. Затем оба двигателя нагружаются до тех пор, пока потребляемый ток достигнет значения = 50 А.

Какова частота вращения машин и в каком соотношении находятся их потребляемые мощности? Предположим, что магнитная цепь машин не насыщена и при малых изменениях магнитный поток изменяется пропорционально току.

Определим индуктированные ЭДС двигателей при их раздельном испытании.

В,

,

.

В,

.

При последовательном включении двигателей:

По условию задачи, магнитный поток изменяется пропорционально току. Так как , поток первого двигателя не изменяется .

Поток второго двигателя определён из соотношения:

, .

,

об/мин.

Определяем напряжение на выводах каждого двигателя:

В,

В.

Отношение потребляемых мощностей:

.

Задача 11.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет следующие номинальные данные: Р_н = 12 кВт, U_н = 220 В, n_н = 685 об/мин, I_н = 64 А, I_вн = 1,75 А. Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии R_я = 0,281 Ом.

Определить скорость вращения якоря двигателя при Х.Х. и тормозном моменте на валу, равном 0,6М_н. Поострить естественную механическую характеристику. Размагничивающим действием реакции якоря пренебречь.

Скорость вращения якоря в режиме идеального Х.Х., когда U_н = Е_о, , скорость вращения в режиме номинальной нагрузки . Из этих двух соотношений:

об/мин.

Соотношение токов – по схеме по ходу решения.

Условие динамического равновесия при работе двигателя: . Поэтому при изменении тормозного момента изменяется и .

.

Вращающий момент пропорционален току якоря. При постоянном магнитном потоке (реакцией якоря пренебрегаем) вращающий момент изменяется вследствие соответствующего изменения тока якоря. Следовательно, при

,

А,

А.

Записываем выражения, определяющие скорости при и .

, .

Взяв отношение этих скоростей, получим:

= 708 об/мин.

Механическая характеристика n = f(М). Для рассматриваемого двигателя – это прямая линия. Строим по двум точкам: М = 0, n = n_o = 740 об/мин. М = 0,6М_вр.ном, об/мин.

Естественная механическая характеристика – в цепи якоря отсутствует добавочное сопротивление.

1. Составить уравнение баланса мощностей для двигателя в номинальном режиме.

;

В;

220·62,25 = 202,5·62,25 + 62,25·0,281;

13695 = 12605,6 + 1088,9;

2. Какое дополнительное сопротивление R следует включить в цепь якоря двигателя, чтобы при М = 0,6М_н скорость его вращения снизилась до 630 об/мин?

Соотношение аналогично тому, при котором определилось : дополнительно последовательно с обмоткой якоря включается сопротивление R

, отсюда определяем R

= 0,623 Ом.

При введении в цепь якоря R получим искусственную механическую характеристику (график).

3. Определить мощность потерь в регулировочном сопротивлении

Вт.

Задача 12.

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, компенсированный (магнитный поток постоянен), номинальная мощность Р_ном = 22 кВт, число полюсов 2р = 4, напряжение на выводах U = 220 В, номинальная частота вращения n = 1500 об/мин, КПД . На якоре N = 248 проводников, обмотка – волновая, внутреннее сопротивление обмотки якоря R_я = 0,1 Ом. Напряжение возбуждения U_в = 220 В, сопротивление обмотки возбуждения R_в = 82,5 Ом. Пренебречь падением напряжения на щётках, потерями на трение и вентиляцию, а также реакцией якоря.

1) Рассчитать естественную механическую характеристику, считая сопротивление якорной цепи R_я, рассчитать искусственную механическую характеристику при добавочном сопротивлении в цепи якоря R_доб = 2 Ом;

2) Определить добавочное сопротивление, включаемое последовательно с якорной цепью, для номинального момента, чтобы получить n = 900 об/мин;

3) Определить, насколько нужно уменьшить напряжение на выводах, если необходимо установить n = 900 об/мин при номинальном моменте;

4) Определить, насколько нужно увеличить сопротивление цепи возбуждения, чтобы частота вращения стала равной = 1600 об/мин при номинальном моменте. Характеристика холостого хода машины приведена в виде таблицы

	206,5
	0,5	1,5	2,2

1) Механическая характеристика двигателя – это зависимость частоты вращения от момента n = f(M).

Если считать поток постоянным и пренебречь падением напряжения на щётках, то

.

Получим уравнение прямой, наклон которой к горизонтальной оси определяется величиной m. Теоретически при идеальном холостом ходе I_я = 0 и . В действительности из-за потерь в машине ток в якоре при холостом ходе не может быть равным нулю.

Итак, . Величину С_Е·Ф определим из уравнения ЭДС для номинального режима.

.

об/мин.

А.

n_х = 1583, М = 0 – точка Х.Х. естественной механической характеристики (рис. 8).

Вторая точка – определяется номинальным режимом

М_ном = .

На графике – естественная механическая характеристика – 1.

Для искусственной механической характеристики первая точка – точка холостого хода.

Вторую точку можно определить как точку пуска: n = 0, М = М_пуск.

А.

Момент в номинальной точке и пусковой момент: , . Из двух уравнений находим М_пуск.

На графике – искусственная механическая характеристика 2.

2) Введение добавочного сопротивления в цепь якоря – один из способов регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока (уменьшение).

Так регулирование происходит при постоянном моменте, ток якоря в установившемся режиме остаётся неизменным. Если М = М_ном, то и I_я = I_я.ном, а поэтому , делаем числовые подстановки и определяем величину добавочного сопротивления:

.

.

125,064 = 220 – 11,56 — R_доб·115,6,

Механическая характеристика на графике – 3.

Изменение оборотов ,

.

3) Изменение величины питающего напряжения – ещё один способ регулирования частоты вращения двигателя (уменьшение).

Механические характеристики при сохранении неизменным момента в случае уменьшения напряжения сдвигаются параллельно естественной характеристике. При номинальном моменте разность частот вращения об/мин. Из параллельности прямых следует, что новая частота вращения холостого хода при пониженном напряжении об/мин.

Для идеального холостого хода:

, , отсюда

.

Итак, напряжение питания надо уменьшить на 83,4 В. Механическая характеристика на графике – 4.

4) Изменение сопротивления цепи возбуждения – ещё один способ изменения скорости вращения двигателя (увеличение).

Уравнение механической характеристики:

, ( ).

Если увеличивается сопротивление цепи возбуждения, ток возбуждения уменьшается, уменьшается и основной поток. Механическая характеристика становится более крутой, частота вращения в режиме холостого хода растёт.

Определим постоянные машины:

, .

При заданной частоте вращения определим величину магнитного потока:

,

,

,

,

, .

Выбираем первое решение, так как второе слишком мало для машины с Истинный магнитный поток машины

Частота вращения при холостом ходе:

.

На графике – механическая характеристика – 5.

При магнитном потоке индуцированная ЭДС:

.

По характеристике холостого хода определяется ток возбуждения: .

Требуемое сопротивление цепи возбуждения:

.

Отсюда

Задача 14.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением выполнен на номинальное напряжение 220 В. Данные номинального режима электродвигателя: мощность , скорость вращения якоря , КПД . Ток в цепи возбуждения составляет % от номинального тока электродвигателя. Мощность потерь в цепи якоря при номинальной нагрузке составляет 5,0% от суммарной мощности потерь в электродвигателе.

1) номинальный момент на валу электродвигателя;

2) ток , потребляемый электродвигателем из сети при номинальной нагрузке;

3) токи в цепи возбуждения и в цепи якоря при номинальной нагрузке;

Механическая характеристика двигателя постоянного тока

Описание механистических свойств для двигателей, которые питаются от постоянного тока помогает точно узнать все свойства конкретного агрегата. Кроме того, такое описание поможет определить, соответствует ли привод всем современным требованиям.

Устройство электродвигателя постоянного тока

Особенность, объединяющая все электромоторы между собой – их строение. Каждый из них представлен ротором (элемент, приходящий в движение), расположенным наверху относительно статора (этот элемент всегда отсается неподвижным). Такие машины повсеместно используются в механизмах, ну чрезвычайно важна регулировка темпа с сохранением стабильной работы агрегата.

Конструктивно каждый из описываемых в статье приводов имеет следующий вид:

• ротор, в строении которого присутствует много катушек со специфическим обмоточным покрытием (намотки);
• статичный индуктор (статор), визуально имеет совершенно стандартный вид, однако характерен присутствием неких дополнений – полюсов;
• щеточный коллектор в форме цилиндра, который расположен на валу (он имеет изоляцию из медных пластин);
• контактные щетки (они достаточно надежно зафиксированы и используются для того, чтобы подвести достаточное количество электротока).

Контактные щетки в электроприводах с подобным питанием сделаны из графита или графита и меди. Из-за работы вала контактная группа замыкается и размыкается, что приводит к образованию искр. Передача ременного типа способствует поступлению некоторого количества энергии ко всем остальным частям агрегата.

Действие мотора

Для синхронных приборов характерна смена задач, выполняемых статором и ротором. Статор – неподвижная часть устройства, созданная, чтобы возбуждать поле, в ротор – вращающаяся часть, предназначен для преобразования энергии.

Работа якоря, при влиянии на него поля, осуществляется с помощью электродвижущей силы (ЭДС), а направление движения определяется правилом правой руки. С поворотом в другую сторону, поворачивается и ЭДС.

С помощью щеток коллектор осуществляет соединение с витковыми сторонам, что удаляет пульсирующее напряжение и приводит к образованию электротоковой величины. Пульсация снижается с помощью добавочных витков.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Ротор привода (М) и катушка(LM) характерны последовательным включением. Они питаются от общего источника под буквой U. Электроток от ротора Iя – это и возбуждающий Iв.

Описанная выше схема определяет единственный фактор, отличающий прибор с последовательным видом подключения. Обмотка возбуждения двигателя с ПВ, обозначенная на рисунке как LM, имеет такое же сечение, как и катушка в якоре.

Когда ротор приходит во вращение, в его намотках действует электродвижущая сила (ЭДС) под буквой Е. На схеме видно, что ЭДС двигается навстречу к направлению U. В этом и заключается двигательный режим.

Величина Е вычисляется с помощью угловой скорости электропривода (ω), магнитного потока (Ф), конструктивного коэффициента (k=(p*N)/(2*π*a), в котором р – пары полюсов, N – активные проводники катушек, а – параллельные ветки обмоток ротора)):

Якорный электроток Ія и Е (а точнее, их направление) на рисунке выше изображено для режима машины.

Значения, допустимые для роторного тока, имеют некоторые ограничивающие условия. Это условия коммутации и прочности якоря. В целом, значение такого тока не должно быть выше стандартного Іян, чем в 2,5 раза, т.е.: Ія дополнительное ≤ 2,5 Iя ном.

Согласно уравнению равновесных напряжений, в действующем состоянии агрегата напряжение U, которое приложено к цепи ротора, уравновешивает снижение напряжения в этой цепи (ІяRяц) и ЭДС вращения Е:

Rяц = Rя+Rдп+Rко+Rв+Rп. Это формула суммарного сопротивления цепи якоря. Все пять показателей означают:

• Rя – намотка якоря;
• Rдп – намотка добавочных полюсов;
• Rко – катушка компенсации;
• Rв – обмотка возбуждения;
• Rп – пусковой реостат.

В режиме, который уже становился, сопротивление катушки якоря вычисляют следующим образом:

Когда ЭДС равна нулю (как правило, в режиме пуска), ток якоря превышает допустимый диапазон значений. Чтобы ограничить пусковой электроток, используют пусковой реостат. Rп должна попадать в диапазон Iя пусковой ≤ Iя дополнительный.

Для получения аналитического выражения, с использованием которого можно вычислить параметры ДПТ, за основу нужно взять уравнение равновесия напряжений. Вместо Е (ЭДС вращения) туда нужно подставить ее значение и решить то, что получилось относительно скорости.

Итог – значение зависимости темпа привода ω от электротока Iя ω=f(Iя). Это выражение получило название электромеханической характеристики, а выглядит оно так:

ω = (U/kФ) — (Iя Rяц/kФ)

Последовательное включение якоря машины говорит о том, что Ф (магнитный поток, который создает упомянутая катушка) – это функция Iя. Ф = f(Iя) – это зависимость, получившая название «кривая намагничивания». Она нелинейная, характер по типу зоны насыщения.

Аналитическое описание это кривой пока не дели, так что аналитически точно описать

черты машины постоянного тока с ПВ невозможно.

Если пренебречь насыщением магнитной системы и сделать предположение о том, что существует линейная зависимость между магнитным потоком Ф и якорным электротоком Iя (коэффициент пропорциональности при этом – α), т.е. Ф=αIя, то вычисление вращающего момента будет выглядеть вот так:

Значение Ія при этом будет таким:

Если подставить в уравнение, которые вычисляет электромеханические значения значение якорного тока, то свойства будут называться механическими, а выглядеть так:

при этом, А=U/k*α; В= Rяц /(k*α) – константы.

Если проанализировать уравнение механистической характеристики, получим следующее:

• ось ординат – асимптота кривой;
• в области значений малых моментов ось ординат обладает большей крутизной.

Когда сопротивление пускового реостата равно нулю, и напряжение U равно стандартному напряжению, рабочие параметры мотора естественная.

Чтобы построить такую характеристику, достаточно использовать универсальные параметры, которые, зачастую, приводятся в каталоге серии. Они представлены в виде зависимостей n=f(Iя), а также М= f(Iя), единицы при этом относительные. Если вы знаете номинальные значения привода, его свойства легко определить в абсолютной величине.

Чтобы построить такую характеристику, достаточно использовать универсальные параметры, которые, зачастую, приводятся в каталоге серии. Они представлены в виде зависимостей n=f(Iя), а также М= f(Iя), единицы при этом относительные. Если вы знаете номинальные значения привода, его свойства легко определить в абсолютной величине.

Особенность естественных черт – резкий рост скорости с одновременным уменьшением момента сопротивления (Мс). Эта особенность является главной причиной того, почему ДПТ с ПВ никогда не включают, когда момент сопротивления меньше 15/20% от Мн. Ведь в этом случае темп мотора может быть выше, чем ω дополнительное = 2,5ω номинальное.

Объясняется эта особенность во время рассмотрения процессов в приводе, когда нагрузка начинает уменьшаться. Например, машина, работая в точке А на естественных параметрах (скорость = ω1). Если Мс1 уменьшиться до Мс2, то появится положительный момент МД, а сам электродвигатель начнет действовать с большей скоростью.

В ДПТ с последовательным возбуждением ЭДС вращения – это функция:

• скорости, которая увеличивается (ω);
• уменьшающегося потока (Ф).

Результат – Е, а вместе с ней и ток якоря, а также М, не будут претерпать существенные изменения по мере нарастания темпа. Это сохранит МД и только способствует дальнейшему нарастанию темпа работы машины.

А если Rп принимает любое значение, кроме нуля, то снижение скорости (статическое, Δωс) станет гораздо заметнее, чем на естественных параметрах в условиях одинакового значения обоих моментов. Наклон характеристики реостата при этом будет к оси абсцисс.

Механические свойства двигателя, возбуждение которого независимо

В электроприводе с независимым включением катушка якоря подключается к отдельному источнику питания. В таком случает к цепи этой катушки включают реостат регулирования (rрег). К цепи якоря при этом подключают реостат пуска или добавочный реостат (Rп).

Характерное отличие двигателей с отдельным подключением заключается в независимости Iв от Iя. Это связано с тем, что намотка возбуждения получает отдельное питание.

Уравнение, с помощью которого описывают ДПТ с отдельным включением намотки, выглядит следующим образом:

В этом уравнении n0 означает частоту, с которой вращается вал во время холостого хода, а Δn показывает то, как изменяется эта частота при возникновении нагрузки на мотор.

Это уравнение доказывает прямолинейность параметров ДПТ с НВ, а также факт пересечения ими оси ординат в точке n0 (холостой ход).

В то же время Δn (величина изменения частоты вращения вала машины при росте нагрузки на него) прямо пропорционально сопротивлению якорной цепи Ra =∑R + R добавочное.

Следовательно, когда сопротивление якорной цепи наиболее низкое Ra = ∑R, т. е. R добав. = 0, величина перепада частоты вращения вала Δn тоже будет наименьшим.

Параметры при этом будут жесткими (график 1).

Как мы уже узнали из предыдущего раздела, естественными свойствами электромотора переменного тока называют такие характеристики, которые были получены при номинальном напряжении на намотках якоря и намотках возбуждения. Добавочное сопротивление при этом должно отсутствовать. Это показано на графике 1, где R добав. = 0.

При изменении хотя бы одного из параметров, приведенных ниже, т.е. при несоответствии напряжения на катушках (якоря или возбуждения) их значениям, или когда сопротивление якорной цепи меняется посредством введения R добав., свойства становятся искусственными.

Такие параметры, которые были получены посредством введения в якорную цепь добавочного сопротивления, еще называют реостатными (графики 2, 3).

Оценивание регулировочных черт ДПТ опирается на парметры n = f(М). Если момент нагрузки на вал не изменяется, а добавочное сопротивление растет, частота будет уменьшаться.

Вычисление добавочного R, помогающее получить механические признаки, что соответствуют необходимой частоте, с которой вращается вал, при некоторой нагрузке, как правило, номинальной для ДПТ с НВ происходит следующим образом:

Как видно, формула требует знания напряжения в цепи якоря, В; электротока якоря при той нагрузке, которая была задана, А; требуемой частоты работы вала агрегата, оборотов/минута; частоты работы вала при холостом ходе, оборотов/минута.

Частота вращения вала при холостом ходе – пограничная частота. Если ее превысить, то прибор автоматически перейдет в режим работы генератора. Такая частота выше стандартной на столько, на сколько величина стандартного напряжения выше номинальной электродвижущей якорной силы Eя. Нагрузка на машину при этом также носит номинальное значение.

Форма характеристики зависит от величины Ф (основной магнитный поток). Если R резистора растет, то Ф уменьшается, а частота работы вала во время холостого хода растет. Вместе с этим растет и разница между частотами вращения вала.

Такой процесс неизбежно приводит к тому, что жесткость механической характеристики привода растет.

При изменении напряжения в якорной обмотке (с условием неизменности Rдоб и Rрег), следом измениться только n0. Перепад частоты будет таким же. Итог – смещение механистических параметров по оси ординат, но сохранение параллельности между ними.

Созданные условия считаются наиболее благоприятными для того, чтобы регулировать частоту вала агрегата изменением напряжения, которое подводят к якорной цепи. Этот способ регулирования частоты получил самое больше распространение во всем мире.

Механические параметры мотора со смешанным возбуждением

1. Принципиальная схе­ма включения двигателя посто­янного тока смешанного воз­буждения. 2. Зависимость момен та М и угловой скорости ω*, от тока якоря I*, для двига­теля постоянного тока смешан­ного возбуждения (в относитель­ных единицах).

В машине постоянного тока со смешанным возбуждением, как понятно из названия, есть две намотки: одна независимая (ОВ2), а вторая последовательная (ОВ1). Такая конструкция влияет и на свойства привода. Они находятся как бы посередине относительно ДПТ с последовательным и независимым возбуждением.

У электропривода со смешанным возбуждением нет аналитического выражения, что связано с изменением магнитного потока в случае уменьшения или увеличения нагрузки. Следовательно, расчет параметров обычно происходит с использованием естественной, которую можно найти в каталоге. Эти парметры можно увидеть на рисунке ниже.

Электромотор со СВ, в отличие от ДПТ с ПВ, обладает темпом идеально холостого хода в качестве конечного значения. Этот темп определяет только магнитный поток, возникший от магнитодвижущей силы намотка, которая подключена отдельно (Ф0). Вычисляется она так:

Соотношение магнитодвижущей силы независимых и последовательных обмоток отличается. Это значение зависит от серии, в которой был выпущен агрегат. Самым распространенным соотношением называют то, при котором МДС двух обмоток равны при условии номинального электротока.

Темп у электропривода постоянного тока со СВ сильно изменяется в условиях малой нагрузки, а если увеличивать ее постепенно, то уменьшаться темп будет практически по прямой, аналогично двигателю с отдельным подключением обмоток.

Связано это с тем, что большие нагрузки приводят к насыщению агрегата. В таком случае даже с изменением МДС катушек, подключенной последовательно, изменения магнитного потока совершенно не значительны.

Чтобы рассчитать реостатные свойства можно применять метод построения характеристики для двигателя постоянного электротока с параллельным возбуждением обмоток, который мы рассмотрели выше.

Торможение двигателя такого типа может проходить с помощью трех способов:

• когда энергия отдается в сеть;
• динамический;
• противовключение.

В первом случае, когда энергия отдается в сеть, электротоки в якоре и последовательно подключенной намотке меняют направления своего движения, что может привести к размагничиванию агрегата. Во избежание таких последствий, когда последовательная обмотка переходит через угловую скорость со0, ее шунтируют. Это делает прямыми те параметры, которые находятся в квадранте II на рисунке ниже.

Свойства при динамичном торможении выглядят так же, потому что такое торможение происходит, как правило, только в случае, когда включена одна параллельная катушка. Магнитный поток Ф при этом является постоянным.

Когда происходит торможение посредством противовключения, признаки такого способа нелинейные. На это влияет изменяющаяся МДС в намотке, подключенной последовательно с изменяющейся нагрузкой.

Бытовое и производственное применение подобных двигателей

Машины с упомянутым типом питания, в независимости от типа подключения обмотки, получили широкое распространение во всем мире. На производствах его используют в следующих устройствах и приборах:

• грузоподъемные краны на разных тяжелых производствах;
• в приводах, которые требуют широкого диапазона регулирования скорости и высокого пускового момента (ими могут быть установки для подъема, различные станы (прокатные и обжимные);
• приводы в механизмах, обеспечивающих напор, натяжение или для поворота экскаваторов;
• в тяговых электромоторах (тепловозный и теплоходный транспорт, а также работающие в карьерах транспортные средства по типу самосвалов);
• электростартеры в автомобилях и тракторах. Чтобы уменьшить номинальное напряжение в стартере автомобиля, использую ДПТ, которые оборудованы четырьмя щетками. Они способствуют значительному уменьшению комплексного сопротивления в якоре. В статоре при этом четырехполюсной, а сила пускового электротока в таких стартерах составляет 200 А. Они действуют в кратковременном режиме.

Двигатели с малой мощностью обычно ставят в:

• игрушки
• компьютерную технику
• организационную (офисную) технику
• инструменты с аккумуляторами.