Электрические машины (стр. 2 )

1.1. Основные понятия

Отличительным признаком коллекторной машины постоянного тока является наличие в ней щеточно-коллекторного узла - механического преобразователя. Через коллектор и щетки осуществляется связь рабочей обмотки (обмотки якоря) с электрической нагрузкой, если машина является генератором, или с источником питания, если машина является двигателем.

Рабочая обмотка расположена на вращающейся части машины - якоре, и называется обмоткой якоря. Эта обмотка состоит из секций, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему проводников и она, как правило, делается двухслойной. Секции обмотки могут быть одновитковыми или многовитковыми. Обмотки якоря могут быть волновыми и петлевыми, простыми, сложными и комбинированными.

ЭДС обмотки якоря пропорциональна основному магнитному потоку возбуждения Ф и частоте вращения

,

где - коэффициент, определяемый конструкцией обмотки якоря: числом пар полюсов , количеством пазовых сторон (проводников) , составляющих обмотку, и числом пар параллельных ветвей в обмотке а

.

Электромагнитный момент , возникающий на якоре при прохождении тока по обмотке якоря, Н×м,

,

где - коэффициент, определяемый конструкцией обмотки якоря:

Основной магнитный поток машины постоянного тока определяется выражением, Вб:

где - магнитная индукция в воздушном зазоре машины, Тл; - расчетная длина сердечника якоря, м; - полюсное деление, м; = 0,6 - 0,8 - коэффициент полюсного перекрытия.

Электромагнитный момент машины постоянного тока прямо пропорционален электромагнитной мощности

и обратно пропорционален частоте вращения якоря

.

Важным процессом, влияющим на рабочие свойства машины постоянного тока, является реакция якоря. В результате влияния этого процесса происходит искажение магнитного поля в воздушном зазоре и зубцовом слое якоря машины и ее размагничивание. Для ослабления нежелательного воздействия реакции якоря в машинах постоянного тока применяют добавочные полюсы, а в машинах значительной мощности - еще и компенсационную обмотку.

МДС возбуждения при номинальной нагрузке, достаточное для компенсации влияния реакции якоря, А:

,

где - МДС обмотки возбуждения в режиме холостого хода, А; — приращение МДС возбуждения, компенсирующее влияние якоря по поперечной оси, А.

Приращение МДС возбуждения, компенсирующее влияние якоря по поперечной оси:

,

где - коэффициент реакции якоря, определение которого ведется по графику (рис. 1); - МДС обмотки якоря на пару полюсов, А,

.

МДС обмотки возбуждения в режиме холостого хода:

,

где - магнитное напряжение воздушного зазора, А ( = - коэффициент магнитного насыщения магнитной цепи машины; - магнитная индукция в воздушном зазоре машины, Тл; = 1,2 -1,7 - коэффициент воздушного зазора, учитывает увеличение воздушного зазора, вызванное зубчатой поверхностью якоря.

Рис. 1. График : нижняя граница графика соответствует магнитной индукции в зубцах сердечника якоря = 1,7 Тл, а верхняя - = 2,3 Тл

Основной магнитный поток, возбуждающий машину постоянного тока, создается обмоткой возбуждения. В зависимости от способа включения этой обмотки относительно обмотки якоря, машины постоянного тока разделяются на машины независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис. 2). Способ возбуждения в значительной степени влияет на свойства генераторов и двигателей постоянного тока.

Рис. 2. Способы возбуждения машин постоянного тока: а - независимое; б - параллельное; в - последовательное; г - смешанное

.

Для генераторов постоянного тока справедливо уравнение напряжений

где - сопротивление в цепи обмотки якоря: собственно обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов и т. д.; - падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток, зависит от марки примененных в машине щеток (в практических расчетах этими потерями можно пренебречь). Тогда

.

При оценке свойств генераторов постоянного тока используется понятие номинального изменения напряжения на выходе генератора при сбросе нагрузки:

,

где - напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода.

Величина зависит от способа возбуждения генератора. Например, для генератора независимого возбуждения она составляет 5-10%.

Для двигателей постоянного тока уравнение напряжений имеет вид (если потерями в щеточном контакте пренебречь):

т. е. ЭДС индуцируемая в обмотке якоря, меньше подводимого напряжения U на величину внутреннего падения напряжения в цепи якоря . Отсюда ток якоря

Iя=(U - Eя)/.

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока, Н×м,

= 9,55Р2 /.

Момент на валу двигателя, т. е. полезный момент, Н×м:

М2 = М - М0 = 9,55Р2/,

где М0 - момент холостого хода; Р2 - полезная мощность двигателя,

,

где - КПД двигателя; - подводимая к двигателю электрическая мощность.

Коэффициент полезного действия машины постоянного тока

,

где - суммарные потери в машине.

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока, об/мин,

.

При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики = f(M). Важными показателями этих характеристик являются их жесткость и линейность.

Жесткость механической характеристики определяется углом наклона характеристики к оси ординат: чем меньше этот угол, тем менее жесткой (более мягкой) является эта характеристика.

У двигателей независимого (параллельного) возбуждения механические характеристики прямолинейны. Наиболее жесткой является естественная механическая характеристика, ее наклон к оси ординат лишь немногим меньше 90°. Для получения более мягких механических характеристик обычно в цепь якоря последовательно включают резистор, создающий в этой цепи добавочное сопротивление : с увеличением механические характеристики становятся «мягче», при этом характеристики остаются прямолинейными (рис.3).

Рис. 3. Схема включения (а) и механические характеристики (б) двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Наиболее ответственным является процесс пуска двигателя постоянного тока. Так, начальный пусковой ток двигателя при непосредственном его включении в сеть может достигать опасных для двигателя значений, нарушающих работу щеточно-коллекторного узла и способного вызвать «круговой огонь» на коллекторе. Кроме того, такой ток создает чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий на вращающиеся части электропривода ударное воздействие, способное механически разрушить их

В связи с этим большое практическое значение имеет решение задач по расчету пусковых реостатов двигателей постоянного тока. Применяют два метода расчета пусковых реостатов: графический и аналитический. В основе графического метода лежит пусковая диаграмма двигателя. В представленной на рис. 4 пусковой диаграмме с применением трехступенчатого пускового реостата Kl, K2 и КЗ являются контактами силовых контакторов, посредством которых осуществляется переключение ступеней реостата, а , и - резисторы ступеней пускового реостата.

Рис. 4. Пусковая диаграмма двигателя постоянного тока

с трехступенчатым пусковым реостатом

Значения начального пускового тока и тока переключений обычно принимают:

= (l,5...2,5); = (1,0...1,3).

Отличительным признаком двигателей последовательного возбуждения является то, что ток возбуждения одновременно является и током нагрузки. По этой причине магнитный поток возбуждения в двигателе последовательного возбуждения зависит от нагрузки.

Механическая характеристика двигателя = f(M) для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения будет нелинейной, и ее жесткость на разных ее участках неодинакова: при малых нагрузках частота вращения двигателя значительна и характеристика мягкая, с увеличением нагрузки характеристика становится более жесткой, частота вращения уменьшается, а при нагрузке, близкой к номинальной, характеристика становится еще более жесткой. Объясняется это тем, что при такой нагрузке магнитная система насыщена и величина магнитного потока становится практически не зависящей от величины тока нагрузки.