Процесс преобразования энергии в электрических машинах. Режимы их работы (стр. 6 )

вентиляцией (б): 1 — вход воздуха; 2 — выход воздуха; 3 — вентилятор; 4 — сердечник якоря; 5 — полюсы; 6 -_ коллектор; 7 — внешний вентилятор; 8 — воздухопровод; 9 — тяговый двигатель" width="300" height="142"/>

Рис. 91. Схемы прохождения охлаждающего воздуха в машинах с самовентиляцией (а) и независимой вентиляцией (б): 1 — вход воздуха; 2 — выход воздуха; 3 — вентилятор; 4 — сердечник якоря; 5 — полюсы; 6 — коллектор; 7 — внешний вентилятор; 8 — воздухопровод; 9 — тяговый двигатель

При такой вентиляции воздух распределяется внутрь машины двумя параллельными потоками, как и при самовентиляции.

Охлаждение оказывает большое влияние на работу электрических машин. Мощность, которую можно получить от электрической машины, ограничена предельной температурой, которую может выдержать изоляция ее обмоток. Поэтому при интенсивном охлаждении значительно снижается нагрев обмотки, что позволяет повысить мощность, которую может отдать машина.

§4. Основы работы электродвигателей

Э. д. с. и ток нагрузки электродвигателя. Э. д. с. электродвигателя определяется по той же формуле, что и для генератора [см. формулу (59)].

Ток Iя в цепи обмотки якоря электродвигателя (ток нагрузки) определяется разностью питающего напряжения U и э. д. с. Е, которые направлены по контуру цепи якоря встречно (см. рис. 69, а). Поэтому согласно второму закону Кирхгофа получим:

U – E = Iя? Rя

откуда

Iя = (U – E) / ?Rя (64)

Из формулы (64) следует, что от э. д. с. Е зависит сила тока Iя и, следовательно, мощность, потребляемая двигателем. Если э. д. с. уменьшается, например, при уменьшении частоты вращения п (в результате возрастания механической нагрузки на валу) или магнитного потока Ф, то возрастает ток Iя и мощность, потребляемая электродвигателем.

Частота вращения и вращающий электромагнитный момент. Формулу для частоты вращения электродвигателя можно получить из формулы (59), если подставить в нее э. д. с. E = U – Iя? Rя:

n = E / (cEФ) = (U – Iя? Rя) / (cEФ) (65)

Электромагнитный вращающий момент электродвигателя определяется по той же формуле, что и электромагнитный тормозной момент генератора [см. формулу (63')]. При работе электродвигателя под нагрузкой на его вал, кроме вращающего электромагнитного момента М, действует еще противоположно направленный внешний тормозной момент Мвн (см. рис. 68, в), создаваемый приводимым им в движение механизмом. Например, в грузоподъемных механизмах поднимаемый груз оказывает сопротивление вращению якоря электродвигателя, который тянет трос с подвешенным к нему грузом. При работе электровозов и тепловозов масса поезда и самого локомотива, различные виды трения (колес о рельсы, осей в буксовых подшипниках локомотива и вагонов, различных движущихся частей в локомотиве и его тяговых двигателях), а также давление воздуха на торцовую поверхность локомотива и вагонов создают сопротивление движению поезда, которое приходится преодолевать тяговым двигателям этих локомотивов. Чем больше масса состава, скорость движения или подъем, по которому следует поезд, тем больше сопротивление, оказываемое вращению тяговых двигателей локомотива.

В зависимости от значений этих моментов якорь электродвигателя ускоряется (при М > Мвн), замедляется (при М < МВН) или вращается с постоянной частотой (при М = МВН). Следовательно, при равномерном вращении якоря (после окончания периода разгона или торможения) электромагнитный вращающий момент М определяется тормозным внешним моментом МВН, приложенным к его валу. Например, при увеличении внешнего момента МВН равновесие моментов нарушается и частота п вращения якоря уменьшается. Это вызывает уменьшение э. д. с. E, индуцируемой в обмотке якоря, и, следовательно, увеличение тока Iя и электромагнитного момента М. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока моменты М и МВН не уравняются. После этого якорь будет снова вращаться с постоянной частотой, несколько меньшей, чем до увеличения момента МВН. Следовательно, электродвигатели обладают свойством саморегулирования: при увеличении внешнего момента МВН приложенного к валу, автоматически возрастает ток в обмотке якоря и электромагнитный момент М, пока не будет обеспечено условие М = МВН.

Процесс изменения момента М при увеличении момента МВН можно объяснить также исходя из энергетических соотношений. При увеличении внешнего момента МВН увеличивается механическая энергия, которую электродвигатель отдает приводимой во вращение колесной паре или производственному механизму. Следовательно, должна увеличиться электрическая энергия, потребляемая двигателем от источника (контактной сети, тепловозного генератора), т. е. ток Iя, поступающей в обмотку якоря, и создаваемый им момент М.

Из рассмотренных условий изменения момента М при увеличении или уменьшении момента МВН следует, что ток Iя в обмотке якоря зависит от механической нагрузки на валу электродвигателя. Чем больше тормозной момент МВН, приложенный к валу, тем больше должен быть ток Iя, чтобы создать электромагнитный вращающий момент М? МВН Из формулы M = cMФ Iя можно получить

Iя = M / (cEФ) ? Мвн / (cEФ) (66)

По этой причине ток обмотки якоря часто называют током нагрузки электродвигателя.

Из формулы (66) следует также, что ток Iя зависит от магнитного потока Ф. Физически это объясняется следующим образом. Если уменьшить поток Ф, то должны уменьшиться электромагнитный момент М и э. д. с. в обмотке якоря Е. Однако это сейчас же приведет к увеличению тока Iя, который будет возрастать до тех пор, пока момент М не уравняется с внешним моментом МВН.

§5. Пуск в ход электродвигателей постоянного тока

Для пуска двигателя могут быть применены три способа: прямой пуск; реостатный пуск; пуск путем изменения питающего напряжения.

Прямой пуск. При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. Обычно в электродвигателях постоянного тока падение напряжения Iя? Rя во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5—10% от Uном, поэтому при прямом пуске ток Iя = Uном / ?Rя = (10-20)Iном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применяют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление? Rя относительно велико, и лишь в отдельных случаях — для двигателей мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей пусковой ток Iп= (4-6)Iном.

Реостатный пуск. Наибольшее применение получил реостатный пуск, при котором для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат Rп (рис. 130, а); он обычно имеет несколько ступеней (секций) R1, R2, R3, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2 и 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя.

Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере электродвигателя с последовательным возбуждением. В начальный момент пуска при п = 0 в цепь обмотки якоря вводится максимальное сопротивление Rп = R1 + R2 + R3, вследствие чего пусковой ток согласно закону Ома

Iп = U / (?Rя+Rп)

Сопротивление Rп подбирают так, чтобы для машин большой и средней мощности Iп= (1,5-1,8)Iном, а для машин малой мощности Iп= (2-2,5) Iном При включении в цепь обмотки якоря сопротивления Rп двигатель разгоняется по реостатной характеристике 1 (рис. 130, б), при этом в начальный момент пуска двигатель развивает максимальный пусковой момент Мп mах. Регулировочный реостат Rрв в этом случае выводят так, чтобы ток возбуждения Iв и поток Ф были максимальными. После того как якорь двигателя придет во вращение, в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Е и ток

Iя = (U-E) / (?Rя+Rп)

По мере разгона двигателя и увеличения частоты вращения n растет э. д. с. Е, вследствие чего уменьшается ток в обмотке Iя и электромагнитный момент М. При достижении некоторого значения Mп min ступень R1 сопротивления пускового реостата выключают, замыкая контактор 1, вследствие чего увеличивается ток Iя. Электромагнитный момент при этом возрастает до Мп max, а затем с увеличением частоты вращения п постепенно уменьшается по реостатной характеристике 2, соответствующей сопротивлению реостата R’п = R2 + R3. При уменьшении момента до Mп min выключают контактором 2 часть R2 сопротивления пускового реостата, и двигатель переходит на работу по характеристике 3, соответствующей сопротивлению Rп” = R3. Таким способом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 1, 2 и 3 (см. жирные линии на рис. 130,б) до выхода на естественную характеристику 4, соответствующую сопротивлению Rп = 0. Пусковой момент двигателя при этом изменяется от Мп max до Mп min.

Следовательно, путем включения пускового реостата в цепь якоря можно осуществить пуск двигателя при некотором среднем пусковом моменте Мп ср = (Мп max+Mп min)/2 и резко уменьшить пусковой ток. Число ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной механической характеристики 4

Рис. 130. Принципиальная схема реостатного пуска электродвигателя (о) и кривые изменения пускового момента (б)

Рис. 131. Кривые изменения тока и частоты вращения при пуске электродвигателя

Рис. 132. Кривые изменения момента при реостатном пуске электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности Мn max – Mn min). Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током. При пуске двигателя указанным способом частота вращения его якоря возрастает по ломаной кривой 1 (рис. 131), а ток обмотки якоря изменяется по ломаной кривой 2 между двумя крайними значениями пускового тока In max и In min.