МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Назначение, области применения и устройство машин постоянного тока Генераторы постоянного тока Двигатели постоянного тока

2 Назначение и области применения машин постоянного тока Машины постоянного тока (МПТ) являются обратимыми, т. е. они могут работать в качестве генератора (ГПТ) или двигателя (ДПТ) без изменения схемы. Широкое применение ДПТ обусловлено следующими причинами: возможность плавного регулирования частоты вращения вала хорошие пусковые свойства: большой пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. ДПТ применяют в электротранспорте, в приводах прокатных станов, в системах автоматического регулирования и др. ГПТ используют в качестве возбудителей для питания обмоток возбуждения мощных синхронных машин, цеховых сетей постоянного тока, в частности, для питания ДПТ, электромагнитов, для питания электролитических ванн, зарядки аккумуляторов, сварки, в качестве датчиков частоты вращения и др.

3 Машины постоянного тока унифицированы. Выпускаются двигатели серий 2П и 4П в диапазоне мощностей от 0,37 до кВт, частот вращения от 32 до 4000 об/мин, крановые серии Д на напряжения 220 и 440 В; генераторы серий 2ПН на напряжения 115, 230 и 460 В мощностью от 0,37 до 180 кВт с КПД = 0,6…0,9. Кроме того, выпускаются универсальные коллекторные двигатели (серий УЛ, УМТ, МУН), работающие от сети как постоянного, так и переменного тока. Универсальные машины находят применение в бытовой и специальной технике, как исполнительные двигатели. Машины постоянного тока входят в состав автомобильного, судового, самолетного, ракетного и технологического электрооборудования. Основной недостаток МПТ - наличие щёточно-коллекторного узла, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надёжность машин. Кроме того, для питания ДПТ требуются источники постоянного тока (ГПТ или выпрямители).

4 Устройство машин постоянного тока Основными частями МПТ (рис. 9.1) являются статор (индуктор) и якорь, отделённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм).

5 Статор (индуктор) - это стальной цилиндр 1, внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод машины. Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря. На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Фв машины. Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины. Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором). Устройство статора (индуктора)

6 Устройство якоря Якорь (подвижная часть машины) - это цилиндр 5, набранный из листов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11. Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипниках валу 7. Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающуюся ОЯ с внешней электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стержнях ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим)). Суммарное сопротивление цепи якоря Rя = 0,5…5 Ом.

7 Схемы возбуждения МПТ В зависимости от того, как обмотка возбуждения включена относительно сети якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное. а) независимого, б) параллельного, в) последовательного и г) смешанного возбуждения МПТ

8 Принцип работы генератора постоянного тока Генератор преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию. Принцип работы ГПТ основан на явлении электромагнитной индукции. Если посредством первичного двигателя привести якорь машины во вращение с постоянной угловой частотой w и подать постоянное напряжение в обмотку возбуждения статора, то в каждом стержне обмотки якоря будет наводиться ЭДС е 1 = Bcp l v Напряжение на зажимах обмотки якоря U = Eя - RяIя = СeФвn - RяIя, где Rя и Iя - сопротивление цепи и ток якоря. Свойства ГПТ определяются их основными характеристиками: холостого хода, внешней и регулировочной.

9 Характеристика холостого хода Eя = Ux = f(Iв) (n = const; I = 0) снимается при разомкнутой цепи приёмника и показывает, как нужно изменять ток возбуждения Iв посредством реостата Rр, чтобы получить те или иные значения ЭДС Eя генератора. Внешняя характеристика U = f(I), представляющая собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I при n = const и Iв = const. Регулировочной характеристикой называют характеристику Iв = f(I) при n = const и U = const. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение U генератора при изменении нагрузки (тока I).

10 ГПТ независимого возбуждения и его характеристики схема характеристики: холостого хода внешняя регулировочная

11 Принцип работы двигателей постоянного тока В основе работы двигателя постоянного тока (ДПТ) - преобразователя электрической энергии в механическую, приводящую во вращения вал машины, лежит закон Ампера. Для создания вращающего момента постоянное напряжение U подводится одновременно к обмотке возбуждения ОВ (создающей магнитный поток Фв машины), и (посредством неподвижных щёток) к коллектору.

12 Уравнение электрического равновесия для якорной обмотки выглядит следующим образом: U = Eя + UяIя, где U - напряжение на зажимах якорной обмотки. Умножив члены последнего уравнения на величину Iя, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря ДПТ Рэ = UIя = EяIя + RяI я 2, которое показывает, что электрическая мощность Рэ, подводимая к якорю двигателя из сети, преобразуется в электромагнитную мощность Р эм = EяIя = М/w и мощность электрических потерь Ря = RяIя 2 в обмотке якоря. Двигатели постоянного тока классифицируют по способу возбуждения: независимое, параллельное (шунтовое), последовательное (сериесное) и смешанное (сериесно- шунтовое или компаундное).

13 Двигатели постоянного тока (ДПТ) параллельного возбуждения В этих двигателях обмотка возбуждения ОВ подключена параллельно с обмоткой якоря к сети (рис. 9.6, б). В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rр, а в цепь якоря - пусковой реостат с сопротивлением Rп. Ток возбуждения не зависит от тока якоря Iя. Iв = U/(Rв + Rp), Ток якоря Iя = (U - Eя)/Rя

14 В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, по-этому противо-ЭДС Ея = 0 и ток I я недопустимо увеличивается. Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток в обмотке якоря и, как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение в контактах щётки-коллектор, последовательно с якорем включают пусковой реостат Rп (рис. 9.6, б), сопротивление которого рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток Iяп = U/(Rя + Rп) < (2...2,5)Iян, где Iян - номинальный ток якоря. При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент Мп = (2…4)Мн. Это обеспечивает быстрый разгон механизма на валу. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Ея увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т. е. при n = n н, Rn = 0.

15 Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной n(Iя) или механической n(M) характеристиками. Скоростная характеристика представляет зависимость частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = const. Уравнение естественной скоростной характеристики получают из рассмотренного выше выражения тока якоря, решив его относительно частоты вращения, n = (U - RяIя)/(CЕФв) = (U/CЕФв) - (Rя/CЕФв)Iя.

16 Механическая характеристика n(M) представляет зависимость частоты вращения якоря n от развиваемого ДПТ момента М = Мс при условии постоянства напряжения U сети и сопротивлений в цепи якоря и в цепи возбуждения. Заменив ток Iя в выражении скоростной характеристики значением из выражения вращающего момента М = СMIяФв, получим уравнение естественной механической характеристики n = (U/CЕФв) - (Rя/СЕСМФв2)M = n 0 - n, где n 0 = U/CEФв - частота вращения якоря при "идеальном" холостом ходе (Мс = 0); сопротивления Rп = 0 и Rр = 0; напряжение на якоре U = Uн и магнитный поток двигателя Фв = Фвн.

17 Естественная механическая характеристика n(M) ДПТ параллельного возбуждения является жесткой, т. к. снижение частоты вращения n при моменте сопротивления на валу М = Мсн составляет (3…7)% от n 0. Если сопротивление пускового реоостата Rп > 0 (Rр = 0), получают искусственные, т. н. реостатные механические характеристики 2…4 (рис. 9.6, в), проходящие через точку n 0 - частоту вращения ХХ двигателя. Чем больше сопротивление Rп, тем характеристика круче.

18 Пуск ДПТ Прямой пуск двигателя (Rп = 0) применяют только для двигателей малой мощности (до 1 кВт), у которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться. Пуск двигателя с использованием пускового реостата называют реостатным. Перед пуском для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (Rр = 0) (при этом магнитный поток Фв имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового реостата устанавливают в положение 4 при наличии трёх ступеней реостата, ( рис. 9.6, б), при котором сопротивление Rп имеет максимальное значение. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 4 ( рис. 9.6, в); при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент. По мере разгона сопротивление пускового реостата Rп ступенчато уменьшают; разгон двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис. 9.6, в). При полностью выведенном сопротивлении Rп и достижении значения М = Мн частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaнической характеристике 1 (точка А).

19 При пуске двигателей большой мощности использование пускового реостата (из-за его громоздкости и значительных потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что Rп = 0 и Rр = 0) искусственные механические характеристики имеют вид 2 и 3 (рис. 9.6, г) и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U. Безреостатный пуск при пониженном напряжении

20 Способы регулирования частоты вращения и реверсирование ДПТ параллельного возбуждения Из рассмотрения механических характеристик двигателя следует, что при моменте М = Мс = const частоту вращения якоря n = U/(CEФв) - ((Rя + Rn)/(CECMФв2))M = n 0 - n можно регулировать тремя способами: реостатным - изменением сопротивления цепи якоря (Rя+ Rп = var); полюсным - изменением магнитного потока полюсов (Rв + Rр = var); якорным - изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var). Реверсирование двигателей можно обеспечить изменением направления тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения