апролджэжлолбро. Электротехника Лекция 13. Лекция 13. Машины постоянного тока
 Скачать 191.35 Kb.
|
1 2 Лекция 13. Машины постоянного тока Машины постоянного тока МПТ используют в качестве генераторов и двигателей. Энергия генераторов служит для питания двигателей постоянного тока, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля и т.д. Двигатели постоянного тока применяют на транспорте, для металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов и т.д. Они позволяют плавно регулировать скорость вращения в широком диапазоне. Устройство машин постоянного тока. Состоит из неподвижной части - статора, для создания магнитного потока и вращающейся части - ротора. На рис. 2.8 показан поперечный разрез магнитной цепи двухполюсной машины. Статор состоит из станины 1 ферромагнитного материала, с главными полюсами 2 (N и S). На полюсах размещены обмотки возбуждения 3, которые питаются от источника постоянного тока. В обмотке возбуждения создается магнитное поле 8 (неподвижное). п  Рис. 2.8. Схема машины постоянного тока Якорь5 - подвижная часть (стальной цилиндр на валу 7). На поверхности якоря расположены пазы для укладки обмотокб, состоящими из витков, которые объединяются в секции. Секция своими концами присоединяется к коллекторным ластинам. Р   ис. 2.9. Условное обозначение машины Рис. 2.10. Принцип действия постоянного тока с независимым возбуждением - двигателя постоянного тока На якоре располагается коллектор 9 - цилиндрическое тело из медных коллекторных пластин. Электрический контакт с вращающимся коллектором осуществляется с помощью неподвижных электрографитовых щеток 10, через которые происходит соединение обмоток якоря с внешней цепью. Якорь набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,3...0,5 мм для уменьшения потерь от вихревых токов при перемагничивании. На электрических схемах машины якорь изображают в виде окружности с двумя щетками, а обмотку возбуждения - как индуктивный элемент (рис. 2.9). Принцип действия двигателя постоянного тока При работе МПТ в режиме двигателя к обмоткам якоря и возбуждения подводится постоянное напряжение - U и UB (рис. 2.9, 2.10). При напряжении UB возникает ток 1В, создающий магнитный поток машины (представлен двумя полюсами N, S). При напряжении якоря U в его цепи протекает ток I. Допустим, что направление тока / в проводниках обмотки якоря указано на рис. 3 (точка - направление тока к нам, крестик - направление тока от нас). Проводники якоря с током находятся в неподвижном магнитном поле обмотки возбуждения (полюсы N-S).Поэтомуна проводники действуют электромагнитные силы F3M, приложенные к якорю,которые создают электромагнитный момент Мэм, под действием которого якорь двигателя будет вращаться. При работе МПТ в режиме генераторамеханическая энергия от приводного двигателя ПД (рис. 2.11, а) преобразуется в электрическую, отдаваемую нагрузке #нв цепи якоря. Приводной двигатель ПД вращает якорь с постоянной угловой частотой вращения ш. В проводниках обмотки якоря возникает ЭДС при пересечении магнитного поля (полюсы N, S), созданного обмоткой возбуждения с током 1В. Если к цепи якоря через щетки присоединена нагрузка RH, то под действием ЭДС протекает постоянный ток якоря I. В результате взаимодействия тока якоря с магнитным полем возникают электромагнитные силы Еэм, создающие электромагнитный момент М, противодействующий моменту приводного двигателя М Пд. Схема замещения цепи якоря МПТ в режиме генератора (рис. 2.11, б). Для цепи якоря по второму закону Кирхгофа : Е = U + Шя. (2.8) Вывод: МПТ может работать как генератором, так и двигателем. Режим электромагнитного тормоза машины можно создать в электроприводе лебедки крана для подъема груза Г (рис. 2.10). Rh  б Rh  Рис. 2.11. Принцип действия генератора постоянного тока (а), схема замещения цепи якоря (б) Если момент сопротивления, превысит вращающий момент двигателя, то груз остановится, а затем начнет вращать якорь в обратном направлении (спуск груза). Двигатель окажется в режиме электромагнитного тормоза. При изменении направления вращения якоря изменит направление и его ЭДС. Электромагнитный момент M при этом действует в обратном направлении вращения и, следовательно, является тормозным, как в генераторе. Наводимая ЭДС совпадает с током, как в генераторе. Но ток в цепи якоря в режиме тормоза создается напряжением сети и ЭДС якоря: U + Е = ШЯ и может существенно возрасти. В этом режиме, если ток якоря не ограничить дополнительным сопротивлением в цепи якоря, то он может в несколько раз превысить номинальный. Способы возбуждения машин постоянного тока Цепи обмотки возбуждения и якоря МПТ могут быть включены независимо одна от другой, параллельно и последовательно. В соответствии с этим различают генераторы и двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждений. В машинах независимого возбуждения (рис. 2.12, а) обмотку возбуждения включают на посторонний источник (аккумулятор, выпрямитель и т.д.). В машинах малой мощности (порядка десятков - сотен ватт) возбуждение создавают постоянными магнитами (рис. 2.12б). В машинах параллельного возбуждения обмотку возбуждения включают параллельно цепи обмотки якоря (рис. 2.12,в) и подключают к сети или нагрузке. Параллельную обмотку можно переключить на независимое питание от якоря, и машина становится машиной независимого возбуждения.  а б в  Рис. 2.12. Схемы возбуждения машин постоянного тока Я - якорь; ОВ - обмотка возбуждения Номинальный ток возбуждения машины с параллельным или независимым возбуждением составляет 1...5% от номинального тока якоря, причем меньшая цифра относится к более мощным машинам. В машинах последовательного возбуждения (рис. 2.12, г) обмотка возбуждения соединена с якорем последовательно. Число витков катушек возбуждения невелико, большого сечения (сопротивление незначительно). В машинах смешанного возбуждения(рис. 2.12, д, е) на основных полюсах по две катушки: одна для параллельной обмотки 1, другая - последовательной 2. Последовательная обмотка ОВ 1 подключена последовательно с цепью якоря и параллельной обмоткой возбуждения ОВ 2. Характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения Схема генератора независимого возбуждения (рис. 2.13) включает якорь Я и обмотку возбуждения ОВ. Якорь приводится во вращение приводным двигателем с частотой вращения п = const. Характеристики холостого хода генератора (рис. 2.14, а)(зависимость ЭДС якоря Е0 от тока возбуждения 1В, при /Я = 0 и п = пн = const). Е  е снимают при разомкнутом переключателей, плавно увеличивая ток возбуждения от нуля до максимального значения, которое на 10...20% выше номинального тока возбуждения. Так как магнитный поток Ф машины пропорционален току возбуждения 1В, а ЭДС Е0 - магнитному потоку, то с увеличением тока возбуждения ЭДС генератора увеличивается (рис. 2.14, а).На рис. 2.14, ахолостой ход представлен в относительных единицах: Е* = E0/UH; IВ = 1в/1вн. Наличие в магнитной цепи значительного воздушного зазора (4-7 мм), спрямляет начальный участок б, в (линейный характер). Далее кривая плавно загибается (участок в, г) и затем рост потока и ЭДС замедляются (участок г, д). Рис. 2.13. Схема генератора независимого возбуждения Н   оминальный режим соответствует т. А (на середине «колена» характеристики).При отсутствии тока возбуждения (1в = 0) в якоре наводится ЭДС Еост, (2.. .3% от номинального напряжения). Имеет важное значение для генераторов. а б Рис. 2.14. Характеристики генератора независимого возбуждения: а - холостого хода; б - внешняя; в - регулирования. Внешняя характеристика —U(I) генератора независимого возбуждения (зависимость напряжения нагрузки U от тока I якоря, при 1в = const и п = const. При определении характеристики переключатель ^Лзамкнут. Характеристика снимается при увеличении тока нагрузки I от нуля до максимального значения, с помощью сопротивления нагрузки RH. Так как ток нагрузки равен току якоря, то напряжение нагрузки определяем из уравнения (2.8): U = Е — IRH = сЕпФ — IRH, где Ф - магнитный поток полюса; сЕ = pN/60а - конструктивный коэффициент; р - число пар полюсов; N - число активных проводников якоря; 2а - число параллельных ветвей обмотки якоря. Из этого уравнения следует, что с увеличением тока якоря напряжение нагрузки будет уменьшаться из-за падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря (IHRH) и влияния реакции якоря, рис. 2.14, б. Зависимость 1 - соответствует номинальному току возбуждения 1вн: точка А -номинальный режим работы генератора; точка Б - режим холостого хода. На этом рисунке не показана точка режима короткого замыкания генератора (RH = 0 и ток нагрузки (якоря) 1кз = E/RH). Так как сопротивление якоря мало, то ток короткого замыкания значительно больше номинального - (10-20) 1н. Режим к.з. опасен для обмотки якоря, коллектора и щеток. В номинальном режиме UH отличается от Ux на 5....10%. При к.з. генератор отключается от нагрузки. Если уменьшить ток возбуждения (1в1 < /вн), поддерживая 1в1 = const, то с уменьшением магнитного потока Ф, уменьшается ее ЭДС и внешняя характеристика имеет вид прямой 2 (рис. 2.14,б). Регулировочная характеристика (рис. 2.14, в) генератора независимого возбуждения (зависимость тока возбуждения от тока нагрузки (якоря) 1в (I) при U = const, п = const). Из рис. 2.14, в (сплошная линия) видно, что для поддержания U = const необходимо с увеличением тока нагрузки увеличивать ток возбуждения генератора. Недостаток генераторов независимого возбуждения - наличие отдельного источника питания обмотки возбуждения. Преимущества: хорошие эксплуатационные характеристики (регулирование напряжения, изменение знака напряжения); достаточно широкое применение: в электролизе, в регулируемом приводе экскаваторов, прокатных станов, а также в качестве тахогенераторов (для измерения скорости вращения валов электрических машин). Якорь генератора (рис. 2.15) приводится во вращение от приводного двигателя. Ток возбуждения 7в определяется ЭДС якоря - Е. Пуск генератора осуществляется на холостом ходу (бЯразомкнут). В начале пуска ЭДС якоря Е определяется величиной остаточного магнитного потока. О  Рис. 2.15. Схема генератора параллельного возбуждения статочная ЭДС определяет первоначальный ток возбуждения 1в, который создает дополнительный магнитный поток в обмотке возбуждения генератора, увеличивая общий поток машины. Это увеличивает ЭДС (£0н) и ток возбуждения (7^) до установившегося режима, точка А (рис. 2.16, а). Описанный процесс установившегося магнитного режима называют процессом самовозбуждения. Точка А - установившийся режим соответствует пересечению характеристик холостого хода (кривая 1) генератора ЕО (71) (рис. 2.16, а), и прямой 2 (падение напряжения на обмотке возбуждения RB): и; = RBIB т.е. когда Е£ = RBIB1 (принимаем Яя'в = 0). Характеристика холостого хода генератора имеет такой же вид, что и для генератора с независимымвозбуждением (рис. 2.14, а). Номинальный режим работы (точка N, рис. 2.16, а) соответствует току возбуждения 7;ни напряжению UH на зажимах генератора. Нагрузку RH подключают после окончания процесса самовозбуждения, через 1.. .2 с после замыкания бЯ(рис. 2.15). Внешняя характеристика генератора U(I) при RB = соп$7и п = соп$7(рис. 2.16, б, кривая 2)отличается от подобной для генератора независимого возбуждения (кривая 1) более крутым спадом напряжения. Снижение напряжения при номинальной нагрузке составляет 10.18% отЕ0н. При дальнейшем увеличении тока I снижение напряжения происходит так быстро, что ток нагрузки, достигнув значения 7кр ,начинает уменьшаться до установившегося значения 7ку вместе с резким снижением напряжения, при U = 0. Несмотря на внезапное уменьшение напряжения до нуля в якоре (некоторое время) существует достаточно большая ЭДС, вызывающая бросок тока в цепи якоря. Увеличивается электромагнитный момент, создающий механические напряжения, опасные для вала и приводного двигателя, усиливается искрение щеток и круговой огонь на коллекторе. Внезапное короткое замыкание опасно как для генераторов параллельного, так и независимого возбуждения. Защита генераторов должна быстро отключить цепь якоря, при токе якоря (2 - 2,5) 1н. Регулировочная характеристика генератора параллельного возбужденияГв(Г), при U = constm сравнению с характеристикой генератора независимого возбуждения (рис. 2.14,в) пойдет круче.  Рис. 2.16. Характеристики генератора с параллельным возбуждением: а - холостого хода; б - внешняя характеристика Для компенсации снижения напряжения, необходимо увеличить в большей степени ток возбуждения. На рис. 2.14,в эта характеристика представлена пунктиром.В генераторах параллельного возбуждения напряжение регулируется в узких пределах и без изменения знака. Их достоинство - для обмотки возбуждения не требуется отдельный источник питания. Генератор (рис. 2.17) имеет две обмотки возбуждения: траллельнуюОВ; п  Рис. 2.17. Схема генератора смешанного возбуждения оследователънуюОВ 1. Характеристики холостого хода генераторов смешанногоЕ0н(/£) и параллельного возбуждения (рис. 2.16, а, кривая 1) одинаковы. Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения. Применение вспомогательной (последовательной) и параллельной обмоток (рис. 2.17) позволяет увеличить магнитный поток при росте тока нагрузки. Внешняя характеристика генератора (кривая 1, рис. 2.18), напряжение генератора почти не изменяется с изменением нагрузки. При этом соединение последовательной обмотки с обмоткой якоря должно быть таким, чтобы их магнитные потоки складывались (согласное включение). П  Рис. 2.18. Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения Генератор последовательного возбуждения (в схеме рис. 2.17 обмотка параллельного возбужденияОВ2 отсутствует) возбуждается только при подключении нагрузки. ри встречном включении этих обмоток их магнитные потоки вычитаются, и напряжение генератора при нагрузке резко падает (кривая 2, рис. 2.18). Такая характеристика важна (в аппаратах электродуговой сварки) при необходимости постоянства тока в нагрузке (дуге), когда меняется напряжение при изменении длины дуги. С ростом тока нагрузки сначала растут магнитный поток, ЭДС и напряжение U. Затем, с насыщением магнитной цепи, рост потока прекращается, из-за увеличения внутреннего падения напряжения, напряжение нагрузки ипадает. Подобная зависимость напряжения от тока нагрузки не позволяет применять эти генераторы для питания большинства потребителей. 1 2 |