Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока + видео обзор

Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирования скорости вверх от номинальной.

Как устроены электродвигатели постоянного тока

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки :

где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому он а называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Коммутация в электродвигателях постоянного тока

В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы :

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешаным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока прежде всего различаются по характеру возбуждения. Двигатели могут быть независимого, последовательного и смешанного возбуждения. Параллельное возбуждение можно не рассматривать. Даже если обмотка возбуждения подключается к той же сети, от которой питается цепь якоря, то и в этом случае ток возбуждения не зависит от тока якоря, так как питающую сеть можно рассматривать как сеть бесконечной мощности, а ее напряжение постоянным.

Обмотку возбуждения всегда подключают непосредственно к сети, и поэтому введение добавочного сопротивления в цепь якоря не оказывает влияния на режим возбуждения. Той специфики, которая существует при параллельном возбуждении в генераторах, здесь быть не может.

В двигателях постоянного тока малой мощности часто используют магнитоэлектрическое возбуждение от постоянных магнитов. При этом существенно упрощается схема включения двигателя, уменьшается расход меди. Следует однако иметь в виду, что, хотя обмотка возбуждения исключается, габариты и масса магнитной системы не ниже, чем при электромагнитном возбуждении машины.

Свойства двигателей в значительной мере определяются их системой возбуждения.

Следует, однако, иметь в виду, что скорость вращения рабочих органов производственных машин существенно ниже. Поэтому между двигателем и рабочей маши­ной приходится устанавливать редуктор. Чем больше скорость двигателя, тем более сложным и дорогим получается редуктор. В установках большой мощности, где редуктор представляет собой дорогостоящий узел, двигатели проектируются на существенно меньшие скорости.

Следует еще иметь в виду, что механический редуктор всегда вносит значительную погрешность. Поэтому в прецизионных установках желательно использовать тихоходные двигатели, которые можно было бы сочленить с рабочими органами либо напрямую, либо посредством простейшей передачи. В связи с этим появились так называемые высокомоментные двигатели на низкие скорости вращения. Эти двигатели нашли широкое применение в металлорежущих станках, где сочленяются с органами перемещения без каких-либо промежуточных звеньев посредством шарико-винтовых передач.

Электрические двигатели отличаются также по конструктивным при­ знакам, связанным с условиями их работы. Для нормальных условий используются так называемые открытые и защищенные двигатели, охлаждаемые воздухом помещения, в котором они устанавливаются.

Воздух продувается через каналы машины посредством вентилятора, размещенного на валу двигателя. В агрессивных средах используются закрытые двигатели, охлаждение которых осуществляется за счет внешней ребристой поверхности или наружного обдува. Наконец, выпускаются специальные двигатели для взрывоопасной среды.

Для уменьшения индуктивности обмотки ее укладывают не в пазы, а на поверхность гладкого якоря. Крепится обмотка клеющими составами типа эпоксидной смолы. При малой индуктивности обмотки существенно улучшаются условия коммутации на коллекторе, отпадает необходимость в дополнительных полюсах, может быть использован коллектор меньших размеров. Последнее дополнительно уменьшает момент инерции якоря двигателя.

Еще большие возможности для снижения механической инерции дает использование полого якоря, представляющего собой цилиндр из изоляционного материала. На поверхности этого цилиндра располагается обмотка, изготовляемая печатным способом, штамповкой или из про­ волоки по шаблону на специальном станке. Крепление обмотки осуществляется клеющими материалами.

Внутри вращающегося цилиндра располагается стальной сердечник, необходимый для создания путей прохождения магнитного потока. В двигателях с гладким и полым якорями вследствие увеличения зазоров в магнитной цепи, обусловленного внесением в них обмотки и изоляционных материалов, требуемая намагничивающая сила для проведения необходимого магнитного потока существенно возрастает. Соответственно магнитная система полу­чается более развитой.

К числу малоинерционных двигателей относятся также двигатели с дисковыми якорями. Диски, на которые наносятся или наклеиваются обмотки, изготовляются из тонкого изоляционного материала, не подверженного короблению, например из стекла. Магнитная система при двухполюсном исполнении представляет собой две скобы, на одной из которых размещены обмотки возбуждения. В связи с малой индуктивностью обмотки якоря машина, как правило, не имеет коллектора и съем тока осуществляется щетками непосредственно с обмотки.

Следует еще упомянуть о линейном двигателе, обеспечивающем не вращательное движение, а поступательное. Он представляет собой двигатель, магнитная система которого как бы развернута и полюсы устанавливаются на линии движения якоря и соответствующего рабочего органа машины. Якорь обычно выполняется как малоинерционный. Габариты и стоимость двигателя велики, так как необходимо значительное число полюсов для обеспечения перемещения на заданном отрезке пути.

Пуск двигателей постоянного тока

В начальный момент пуска двигателя якорь неподвижен и противо-э. д. с. и напряжение в якоре равна нулю, поэтому Iп = U / Rя.

Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя. Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.

В начале пуска вводится все сопротивление реостата. По мере увеличения скорости якоря возникает противо-э. д. с, которая ограничивает пусковые токи. Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.

Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

где U — напряжение питающей сети; Iя — ток якоря; R я — сопротивление цепн якоря; kc — коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф — магнитный поток электродвигателя.

Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при различных способах регулирования частоты вращения

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Торможение электродвигателей постоянного тока

В электроприводах с электродвигателями постоянного тока применяют три способа торможения: динамическое, рекуперативное и торможение противовключением.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного токаРекуперативное торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется в том случае, когда включенный в сеть электродвигатель вращается исполнительным механизмом со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода. Тогда э. д. с, наведенная в обмотке двигателя, превысит значение напряжения сети, ток в обмотке двигателя изменяет направление на противоположное. Электродвигатель переходит на работу в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. Одновременно на его валу возникает тормозной момент. Такой режим может быть получен в приводах подъемных механизмов при опускании груза, а также при регулировании скорости двигателя и во время тормозных процессов в электроприводах постоянного тока.

Торможение противовключением электродвигателя постоянного тока осуществляется путем изменения полярности напряжения и тока в обмотке якоря. При взаимодействии тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создается тормозной момент, который уменьшается по мере уменьшения частоты вращения электродвигателя. При уменьшении частоты вращения электродвигателя до нуля электродвигатель должен быть отключен от сети, иначе он начнет разворачиваться в обратную сторону.

Источник

ЛЕКЦИЯ 16. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока широко применяются в качестве двигателей и меньше в качестве генераторов. Это объясняется тем, что двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения простыми способами и, при равных токах, имеют больший вращающий момент, чем другие двигатели. Поэтому их используют в качестве тяговых двигателей на электротранспорте.

Генераторы и двигатели постоянного тока взаимно заменяемые. Однако применение генераторов ограничено. Их используют в промышленности (для питания электролитических ванн, для зарядки аккумуляторов, в прокатных станах), а также в составе электрооборудования подвижных средств (автомобильных, судовых, самолетных).

Как правило, машины постоянного тока – коллекторные. Поэтому их работа может сопровождаться возникновением дуги или множества мелких электрических разрядов. Такое явление называют круговым огнем. Искрение снижает надежность машин постоянного тока, требует дополнительных затрат на обслуживание, усложнения конструкции.

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. 1. Конструкция машины.

Магнитная система двухполюсной машины постоянного тока приведена на рис 16.1. Как и на рис. 15.3, здесь обмотка возбуждения размещена на статоре, а рабочая обмотка –на роторе. Обмотка возбуждения состоит из двух последовательно соединенных катушек, каждая из которых размещается на своем полюсе. Катушки образуют цепь возбуждения, которая называется вспомогательной цепью машины.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

На рис. 16.1 силовыми линиями изображено магнитное поле возбуждения. Магнитная система и поле машины симметричны относительно продольных осей полюсов N0 – S0. Линия, проходящая посередине между смежными полюсами, называется геометрической нейтралью.

Ротор с рабочей обмоткой в машинах постоянного тока называют якорем. Для равномерного распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсами и якорем используются полюсные наконечники. Обмотка якоря состоит из уложенных в пазах ротора активных проводников.

С помощью лобовых частей активные проводники соединяются в витки так, что обмотка образует замкнутый контур. Стороны витков расположены под разноименными полюсами так, что Э.Д.С. в них складываются. В реальных обмотках якоря число активных проводников большое. Обозначим это число N, тогда число витков равно N/2.

Для улучшения формы Э.Д.С. и для ее увеличения соседние витки объединяются в секции, как показано на рис.16.2, по а витков в секции. Так как якорь вращается, то соединение его обмотки (секций) с внешней цепью осуществляется скользящим контактом, с помощью неподвижных электрографических щеток. Цепь якоря называют главной цепью машины.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

В реальных машинах выводы каждой секции соединяются с пластинами коллектора. Коллектор якоря имеет несколько десятков пластин (в общем случае N/2a). Поэтому щетки скользят по пластинам коллектора. Устанавливают их так, чтобы касание осуществлялось в точках, расположенных на линии геометрической нейтрали (рис.16.3).

При таком размещении обмотка якоря представляет собой замкнутый контур. Это хорошо видно по рис. 16.3, а. Щетками этот контур делится на две равные части так, что под каждым из полюсов находится равное число активных проводников.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

При вращении ротора в каждой группе проводников будут наводиться одинаково направленные Э.Д.С., сумма которых максимальна и постоянна. Схема замещения обмотки якоря приведена на рис. 16.3, в. Эквивалентное сопротивление параллельно соединенных ветвей обмотки Ra называют внутренним сопротивлением якоря и обозначают Rя. Обычно оно не превышает единиц Ом.

1. 2. Работа машины в режиме генератора.

Чтобы машина постоянного тока работала как генератор, ее якорь необходимо вращать с помощью какого-либо приводного двигателя. В этом случае в активных проводниках якоря возникают Э.Д.С., направление которых можно определить по правилу правой руки. Значение Э.Д.С. в каждом из активных проводников определено выражением (15.2), которое имеет вид:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

где Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока– действующее значение магнитной индукции в зазоре.

Если общее число проводников якоря равно N, а число параллельных ветвей , то каждая ветвь содержит N/2а проводников. Тогда

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. (16.1)

В (16.1) линейная скорость движения проводника определяется выражением:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока, (16.2)

где Ω– угловая скорость якоря.

Выразим сумму Как создается вращающий момент в двигателе постоянного токачерез среднее значение магнитной индукции Как создается вращающий момент в двигателе постоянного токана полюсном делении τ:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока, (16.3) Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

где Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока– среднее значение магнитной индукции; Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока– полюсное деление.

Подставив (16.2) и (16.3) в (16.1), получим:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. (16.4)

Обозначим первый множитель в (16.4) индексом с. Учтем, что n = 60∙Ω/2∙π

об/мин. Введем обозначение Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. Тогда выражение (16.4) приходит к виду:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. (16.5)

Теперь очевидно, что Э.Д.С. якоря пропорциональна частоте его вращения и магнитному потоку полюсов.

Если к зажимам якоря подключить приемник (рис.16.4, а), то Э.Д.С. якоря вызовет в цепи ток. Но на проводники с током, пересекающие магнитное поле, действует сила со стороны магнитного поля (электромагнитная сила).

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Токи в проводниках якоря направлены так же, как и вызвавшие их Э.Д.С. Электромагнитные силы создают момент, противодействующий вращению якоря. Если скорость вращения якоря Ω постоянна, то вращающий момент приводного двигателя равен противодействующему электромагнитному моменту генератора:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока.

Таким образом, для производства электроэнергии машинами постоянного тока необходимо затрачивать механическую энергию.

Схема замещения генератора (рис. 16.4, б) позволяет записать равенство:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. (16.6)

Умножим это выражение на Iя

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока. (16.7)

Первое слагаемое правой части (16.7) представляет мощность прием-ника, второе – мощность электрических потерь в обмотке якоря. Левая часть (16.7) представляет электромагнитную мощность, развиваемую генератором и равную механической мощности приводного двигателя.

1.3 Работа машины в режиме электродвигателя.

Чтобы машина постоянного тока работала как двигатель, необходимо подать напряжение от источника постоянного тока на обмотку якоря, как показано на рис. 16. 5. В обмотке якоря возникнет ток Iя. В результате взаимодействия тока Iя c полем возбуждения появятся электромагнитные силы, создающие электромагнитный момент. Под действием этого момента якорь приходит во вращение. Машина работает в качестве электродвигателя.

Если скорость вращения ротора Ω постоянна, то вращающий момент равен противодействующему моменту на валу двигателя:

В активных проводниках якоря, пересекающих магнитное поле возбуждения, наводится противо – Э.Д.С. Ее направление противоположно направлению тока якоря. Схема замещения якоря приведена на рис. 16.5. Она представляет замкнутый контур, для которого справедлив второй закон Кирхгофа. Поэтому можем записать:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Отсюда определим ток якоря двигателя:

Уравнение баланса мощности цепи якоря имеет вид:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.10)

Выражение (16.10) показывает, что электрическая мощность Рэл = U∙Iя, подводимая к двигателю от внешнего источника, превращается в электромагнитную мощность Рэм = Е∙Iя и мощность потерь в обмотке якоря. Электромагнитная мощность равна механической мощности, развиваемой двигателем:

Электромагнитный момент для двигателя и для генератора одинаков и определяется как момент машины постоянного тока. Для его определения обратимся к выражению (15.6), которое имеет вид:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

В поле одного полюса находится N/2a проводников якоря с одинаковым током параллельной ветви Iа = Iя/2а. Все силы одинаково направлены по касательной к окружности якоря. Используя те же обозначения, что и при выводе формулы Э.Д.С. Е, выразим момент сил, действующих на проводники одной ветви:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.12)

Общий момент машины в 2p раз больше М1:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.13)

Проведенный анализ показал, что физические процессы, происходящие в генераторах и двигателях постоянного тока и определяющие преобразование энергии, одинаковы. Это объясняет их взаимозаменяемость. Однако, как генераторы, так и двигатели постоянного тока имеют специфические параметры, характеристики и особенности эксплуатации. Кратко рассмотрим эти особенности в следующих вопросах лекции.

2. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока – это источник электрической энергии. Качество источника определяется способностью плавно регулировать напряжение на выходе и сохранять его постоянным при изменении нагрузки. Количественно эти качества определяются характеристикой холостого хода Е(Iя) и внешней характеристикой U(I) генератора.

Характеристика холостого хода определяет зависимость Е, а значит, и магнитного потока возбуждения Ф от тока якоря Iя. Величина магнитного потока зависит от способа возбуждения генератора. Возбуждение магнитного поля в генераторах производится постоянными магнитами, током независимого источника или током от якоря генератора. В последнем случае генераторы называются самовозбуждающимися. В таких генераторах обмотки возбуждения могут быть включены параллельно якорю (рис. 16.6, б), последовательно с ним (рис. 16.6, в) или параллельно и последовательно (рис. 16.6, г). В соответствии с этим различают генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

При независимом и параллельном возбуждении (рис. 16.6, а; б) обмотка выполняется из тонкого провода и имеет большое число витков. Сопротивление такой обмотки большое, а ток мал. Необходимая величина магнитодвижущей силы Как создается вращающий момент в двигателе постоянного токасоздается малой потребляемой мощностью обмотки возбуждения.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Через обмотку последовательного возбуждения (рис. 16.6, в) проходит полный ток якоря. Чтобы потери энергии в обмотке были малы, ее выполняют из провода большого сечения. Число витков обмотки невелико.

В генераторах смешанного возбуждения (рис. 16.6, г) цепь обмотки возбуждения имеет две катушки – параллельную и последовательную.

Зависимость магнитного потока полюса Ф от тока возбуждения Iв называют магнитной характеристикой машины и определяют на основании закона полного тока или экспериментально. Так как магнитопровод генератора выполнен из магнитомягкого материала, то зависимость представляет узкую петлю гистерезиса. Обычно ее изображают одной линией (рис. 16. 7).

При Ω = const Э.Д.С. якоря пропорциональна магнитному потоку полюса (16.4). Поэтому зависимость Ф(Iв) подобна характеристике холостого хода генератора Е(Iв). На начальном участке характеристики магнитный поток Ф и Э.Д.С. Е возрастают пропорционально току возбуждения Iв. С увеличением тока Iв наступает насыщение магнитопровода, рост магнитного потока (и Э.Д.С.) замедляется и кривая характеристики плавно наклоняется к оси токов. Магнитная цепь генераторов рассчитывается так, чтобы при Iв = Iвном магнитный поток также соответствовал бы номинальному значению.

Внешняя характеристика генератора U(I) строится при номинальном токе возбуждения Iв =Iвном. Такая характеристика для генератора независимого возбуждения приведена на рис. 16. 8. Она представляет прямую, наклоненную к оси токов и описывается равенством

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

В режиме холостого хода (I = 0) напряжение на выходе генератора равно Е. С увеличением тока нагрузки I увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря Rя∙I, а напряжение на зажимах генератора уменьшается. Генераторы проектируют так, чтобы при номинальном токе нагрузки напряжение уменьшалось не более чем на (6 – 12)%. Это значение напряжения считается номинальным.

Вращающий момент определен выражением (16.13). Из выражения следует, что момент зависит от тока якоря и от магнитного потока полюсов. Но эти величины определяются способом возбуждения. В настоящее время применяют двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Их обмотки возбуждения выполнены так же, как и у соответствующих генераторов. Это означает, что каждый из двигателей обладает механической характеристикой, отличающейся от других. Однако, всем электродвигателям присущи и общие свойства и процессы. К ним относятся:

– процессы пуска и регулирования;

– регулирование частоты вращения.

3.1. Общие свойства электродвигателей постоянного тока.

Пуском называют процесс разгона якоря двигателя от неподвижного состояния до установившегося значения скорости вращения. Пусковые качества двигателя характеризуют отношением пускового тока и пускового момента к их номинальным значениям.

В стационарном режиме, когда Ω = Ωном, ток якоря определяется по выражению (16.8):

В момент включения на неподвижный якорь подается номинальное напряжение. Но в неподвижных проводниках противо – Э.Д.С. не наводится, т. е. Е = 0. В этом случае

Такой большой ток (рис. 16.10) вызывает опасное искрение на коллекторе и очень большой пусковой момент

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Бросок пускового тока длится недолго, так как с разгоном якоря возникает и увеличивается противо – Э.Д.С., уменьшающая ток. Пусковой реостат полностью выводят (уменьшая Rп до нуля), так как теперь он только увеличивает потери на нагрев.

Процесс пуска завершается, когда вращающий момент Мвр становится равным противодействующему моменту на валу Мпр. Наступает статический режим, при котором соблюдается баланс мощностей.

С изменением нагрузки на валу изменяется противодействующий момент Мпр. Как следствие, нарушается равенство Мвр = Мпр, а двигатель переходит в динамический режим, при котором скорость вращения получает ускорение. Знак ускорения противоположен знаку разности (Мпр – Мвр). Например, если Мпр1 > Мвр, начинается торможение двигателя. Вместе с уменьшением Ω происходит увеличение Мвр. Процесс продолжается до тех пор, пока не выполнится условие баланса мощностей при новых значениях Ω и М, т. е.:

Способность электродвигателя автоматически изменять скорость вращения якоря в соответствии с изменением нагрузки на валу называют свойством саморегулирования.

Очевидно, что направление вращающего момента определяет направ-ление вращения якоря. В свою очередь, знак вращающего момента определяется знаками тока якоря и магнитного потока полюсов (16.13). Отсюда следует, что для изменения направления вращения (реверса) якоря достаточно переключить концы обмотки якоря.

3.2. Механические характеристики электродвигателей.

Механическая характеристика электродвигателя параллельного возбуждения может быть построена экспериментально. Для этого достаточно применить схему рис. 16.11. В этой схеме реостаты возбуждения и пуска позволяют регулировать токи возбуждения и пуска в широких пределах и, следовательно, получать данные во всем диапазоне изменения параметров.

Для более глубокого анализа свойств двигателя получим аналитическое выражение механической характеристики n(М). Для этого выразим частоту вращения n из (16.5) и (16.8):

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.15)

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Тогда на основании (16.13) можно записать:

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.16)

Применяя (16.16) к (16.15), получаем искомое выражение

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.17)

где Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока– частота вращения при идеальном холостом ходе (Мпр = 0), Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока– начальный пусковой момент при пусковом токе Iп = U/Rя.

Из (16.17) следует, что механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет наклонную прямую (рис. 16.12), проходящую через точки n0 на оси ординат и МПО на оси абсцисс графика. При номинальных значениях U = Uном и Ф = Фном характеристика называется естественной. Как следует из характеристики, при М = Мном частота вращения уменьшается на величину (3 ÷ 7)% от n0.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

При пуске двигателя с пусковым реостатом пусковой момент ограничивается до допустимого значения МП. В этом случае механическая характеристика двигателя проходит через точки МП – n0 графика рис. 16.12 и называется пусковой. Когда пусковой реостат выводят (RП = 0), двигатель переходит на естественную характеристику.

Выражение (16.15) показывает, что частоту вращения якоря двигателя можно регулировать пусковым реостатом (изменяя ток якоря), реостатом возбуждения (изменяя магнитный поток возбуждения), а также изменением напряжения, подаваемого на якорь двигателя.

Механическая характеристика двигателя независимого возбуждения

Схема для построения механической характеристики двигателя после-довательного возбуждения приведена на рис. 16.13, а. Для вывода аналитического выражения этой характеристики учтем, что ток якоря и ток возбуждения в этом двигателе одинаковы и что Ф = Iя∙vв/Rм = ξ (здесь Rм – магнитное сопротивление магнитопровода двигателя). Применяя это значение Ф к (16.15), после преобразований получим

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока(16.18)

Полученное выражение показывает, что механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения имеет гиперболическую зависимость (рис. 16.13, б).

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

Естественную механическую характеристику представляет кривая 1. Видим, что при увеличении нагрузки частота вращения якоря уменьшается обратно пропорционально. Так как естественная характеристика формируется без пускового реостата (Rд = 0), то начальный пусковой момент МПО может быть очень большим. Эта точка выходит за рамки графика рис. 16.13, б.

Поэтому пуск двигателя без нагрузки может привести к аварии из за недопустимо большой частоты вращения якоря.

При пуске с реостатом, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых значений М = Мп, механическую характеристику представляет кривая 2.

Регулирование частоты вращения двигателя последовательного возбуждения может выполняться реостатами пуска и возбуждения, а также изменением подаваемого напряжения.

Схема смешанного возбуждения дает двигателю преимущества каждого из способов и устраняет их недостатки.

3.3. Применение электродвигателей в системах пуска ДВС

подъемно – транспортных машин и механизмов.

Тенденция развития различных систем ПТМ и М, связанные с повышением экономичности, надежности, комфорта и безопасности, приводят к тому, что роль электрооборудования, в частности электропривода вспомогательных систем, постоянно возрастает. В настоящее время даже на грузовых автомобилях устанавливается 3 ÷ 4 электродвигателя, а на легковых 5 ÷ 8. Особое место в системе электрооборудования занимает электростартерная система пуска. Она состоит из аккумуляторной батареи, стартерной цепи, стартерного двигателя и средств облегчения пуска.

В качестве стартерного двигателя используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В отдельных случаях используются двигатели со смешанным возбуждением. В последние годы на стартерах малой мощности стали применять двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструктивно электростартер объединяет в себе электродвигатель и механизм привода с электромагнитным тяговым реле, муфтой свободного хода и шестерней понижающего редуктора (рис. 16.14). По типу и принципу работы механизма привода стартеры делят на три группы:

– с принудительным механическим или электромеханическим перемещением шестерни привода,

– с принудительным электромеханическим вводом шестерни в зацепление с венцом маховика и самовыключением шестерни после пуска двигателя,

– с электромагнитным вводом шестерни в зацепление за счет перемещения якоря.

На отечественных транспортных средствах применяются стартеры с принудительным вводом шестерни в зацепление.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

При подаче напряжения на контакты цепи обмотки якорь тягового реле, втягиваясь магнитным полем обмотки, перемещает рычаг и механически связанную с ним поводковую муфту. При этом шестерня стартера входит в зацепление с венцом маховика двигателя. В конце своего хода якорь тягового реле замыкает контакты цепи питания электродвигателя, а также контакты замыкания добавочного резистора катушки зажигания. Якорь электродвигателя начинает вращаться и проворачивать коленчатый вал двигателя.

Все системы электростартерного пуска имеют дистанционное управление стартером. Обмотки тягового реле могут подключаться к аккумуляторной батарее через выключатель зажигания. Однако, когда ток, потребляемый реле в момент включения, большой (30 ÷ 40 А) устанавливается промежуточное реле. В этом случае обмотка тягового реле подключается к батарее через контакты промежуточного реле, обмотка которого включается через выключатель зажигания.

Наиболее просты схемы управления стартеров малой мощности, например СТ221. Двигатель этого стартера имеет смешанное возбуждение, а тяговое реле однообмоточное (рис. 17.15, а). Питание на обмотку тягового реле К1 поступает через контакты выключателя зажигания S1 при повороте ключа в положение «Стартер». Якорь реле втягивается в электромагнит, через рычажный механизм вводит шестерню в зацепление с венцом маховика и в конце хода замыкает контакты К1.1 цепи питания электродвигателя. Начинается пуск ДВС.

После пуска ДВС шестерня отсоединяется от вала обгонной муфтой, а при переводе ключа в положение «Зажигание» якорь тягового реле и приводной механизм под действием пружины возвращаются в начальное положение.

Значительно чаще применяются двухобмоточные тяговые реле. Они имеют втягивающую (ВО) и удерживающую (УО) обмотки. Такие реле позволяют уменьшить расход электроэнергии в процессе пуска. Схема управления стартером с двухобмоточным тяговым реле приведена на рис. 16.15, б.

Контакты КРС 1 замыкаются промежуточным реле стартера (на рис 16.15, б не показано). После замыкания этих контактов ток от аккумуляторной батареи протекает по двум обмоткам – ВО и УО. Под действием магнитодвижущей силы двух обмоток якорь тягового реле втягивается в электромагнит. В конце хода якорь замыкает силовые контакты КТР 1, включая цепь питания электродвигателя и замыкая ВО накоротко.

После пуска ДВС контакты КРС 1 размыкаются. Ток батареи протекает через контакты КТР 1, а далее по параллельным ветвям: – через обмотки (ВО, УО) и через силовую цепь электродвигателя. Размыкание контактов КРС 1 привело к смене направления тока через ВО. Так как число витков обмоток одинаково, а их магнитодвижущие силы теперь вычитаются, то сердечник электромагнита размагничивается. Пружина выводит шестерню из зацепления, возвращает якорь в начальное положение и размыкает контакты КТР 1. Процесс пуска ДВС завершен.

Как создается вращающий момент в двигателе постоянного тока

На рис. 16.15, в показана схема управления стартером СТ230 – Б. При замыкании контактов выключателя зажигания S1.1 срабатывает промежуточное реле стартера К2. Контакты этого реле К2.1 подключают обмотку тягового реле К1 к батарее Е. Вторая пара контактов реле К2К2.2 шунтирует добавочный резистор R в первичной цепи катушки зажигания.

После пуска ДВС выключатель зажигания переводится в положение «Зажигание». В этом положении контакты S1.2 остаются замкнутыми, но контакты S1.1 размыкаются и снимают напряжение с обмотки реле К2. Контакты К2.1 и К2.2 размыкаются, реле К1 обесточивается, процесс пуска завершается.

16.1. Можно ли двигатель постоянного тока использовать как генератор?

16.2. Раскройте понятия: обмотка возбуждения, рабочая обмотка, геометрическая нейтраль, главная и вспомогательная цепь машины постоянного тока.

16.3. Для чего в машинах постоянного тока применяют полюсные наконечники?

16.4. С помощью какого конструктивного элемента рабочую обмотку машин постоянного тока соединяют с внешней цепью?

16.5. Почему щетки машин постоянного тока устанавливают в точках, расположенных на линии геометрической нейтрали?

16.6. Приведите выражение для Э.Д.С. якоря, когда машина работает в режиме генератора. Какие физические величины определяют значение Э.Д.С.?

16.7. Какова природа противодействующего момента машин постоянного тока в режиме генератора?

16.8. Как возникает вращающий момент машин постоянного тока в режиме электродвигателя?

16.9. Чем отличается электрическая мощность, подводимая к двигателю, от электромагнитной мощности? Докажите, что электромагнитная мощность двигателя равна механической мощности.

16.10. Перечислите способы возбуждения магнитного потока в генераторах постоянного тока.

16.11. Чем различаются обмотки различного способа возбуждения машин постоянного тока?

16.12. Какой из рассмотренных генераторов постоянного тока обеспечивает наибольший диапазон регулирования напряжения?

16.13. Приведите определение механической характеристики электродвигателя.

16.14. Для чего электродвигатели постоянного тока снабжаются пусковыми реостатами?

16.15. Какой из рассмотренных двигателей обеспечивает наибольший пусковой момент?

16.16. Перечислите способы регулирования частоты вращения вала двигателей постоянного тока.

Источник

Видео

Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.

Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.

Урок 178 (осн). Рамка с током в магнитном поле. Электродвигатель

Урок 178 (осн). Рамка с током в магнитном поле. Электродвигатель

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Пуск двигателей постоянного тока

Пуск двигателей постоянного тока

Схема двигателя постоянного тока. Устройство и принцип работы.

Схема двигателя постоянного тока. Устройство и принцип работы.

Электромоторы , делают так !!!

Электромоторы , делают так !!!

Способы регулирования частоты вращения якоря машины постоянного тока

Способы регулирования частоты вращения якоря машины постоянного тока

Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока

Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока

ЭМ2 лекция 1 17,02,2022

ЭМ2 лекция 1 17,02,2022

Универсальные электродвигатели. Как они работают?

Универсальные электродвигатели. Как они работают?
Поделиться или сохранить к себе:
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных, принимаю Политику конфиденциальности и условия Пользовательского соглашения.