Откуда получаем ток

I=( u – e)/σr_a (5.13)

Умножит обе части равенства (5.11) на ток i_а, получим уравнение мощности двигателя для якорной цепи:

Ui_a=i_a²σr+e_ai_a (5.14)

Где ui_a=р₁ – мощность, потребляемая машиной от сети постоянного тока; i_a²σr – мощность электрических потерь в цепи якоря; e_ai_a=р_эм – электромагнитная мощность двигателя, развиваемая вращающимся якорем. Для уяснения физической сущности электромагнитной мощности электродвигателя, проделаем следующие преобразования с учетом (5.3):

Е_аi_а= =р_эм (5.15)

Преобразовав уравнение (5.13) с учетом (5.14), в конечном итоге получим:

Ui_a=mω+i_a²σr (5.16)

Откуда делается вывод, что при приложении к валу и увеличении тормозного момента (момента механической нагрузки) скорость его вращения падает. Это вызывает уменьшения эдс е_а и, соответственно, увеличение тока i_а, что согласно (5.14) приведет к соответствующему росту электромагнитного момента. Таким образом, потребляя электрическую энергию из сети постоянного тока, машина преобразовывает её в механическую энергию вращающегося вала. Частоту вращения ротора получим, преобразовав (5.6) к виду n=e_a/(c_eф), а с учетом (5.11) – окончательно получим:

N= (5.17)

Т.е. Частота вращения якоря двигателя постоянного тока пропорциональна напряжению источника питания и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это можно объяснить и тем, что повышение напряжения u или уменьшение потока ф всегда приводит к увеличению разности (u – e_a), что при постоянстве σr согласно (5.11) приводит к росту тока и далее – к увеличению вращающего момента двигателя. Поэтому, если момент нагрузки не изменился, то частота вращения ротора возрастет. Важно также отметить, что при изменении полярности напряжения питания или при изменении направления магнитного потока направление действия электромагнитного момента меняется на противоположное и двигатель реверсируется. Если же эти изменения (полярности напряжения и тока возбуждения) произойдут одновременно, то якорь не изменит направления вращения. Благодаря этому свойству коллекторного двигателя существует принципиальная возможность питания двигателя и от сети переменного тока. Такие двигатели нашли практическое применение в маломощных приводах, но только при последовательном возбуждении. Момент двигателя на валу можем получить, если из величины электромагнитного момента вычесть момент сопротивления м_о, развиваемого трением в подшипниках и щеточном узле, вентиляционными потерями, перемагничиванием сердечника якоря:

М₂=м – м_о (5.18)

Откуда определяем механическую мощность, снимаемую с вала двигателя, и его кпд:

Р₂=р₁ – σδр; η=р₂/р₁=1 - (5.19)

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, параллельное, последовательное или смешанное возбуждение, от чего существенно зависят их рабочие свойства. К основным характеристикам двигателя постоянного тока относят рабочие и механические характеристики. Рабочими характеристиками считают зависимости потребляемой мощности, тока, частоты вращения вала, кпд или вращающего момента от мощности на валу р₂ при неизменных значениях тока возбуждения (для машин с независимым и параллельным возбуждением) и напряжения питающей сети. Механическими характеристиками называют зависимости частоты вращения от вращающего момента на валу при тех же условиях. Рассмотрим указанные характеристики двигателей постоянного тока с разными системами возбуждения. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением и его характеристики показаны на рис. 5.13.

Рис.5.13. Характеристики двигателя

с параллельным возбуждением

Здесь представлены: схема включения двигателя (а) с возможностью регулирования токов якоря (реостат r_а) и возбуждения (реостат r_в), его рабочие (б) и механические (в) характеристики. Зависимости р₁, i, η=f(р₂) имеют характер, общий для всех электрических машин. Кривая кпд η при увеличении нагрузки резко поднимается вверх и при нагрузке, равной примерно 0,5р_2ном, достигает максимума и изменяется намного медленнее. Зависимость n=f(p₂) называют скоростной характеристикой. Уменьшение скорости вращения ротора связано с тем, что с ростом нагрузки происходит увеличение тока и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении якоря ir_a. Однако, падение скорости сдерживается тем, что с ростом нагрузки происходит некоторое размагничивание машины, то есть – уменьшение потока ф. Все изложенное объясняется формулой (5.16). Если пренебречь влиянием реакции якоря (размагничиванием машины), то скоростная характеристика превратится в прямую линию. Момент на валу представлен зависимостью м₂=р₂/ω=9,55р₂/n, которая называется моментной характеристикой. График зависимости электромагнитного момента двигателя м=f(р₂) параллелен кривой м₂=f(р₂) и сдвинут от него вверх на величину момента м_о, определяемого потерями холостого хода. Механическая характеристика двигателя наиболее полно записывается выражением

N= (5.20)

И представлена на рис. 5.13в) семейством прямых линий в зависимости от величины сопротивления r_a. Здесь пунктиром произвольно показана зависимость момента нагрузки от скорости вращения. Установившаяся скорость вращения ротора во всех случаях соответствует точке пересечения кривой нагрузки с соответствующей механической характеристикой. Так, при r_а=0 эта точка соответствует номинальной нагрузке при номинальной скорости вращения. По механической характеристике, зная параметры нагрузки, можно правильно подобрать двигатель. На рис. 5.14а, б, в) представлены схема включения и характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Рис.5.14. Характеристики двигателей постоянного тока

с последовательным и смешанным возбуждением

Следует обратить внимание, что на схеме (а) цепи якоря и обмотки возбуждения (овс) соединены последовательно и подключены к источнику u. В этой цепи предусмотрен реостат r_п для регулирования тока i. И приведенных кривых (б) делается вывод, что у сериесного двигателя рабочие характеристики р₁, i, η=f(р₂) примерно такие же, как и у шунтового двигателя, в то время как моментная м₂=f(р₂) и скоростная n=f(p₂) характеристики существенно отличаются. Причина отличий состоит в том, что в обмотках якоря и возбуждения течет один и тот же ток i, поэтому магнитный поток машины зависит от нагрузки ф=k_фi, где к_ф – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими параметрами машины. С учетом этого уравнение скоростной характеристики приобретает вид:

N= (5.21)

Графически она изображается кривой n, близкой по форме к гиперболе (см. Рис. 5.14б). Выражение для моментной характеристики:

М=сфi=ck_фi² (5.22)

Она показана на рис. 5.14б) кривой м. Если (5.21) решить относительно тока и результат подставить в (5.20), то после упрощающих выражение преобразований получим уравнение механической характеристики сериесного двигателя:

N= (5.23)

Из последнего уравнения следует, что механическая характеристика сериесного двигателя также изображается гиперболической кривой. На рис. 5.14в) показаны две кривые, представляющие рассматриваемые механические характеристики при двух значениях сопротивления в цепи якоря, причем, r_a1<r_a2. Следует обратить внимание, что механическая характеристика сериесного двигателя выражается весьма “мягкой” кривой, то есть, скорость вращения ротора будет сильно падать при увеличении нагрузки на валу. Вторая её особенность состоит в том, что при нагрузке, меньше 0,25м_ном скорость вращения нарастает очень быстро и машины может пойти «в разнос». Это грозит серьезной аварией. Поэтому сериесные двигатели применяют только при жестком соединении с механизмом, обеспечивающим надежную нагрузку (например, привод колес транспортного средства и т.п.). Нельзя использовать ременные передачи из-за опасности обрыва ремня или его соскакивания со шкива. Серьезным достоинством сериесного двигателя считается его способность на «ползучих» (весьма низких) скоростях развивать очень большой момент, что недоступно шунтовому двигателю. На рис. 5.14г) и д) приведены схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением. В этой машине магнитный поток создается одновременно двумя обмотками индуктора: параллельной (овш) и последовательной (овс). Обычно одна из них является основной, а другая – вспомогательной. На долю основной обмотки приходится обычно до 75% общей мдс индуктора. Основная и вспомогательная обмотка могут быть включены согласно (направление их мдс совпадает) или встречно. Первый вариант относится к случаю, когда основной является сериесная обмотка, а второй – когда шунтовая. Это дает возможность в широких пределах изменять форму механической характеристики двигателя. Из приведенных рабочих характеристик следует сделать выводы, важные для правильного использования машины. Во-первых, обращает на себя внимание большое значение пускового тока, имеющего место в момент подключения к источнику при еще неподвижном роторе. Кратность пускового тока в мощных машинах может превышать 20i_ном. Потому для пуска таких машин широко используется так называемый реостатный способ. Суть его состоит в том, что на время пуска в цепь якоря вводят дополнительное сопротивление, способное выдержать расчетное значение пускового тока, и по мере разгона ротора его постепенно или ступенчато уменьшают до нуля. Во-вторых, двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование скорости вращения ротора в широких пределах. Наиболее распространенными способами регулирования скорости являются: изменением дополнительного сопротивления в цепи якоря, изменением величины тока в обмотке возбуждения и изменением напряжения, подводимого к зажимам якорной обмотки. Наибольшими возможностями по диапазону регулирования (1:100 и выше) и экономичности обладает третий способ. Второй способ применяют при необходимости повысить скорость при нагрузке, меньшей номинальной. Первый способ применяют редко, так как он связан с большими потерями энергии на регулировочном реостате.

3. Заключительная часть

3.1. Заключение

В результате проведения занятия обучаемые получили представление о назначении, устройстве и разновидностях машин постоянного тока, их классификации, принципе работы генератора и двигателя постоянного тока, конфигурации магнитного поля и способах питания обмотки возбуждения, явлении реакции якоря и её влиянии на форму магнитного поля и величину магнитного потока, особенностях коммутации тока в секциях якорной обмотки и способах её улучшения, рабочих и регулировочных характеристиках генераторов и двигателей, способах их экономичного запуска.

По итогам проведенного занятия обучаемые должны уметь:

• Объяснить устройство машины постоянного тока и главных её разновидностей;

• Выполнить классификацию типов машин постоянного тока;

• Объяснить принцип работы генератора постоянного тока;

• Объяснить способы создания основного магнитного поля в машине постоянного тока;

• Перечислить способы питания обмотки возбуждения и дать их краткую характеристику;

• Раскрыть сущность реакции якоря в машине постоянного тока и её влияние на формирование результирующего магнитного поля;

• Дать определение геометрической и физической нейтрали машины постоянного тока;

• Изобразить характеристику холостого хода генератора с независимым возбуждением и объяснить её конфигурацию;

• Перечислить условия самовозбуждения шунтового генератора;

• Изобразить одну тз схем якорной обмотки;

• Пояснить сущность процесса коммутации в машине постоянного тока;

• Назвать способы улучшения коммутации;

• Пояснить назначение добавочных полюсов и компенсационной обмотки;

• Перечислить виды потерь мощности в машине постоянного тока и дат определение её кпд;

• Изобразить внешнюю характеристику генератора постоянного тока: шунтового и с независимым возбуждением;

• Изобразить регулировочную характеристику генератора постоянного тока;

• Пояснить принцип работы двигателя постоянного тока;

• Изобразить схемы включения шунтового, сериесного и компаундного двигателей постоянного тока.

• Построить и пояснить скоростные и механические характеристики шунтового и сериесного двигателей.

• Пояснить особенности пуска двигателя постоянного тока;