Часть2, рефераты / Вопросы / vopros_3

(вопрос 3) Двигатель постоянного тока. Принцип действия. Режимы работы. КПД.Моменты:номинальный, пусковой, электромагнитный, на валу.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упро-щенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого показано на рис. 1. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы FЭМ, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180º электромагнитные силы не изменят своего направления, поскольку одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

Рис. 1.3. Принцип действия двигателя постоянного тока

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока – изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспе-чивает двигателю устойчивой работы, поскольку при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали nn′ (рис. 1) электромагнитные силы FЭМ = 0 (магнитная индукция в середине межполосного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, вклю-ченным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный механический преобразователь рода тока. Таким образом, кол-лекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности, имея при этом более высокую стоимость.

Режимы работы

В двигателях параллельного возбуждения при неизменном токе в обмотке возбуждения (Iв = const) магнитный поток изменяется при нагрузке весьма незначительно, поэтому с некоторым приближением можно принять Ф=const. В этом случае электромагнитный момент пропорционален току в цепи якоря и механическая характеристика n = f(M) может быть представлена зависимостью n = f(Ia ) (рис. 2). Если эту характеристику продолжить в обе стороны за пределы осей координат (прямая 1), то можно показать, что электрическая машина в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в трех режимах: двигательном, тормозном и генераторном.

При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря Ia0 небольшой. При

этом частота вращения 0 n = n (точка А). Затем с появлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодействующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС Ea = 0 и ток двигателя достигает значения Iaк =U/Σr. Если двигатель применяют для привода механизма, нагрузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, для привода барабана, на который наматывается трос с грузом), то при последующем увеличении нагрузочного момента этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал электрической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины – тормозящим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной режим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е. Ia =(U+Ea)/Σr.

При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают доба-вочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря Iаном < Iак (штриховая прямая).

Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вращения, а следовательно, и ЭДС Ea начнут возрастать. Когда ЭДС Ea =U, машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и частота вращения якоря достигает значения, называемого пограничной частотой вращения nх.х.

Рис. 2. Режимы работы машины постоянного тока:

1 – с параллельным (независимым) возбуждением; 2 – со смешанным

возбуждением; 3 – с последовательным возбуждением

При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС Ea станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим: механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электрическую и поступать в сеть.

Перевод машины из двигательного в генераторный режим используют для торможения двигателя, поскольку в генераторном режиме электромагнит-ный момент является тормозящим (рекуперативное торможение).

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия электрической машины представляет

собой отношение мощностей: отдаваемой (полезной) 2 P к подводимой (потребляемой) 1 P :

η = P2 / P1, (1)

Полезная мощность (мощность на выходе машины) определяется по формуле

P2=M2⋅ ω, (2)

где M2 – момент нагрузки (момент на валу), Нм;

ω – скорость двигателя, рад/с.

Потребляемая двигателем с независимым возбуждением мощность (мощ-

ность на входе машины) рассчитывается по формуле

P1 =Uя ⋅ Iя +Uоп ⋅ Iоп, (3)

Здесь и далее индекс Я соответствует цепи якоря, а индекс ОП – обмотке

полюсов электрической машины.

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75–0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,9–0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт.

Намного меньше КПД машин постоянного тока малой мощности. Например,

для машин мощностью от 5 до 50 Вт η = 0,15...0,50 . КПД двигателей мощно-

стью от 100 до 1000 Вт составляет 0,50–0,80.

Указанные значения КПД соответствуют номинальной нагрузке машины.

Зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки выражается графиком η = f(P2 ) , форма которого характерна для электрических машин (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость η = f (P2 )

Если обмотку возбуждения и якорь двигателя подключить к сети постоянного тока напряжением U то, возникает электромагнитный вращающий момент Мэм. Полезный вращающий момент М на валу двигателя меньше электромагнитного на значение противодействующего момента, со­здаваемого в машине силами трения и равного моменту Мх в режиме XX, т. е. М == Мэм—Мх.

Пусковой момент двигателя должен быть больше статического тормозного Мт в состоянии покоя ротора, иначе якорь двигателя не начнет вращаться. В установившемся режиме (при n = соnst) имеет место равновесие вращающего М и тормозного Мт моментов:

М = Мэм – Мх = Мт

Из механики известно, что механическая мощность двигателя может быть выражена через вращающий момент и угловую скорость

Следовательно, полезный вращающий момент двигателя М (Н • м), выраженный через полезную мощность Р (кВт) и частоту вращения n(об/мин),

М =9550P/n