Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

Из него следует, что при отсутствии нагрузки на валу и токе якоря Iя=0 частота вращения электродвигателя при данном значении питающего напряжения n=U/ceФ=n0

Частота вращения электродвигателя n0 является частотой вращения идеального холостого хода. Кроме параметров электродвигателя она зависит также от значения подводимого напряжения и магнитного потока. С уменьшением магнитного потока при прочих равных условиях частота вращения идеального холостого хода возрастает, поэтому в случае обрыва цепи обмотки возбуждения, когда ток возбуждения становится равным нулю, магнитный поток двигателя снижается до значения, равного значению остаточного магнитного потока Фост. При этом двигатель «идет в разнос», развивая частоту вращения, намного большую номинальной, что представляет определенную опасность как для двигателя, так и для обслуживающего персонала.

Частотная (скоростная) характеристика электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением nIя при постоянном значении магнитного потока ф=const и постоянном значении подводимого напряжения U = const имеет вид прямой 1. С увеличением нагрузки па валу, т. е. с увеличением тока якоря Iя, частота вращения электродвигателя уменьшается на значение, пропорциональное падению напряжения на сопротивлении цепи якоря Rя.

Для электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением уравнение электрического равновесия по второму закону Кирхгофа имеет вид U=E+(Rя+Rв)Iя, где Rв - сопротивление обмотки последовательного возбуждено двигателя.

С учетом того, что Е=сenФ, уравнение частотной характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением приводится к следующему виду:

Из уравнения также видно, что с уменьшением нагрузки, т. е. с уменьшением тока якоря и, как следствие этого, с уменьшением магнитного потока частота вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением резко возрастает, достигая большого значения при отсутствии нагрузки. Поэтому двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением «идут в разнос» в режиме холостого хода.

Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением, кроме обмотки параллельного возбуждения, магнитный поток которой Ф1=const при постоянном значении напряжения U=const, имеет последовательную обмотку возбуждения, магнитный поток Ф2 которой зависит от тока якоря, т. е. от его нагрузки. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи электродвигателя со смешанным возбуждением уравнение электрического равновесия и уравнение частотной характеристики имеют такой же вид, как и соответствующие уравнения, записанные для двигателя с последовательным возбуждением. Вследствие того что электродвигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения, результирующий магнитный поток оказывается равным сумме магнитных потоков, создаваемых последовательной и параллельной обмотками возбуждения:

Ф=Ф1+Ф2,

где Ф1 и Ф2 - магнитные потоки, создаваемые параллельной и последовательной обмотками возбуждения.

Благодаря наличию двух обмоток возбуждения (последовательной и параллельной) свойства электродвигателей постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой нечто среднее между свойствами двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Поэтому частотная характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением, располагается между частотными характеристиками двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Электродвигатели со смешанным возбуждением обладают улучшенными характеристиками по сравнению с двигателями с последовательным возбуждением и при отсутствии нагрузки на валу не «идут в разнос», так как частота вращения ограничивается при этом частотой вращения идеального холостого хода: n0=U/ceФ2.

Пренебрегая влиянием реакции якоря в процессе изменения нагрузки на валу, можно принять электромагнитный момент двигателя пропорциональным току якоря. Поэтому механические характеристики двигателей постоянного тока имеют такой же вид, как и соответствующие частотные характеристики. Электродвигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую механическую характеристику (кривая 1), его частота вращения с ростом момента нагрузки снижается незначительно, так как ток возбуждения при параллельном включении обмотки возбуждения и соответственно магнитный поток двигателя остаются практически неизменяемыми, а сопротивление цепи якоря относительно мало.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют мягкую механическую характеристику (кривая 2), поскольку с изменением момента нагрузки на валу изменяется ток якоря, а следовательно, и магнитный поток двигателя.

Двигатели постоянного тока со смешанным возбуждением имеют более мягкую механическую характеристику (кривая 3), чем двигатели с параллельным возбуждением, и более жесткую, чем двигатели с последовательным возбуждением.

Одной из важных характеристик электродвигателей постоянного тока является моментовая характеристика, т. е. зависимость электромагнитного момента от тока поля двигателя М (Iя). Для двигателей с параллельным возбуждением эта зависимость определяется выражением М =смФIя. Пренебрегая влиянием реакции поря для этих двигателей, можно принять Ф=const, вследствие чего зависимость М(Iя) при U=const представится в виде прямой, проходящей через начало координат.

Для двигателей с последовательным возбуждением зависимость М(Iя) является более сложной, так как входящий в выражение М = смФIя магнитный поток является функцией тока поря. При некоторых допущениях для этих двигателем можно принять, что, где k - соответствующий коэффициент пропорциональности.

В результате моментовая характеристика двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением представится в виде квадратичной зависимости, проходящей через начало координат (кривая 1).

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря Iя и КПД η от полезной мощности на валу Р2 электродвигателя, т. е. n(Р2), М(Р2), Iя(Р2), η(Р2) при неизменном значении напряжения на его зажимах U=const.

Анализ рабочих характеристик электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показывает, что частота их вращения n с увеличением нагрузки несколько уменьшается. Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки Р2 представляет собой почти прямую линию, так как момент двигателя пропорционален нагрузке на валу: М = 9550P2/n. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р2=0 ток, потребляемый электродвигателем, равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, так как при условии Ф=соnst ток поря пропорционален моменту нагрузки.

КПД электродвигателя с увеличением мощности на валу быстро нарастает и достигает максимального значения, когда переменные потери мощности в электродвигателе оказываются равными постоянным потерям в нем, т. е. при Рм=Рэв+Рэя+Рмех+Рдоб.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением имеют несколько другой вид по сравнению с рабочими характеристиками двигателя с параллельным возбуждением, так как с изменением нагрузки на валу (мощности P2) изменяется и магнитный поток.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой зависимости, занимающие в прямоугольной системе координат некоторое среднее положение между рабочими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

Электрические генераторы постоянного тока. Устройство, краткие теоретические основы

генератор электрический двигатель ток

Генератор постоянного тока – электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в энергию постоянного тока. Генератор состоит из трех основных частей: индуктора 1, якоря 2 и коллектора 3.

Индуктор предназначен для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной части машины - статоре.

Вращающаяся часть машины называется якорем. Принцип действия генераторов постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции. При вращении якоря каким-либо первичным двигателем, вследствие пересечения проводниками обмотки якоря магнитного поля полюсов, в соответствии с законом электромагнитной индукции, в последней наводится ЭДС. В зависимости от типа используемого при этом первичного двигателя различают турбогенераторы, гидрогенераторы, моторгенераторы и т. п. ЭДС, возникаемая в каждом проводнике обмотки якоря машины является переменной Е=f(t), так как она изменяется во времени по величине и направлению и зависит от положения проводников в межполюсном пространстве. Для получения на зажимах генератора постоянной во времени ЭДС предназначен коллектор, расположенный на вращающемся якоре, с системой неподвижных щеток, расположенных на статоре машины. Для создания магнитного потока требуемой величины на полюсах индуктора имеются обмотки возбуждения, обтекаемые регулируемым постоянным током. В зависимости от способа возбуждения генераторов постоянного тока различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

У генераторов с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается постоянным током, получаемым от постороннего источника, а у генераторов, с самовозбуждением - непосредственно от зажимов якоря самой машины. На практике в основном применяют генераторы с самовозбуждением, имеющие более простую конструкцию и легкость эксплуатации. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения генераторы постоянного тока с самовозбуждением разделяют на генераторы с параллельным, последовательным и со смешанным возбуждением.

Наиболее широко в настоящее время применяют генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением. Цепь обмотки возбуждения генератора подключается параллельно с нагрузочным сопротивлением Rн, поэтому он и называется генератором с параллельным возбуждением.

При вращении поря в его обмотке возникает ЭДС Е, направление которой зависит от направления вращения якоря. При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому возникающий в цепи якоря ток Iя совпадает ПО направлению с индуцируемой в нем ЭДС Е. Как видно из схемы, ток якоря разветвляется по двум параллельным ветвям. По цепи обмотки возбуждения протекает ток возбуждения Iв, для регулирования которого включено регулировочное сопротивление Rp. По цепи нагрузки протекает ток нагрузки I. При этом в соответствии с первым законом Кирхгофа для точки разветвления токов имеем Iz=I+Iв. Обмотку возбуждения генераторов с параллельным возбуждением выполняют из большого количества витков тонкого провода. Это позволяет получить необходимые для создания требуемого магнитного потока ампервитки при относительно небольшом токе возбуждения. Для современных машин постоянного тока ток возбуждения составляет около 1 ... 5% номинального значения тока якоря Iя.

Одной из основных характеристик генератора с параллельным возбуждением является характеристика холостого хода, т. е. зависимость ЭДС Е0, индуцируемой в обмотке якоря, от тока возбуждения – Iв при токе нагрузки, равном нулю (при разомкнутой цепи нагрузки) и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость E0(Iв), при I=0 и n=nном=соnst. Электродвижущая сила, возникающая на зажимах якоря, как известно, определяется уравнением E=ccnФ, где сс - постоянная, зависящая от конструктивных данных генератора; n - частота вращения якоря; Ф - результирующий магнитный поток.

Магнитный поток зависит от намагничивающей силы (ампервитков) обмотки возбуждения, а следовательно, от тока возбуждения. При n=const между ЭДС и магнитным потоком устанавливается пропорциональность. При этом зависимость Е0(Iв) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф(Iв). Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением представляет собой совокупность двух расходящихся ветвей 1 и 2.

Ветвь 1 (восходящая) соответствует постепенному повышению тока возбуждения от нуля, ветвь 2 (нисходящая) - его уменьшению. При Iв=0 (цепь обмотки возбуждения разомкнута) ЭДС E0 холостого хода не равна нулю. Объясняется это тем, что в магнитной системе машины имеется остаточный магнитный поток Фост, который и обусловливает появление соответствующей ему ЭДС Eост=ccnномФост

С увеличением тока возбуждения ЭДС вначале интенсивно возрастает почти по прямолинейному закону. Наклон начальной прямолинейной части характеристики зависит от величины воздушного зазора машины, причем меньшему зазору соответствует больший угол наклона. С последующим увеличением тока возбуждения Iв прямолинейность характеристики холостого хода нарушается вследствие явления насыщения магнитной системы машины. При сильном насыщении характеристика холостого хода снова принимает прямолинейный вид, но имеет уже весьма незначительный наклон относительно оси абсцисс. При уменьшении тока возбуждения в обратном порядке получается нисходящая ветвь 2 характеристики холостого хода. Одному и тому же значению тока возбуждения нисходящей ветви соответствует несколько большая ЭДС, чем ЭДС восходящей ветви, что происходит вследствие явления гистерезиса. По характеру расхождения ветвей можно судить о качестве магнитного материала.

У генераторов, изготовленных из высококачественных электротехнических сталей, расхождение ветвей незначительно.

При расчете и исследовании свойств машин обычно используют практическую кривую характеристики холостого хода, за которую принимают среднюю линию, проведенную между двумя ветвями. Следует заметить, что после отключения обмотки возбуждения остаточный магнитный поток, соответствующий нисходящей ветви, в течение определенного промежутка временя вследствие самопроизвольного размагничивания уменьшается до значения, соответствующего Eост нижней восходящей ветви, так что при повторном снятии характеристики холостого хода будет снова наблюдаться ее раздвоение.

Прежде чем к зажимам генератора подключать нагрузочное сопротивление Rи, генератор необходимо возбудить, т. е. создать на его зажимах необходимое для нормальной работы напряжение. Источником питания обмотки возбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением является сам генератор. При этом обмотка возбуждения рассчитывается так, чтобы при нормальной частоте вращения якоря и нормальном токе нагрузки ток возбуждения ~ создавал необходимый для нормальной работы машины магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом. При разомкнутой обмотке возбуждения и вращении якоря в обмотке якоря создается ЭДС Еост, обусловленная остаточным магнитным потоком, величина этой ЭДС обычно незначительна и составляет около 3...5% номинального значения напряжения Uном. Напряжение на зажимах генератора U=Eост будет оставаться до тех пор, пока не будет подано питание в цепь обмотки возбуждения. При подключении цепи обмотки возбуждения к зажимам якоря под действием ЭДС Еост возникает относительно небольшой ток, возбуждения, величина которого определяется в соответствии с законом Ома, записанным для цепи обмотки возбуждения: