Машины постоянного тока

Машины постоянного  тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Упрощенная модель  генератора постоянного тока 

Выпрямление тока  коллектором 

Генератор независимого  возбуждения 

Характеристика холостого  хода 

Из графика видно, что при Iв=0  напряжение U0≠0, что  объясняется наличием небольшого  потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего  намагничивания машины. При увеличении  тока возбуждения, напряжение сначала  растет прямо пропорционально  току возбуждения, а затем начинает  расти медленнее из-за насыщения  стали машины и график приобретает  криволинейный вид.

Зависимость U0=f(Iв)  повторяет  в другом масштабе магнитную  характеристику машины и дает  возможность судить о её магнитных  свойствах.

Нагрузочная характеристика  ГПТ 

Это зависимость U=f(Iв)  при неизменной нагрузке и  постоянной частоте вращения. В  нагрузочном режиме напряжение  на выводах генератора ниже, чем  в режиме х.х., что объясняется  появлением тока в обмотке  якоря.

На холостом ходу  напряжение ГПТ U0=Еа, а при работе  под нагрузкой U=Еа-Iа·Rа, так как  появилось падение напряжения  на активном сопротивлении цепи  якоря.

Следовательно, нагрузочная  характеристика будет располагаться  на графике ниже характеристики  х.х.

При насыщенной магнитной  системе характеристики  U=f(Iв) и U0=f(Iв) не будут параллельны друг  другу, так как уменьшится ЭДС  Еа из-за размагничивающего влияния  реакции якоря.

Внешняя характеристика  ГПТ независимого возбуждения

• Из графика видно, что при увеличении тока нагрузки I  напряжение на выводах генератора уменьшается, что объясняется следующими причинами:

 

• 1) с ростом тока нагрузки I увеличивается падение напряжения в цепи якоря (Iа·Rа);

 

• 2) растет размагничивающее влияние реакции якоря, следовательно, уменьшается магнитный поток Ф и уменьшается ЭДС обмотки якоря Еа.

Регулировочная характеристика  ГПТ независимого возбуждения

Так как при увеличении  нагрузки на генератор напряжение  на его выводах уменьшается, то  для компенсации падения напряжения  в цепи якоря (Iа·Rа)  и размагничивающего  влияния реакции якоря следует  увеличивать ток возбуждения

 

Основной недостаток  ГПТ независимого возбуждения  – это необходимость в источнике  постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования  напряжения в широких пределах  и сравнительно жесткая внешняя  характеристика являются его  достоинствами. Эти генераторы широко  применяют на тепловозах в  качестве тяговых.

 

Применение. Недостатки.

Генератор параллельного  возбуждения 

Процесс самовозбуждения 

Кривая 1 – характеристика  х.х.

Прямая 2 – зависимость  падения напряжения в цепи  возбуждения от тока возбуждения Iв·Rв=f(Iв).

Точка пересечения  А соответствует окончанию процесса  самовозбуждения, так как именно  в ней U0= Iв·Rв.

Угол наклона прямой Iв·Rв=f(Iв) прямо пропорционален сопротивлению  цепи возбуждения. Однако, если сопротивление  цепи возбуждения Rв достигнет  такого значения, при котором  зависимость Iв·Rв=f(Iв) станет касательной  к характеристике х.х. (прямая 3), то  процесс самовозбуждения прекращается.

Внешние характеристики  генератора параллельного возбуждения

При постепенном  уменьшении сопротивления нагрузки  ток нагрузки I увеличивается до  критического значения Iкр, а затем  начинает уменьшаться (кривая 1). Таким  образом, короткое замыкание, вызванное  постепенным ростом нагрузки, не  опасно для ГПТ параллельного  возбуждения. Но при внезапном  к.з. магнитная система генератора  не успевает размагнититься и  ток Iк достигает опасных для  машины значений Iк=(8 ÷ 12) Iном (кривая 2).

ГПТ параллельного  возбуждения широко применяют  в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя  выгодно отличает их от генераторов  независимого возбуждения.

На подвижном составе  их применяют, например, в качестве  подвагонных генераторов на пассажирских  вагонах и в качестве вспомогательных  генераторов на локомотивах.

 

 

Применение

Недостатки

 

• Недостатком этих генераторов является сравнительно большое изменение налряжения при изменении нагрузки. Поэтому в случае, когда приемник энергии требует постоянства напряжения при изменении нагрузки генератора, автоматически меняется и ток в обмотке возбуждения, изменяя как магнитный поток, так и эдс в обмотке якоря таким образом, чтобы обеспечить постоянство напряжения. Для изменения тока в обмотке возбуждения включается регулировочный реостат.

Генератор смешанного  возбуждения 

Внешние характеристики  ГПТ смешанного возбуждения

• Внешняя характеристика U=f(I) при согласном включении обмоток возбуждения очень жесткая (кривая 1), т.е. напряжение на выводах генератора при увеличении тока нагрузки остается почти неизменным.

 

• При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 2), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС параллельной обмотки.

 

• Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например, в сварочных, где необходимо получить очень мягкую внешнюю характеристику.

• Генераторы смешанного возбуждения, обладая хорошими свойствами, в частности устойчивостью напряжения, широко при­меняются в качестве основных источников постоянного тока.

 

Применение

Недостатки

 

Генераторы смешанного  возбуждения при встречном включении  обмоток применяются относительно  редко. У этих генераторов последовательная  обмотка будет созда­вать МДС, направленную так же, как и  МДС размагничи­вающей составляющей  реакции якоря. Под их совместным  размагничивающим действием результирующий  поток воз­буждения машины с  ростом тока нагрузки будет  умень­шаться. В результате этого внешняя характеристикатакого генератора будет иметь резко падающий характер.

Сравнение внешних  характеристик ГПТ разных типов

• Кривая 1 – внешняя характеристика ГПТ смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения;
• Кривая 2 – внешняя характеристика ГПТ с независимым возбуждением;
• Кривая 3 – внешняя характеристика ГПТ с параллельным возбуждением;
• Кривая 4 – внешняя характеристика ГПТ смешанного возбуждения со встречным включением обмоток возбуждения.

 

Модель двигателя  постоянного тока

Двигатель параллельного  возбуждения 

Скоростная характеристика  ДПТ параллельного возбуждения

Это зависимость  частоты вращения от полезной  мощности n=f(P2). 

Чтобы понять, как  будет меняться частота вращения  ДПТ параллельного возбуждения  при увеличении на него нагрузки, обратимся к формуле частоты  вращения

Из которой видно, что при неизменном напряжении U  на частоту вращения влияют два фактора:

• - при увеличении нагрузки растет ток якоря, следовательно, растет падение напряжения в цепи якоря IаRa и числитель уменьшается;
• - из-за размагничивающего влияния реакции якоря уменьшается основной магнитный поток Ф.

Обычно ослабление  потока Ф невелико и увеличение IаRa влияет на частоту вращения  сильнее.

Зависимость нагрузочного  момента ДПТ параллельного возбуждения  от полезной мощности

Эта зависимость установлена формулой: 

    М2=9,56 Р2/n.  

При n=const  график М2=f(P2) имел бы вид прямой, но при  увеличении нагрузки частота  вращения двигателя снижается  и график приобретает криволинейный  вид.

Зависимость электромагнитного  момента ДПТ параллельного возбуждения  от полезной мощности

При n=const  вращающий  момент двигателя М=М0+М2. Так как  рабочие характеристики двигателя  снимают при условии Iв=const  , то  момент х.х. М0=const. Поэтому график  зависимости М=f(P2) проходит параллельно  кривой М2=f(P2).

Механическая характеристика  ДПТ параллельного возбуждения

• Эти двигатели применяют в приводах вентиляторов, станков, а также в других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки, так как они имеют жесткие механические характеристики и возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

 

Применение

Недостатки

 

• Противо-ЭДС немного уменьшается с увеличением нагрузки, что связано с падением напряжения на обмотке якоря, составляющим 2–7% выходного напряжения V. Поскольку обмотка возбуждения присоединена к зажимам источника неизменяющегося напряжения, поток j почти постоянен. Поэтому частота вращения немного падает с увеличением нагрузки

Двигатель последовательного  возбуждения 

Скоростная характеристика n=f(I)

• Из графика видно, что при ненасыщенной магнитной системе (при малых нагрузках) с увеличением нагрузки частота вращения резко убывает. Но затем наступает насыщение магнитной системы двигателя и магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и скоростная характеристика приобретает почти прямолинейный характер, Такую характеристику принято называть мягкой.

Механическая характеристика  двигателя последовательного возбуждения

Механические характеристики  двигателя последовательного возбуждения  при изменении напряжения

Двигатели последовательного  возбуждения обладают следующими  свойствами:

• 1) развивают большой вращающий момент пропорциональный квадрату тока, что важно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках;
• 2) при постепенном увеличении нагрузки мощность на входе двигателя растет медленнее, чем вращающий момент, так как момент пропорционален квадрату тока, а потребляемая мощность - току в первой степени (Р1=U·I) 3) двигатели могут устойчиво работать на малых оборотах;
• 4) устойчиво работают при любой нагрузке большей 25% от номинальной.

Поэтому эти двигатели  широко применяют в качестве  тяговых на транспорте, в качестве  крановых в подъёмных установках, т.е. во всех случаях электропривода  с тяжелыми условиями пуска  и сочетания значительных нагрузок  на вал двигателя с малой  частотой вращения.

 

 

Применение

Недостатки

 

• Двигатели со смешанным и последовательным возбуждением (особенно последние) нельзя включать в сеть вхолостую или с малой статической нагрузкой, так как скорость их в этих случаях превысит допустимые значения, и наступит «разнос» двигателя, сопровождающийся повреждением бандажей и обмоток под действием центробежных усилий.
• Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую стоимость по сравнению с двигателями независимого возбуждения той же мощности и скорости. Это объясняется большим расходом активных материалов (железа и меди) для обеспечения большей перегрузочной способности по току и моменту.