1. Принцип действия и области применения

1.1 Общие сведения

Двигатель постоянного тока -- электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

В разных по мощности двигателях применяется различная обмотка возбуждения:

1) Простая волновая обмотка применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении 110 В и выше.

2) Простая петлевая обмотка применяется для двухполюсных машин малой мощности (до 1 кВт) и машин свыше 500 кВт.

При вращении обмотки якоря в неподвижном магнитном поле, в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся с частотой:

где n - скорость вращения якоря.

При вращении якоря между любыми двумя точками обмотки якоря действует переменная ЭДС. Однако между неподвижными контактными щетками действует постоянная по величине и направлению ЭДС E, равная сумме мгновенных значений ЭДС e1 , e2 , e3 и т.д. (рисунок 1), индуктированных во всех последовательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками. [5]

Рисунок 1.1 - векторная диаграмма, индуктируемых в якорной обмотке ЭДС (e1 , e2 , e3 - мгновенные значения ЭДС, AB - сумма мгновенных значений ЭДС)

Зависимость ЭДС Е от магнитного потока машины и скорости вращения якоря имеет вид:

;

.

двигатель постоянный ток возбуждение

При подключении обмотки якоря к сети с напряжением U, ЭДС Е будет приблизительно равна напряжению U, и скорость вращения ротора:

.

Следовательно, благодаря наличию коллектора при работе машины постоянного тока в двигательном режиме скорость вращения ротора не связана жестко с частотой сети, как в асинхронных и синхронных машинах, а может изменяться в широких пределах путем изменения напряжения U и магнитного потока Ф. Ось симметрии, разделяющая полюса машины постоянного тока, называется ее геометрической нейтралью.

При разомкнутой внешней цепи ток в обмотке якоря не будет протекать, т. к. ЭДС, индуктированные в двух частях обмотки якоря, расположенных по обе стороны геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов, где и следует устанавливать щетки. При вращении якоря точки смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует ЭДС Е, поэтому ЭДС во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Для уменьшения пульсаций ЭДС при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую в каждую параллельную ветвь обмотки якоря обычно включается не менее 16 активных проводников.

На якорь, по обмотке которого протекает ток I, действует электромагнитный момент:

.

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме - тормозным.[1]

1.2 Реакция якоря машины постоянного тока

При холостом ходе магнитный поток в машине создается только НС Fв обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Фв при неизменном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин.

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, и НС якоря создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Фaq , созданный НС якоря Faq в двухполюсной машине при установке щеток на нейтрали направлен по поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия потока Фaq симметричное распределение магнитного поля машины искажается, и результирующий поток Фрез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов. При этом физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол в (рисунок 2). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях - против направления вращения.

Рисунок 1.2 - Магнитное поле машины постоянного тока: а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее (Фв - магнитный поток при х.х.; Фaq - магнитный поток, созданный НС якоря; Фрез - результирующий поток; а-а - геометрическая нейтраль; б-б - физическая нейтраль; в - угол смещения нейтрали б-б)

Вследствие сосредоточенного характера обмотки возбуждения, кривая распределения создаваемой ею НС имеет форму прямоугольника, а кривая индукции- форму криволинейной трапеции (рисунок 3).

Рисунок 1.3 - Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее (Bв - кривая индукции от обмотки возбуждения; Fв - кривая распределения НС; Faq - НС якоря; Baq - кривая магнитной индукции в воздушном зазоре; - величина воздушного зазора в точке x; Bрез - кривая результирующей индукции)

На основании закона полного тока НС якоря, действующая в воздушном зазоре на расстоянии x от оси главных полюсов определится выражением:

Следовательно, НС якоря Faq изменяется линейно вдоль его окружности; под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. Магнитная индукция в воздушном зазоре при ненасыщенной магнитной системе:

где - величина воздушного зазора в точке x.

Из последнего выражения следует, что под полюсом при = const индукция Baq изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина и индукция Baq резко уменьшается. В результате кривая распределения приобретает седлообразную форму. Кривая результирующей индукции получается алгебраическим сложением ординат кривых и .

Реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока:

а) физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол, что ухудшает коммутацию коллекторной машины;

б) результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, а значит, уменьшается ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря при нагрузке, по сравнению с ЭДС Е0 при холостом ходе;

в) в кривой распределения индукции в воздушном зазоре под краями главных полюсов возникают пики, способствующие образованию в машине кругового огня.[3]

1.3 Момент двигателя постоянного тока

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 х.х., 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 (8)

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

(9)

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

М =9550P/n (10)

Обсудим некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя следует, что

Iя = (U -- E)/Rя (11)

В рабочем режиме ток якоря Iя ограничивается э. д. с. E, если n приблезительно равно nном. В момент пуска п = 0, э. д. с. Е = 0 и пусковой ток Iп = U/Rя в 10--30 раз больше номинального. Поэтому прямой пуск двигателя, т. е. непосредственное включение якоря на напряжение сети, недопустимо. Чтобы ограничить большой пусковой ток якоря, перед пуском последовательно с якорем включается пусковой реостат Rп с небольшим сопротивлением. В этом случае при Е = О

Iп=U/(Rя - Rп) << U/Rя (12)

Сопротивление реостатаRп выбирается по допустимому току якоря.

По мере разгона двигателя до номинальной частоты вращения э. д. с. Е увеличивается, а ток уменьшается и пусковой реостат постепенно и полностью выводится (пусковые реостаты рассчитываются на кратковременное включение). Регулировочный реостат Rрег в цепи возбуждения с относительно большим сопротивлением (десятки и сотни Ом) перед пуском двигателя полностью выводится, чтобы при пуске ток возбуждения и магнитный поток статора Ф были номинальными. Это приводит к увеличению пускового момента, который обеспечивает быстрый и легкий разгон двигателя.

После пуска и разгона наступает установившийся режим работы двигателя, при котором тормозной момент на валу Мт будет уравновешиваться моментом, развиваемым двигателем Мэм, т. е. Мэм == Мт (при n = соnst.)

Электродвигатели постоянного тока могут восстанавливать нарушенный изменением тормозного момента установившийся режим работы, т. е. могут развивать вращающий момент М, равный новому значению тормозного момента Мт при соответственно новой частоте вращения n'.

Действительно, если тормозной момент нагрузки Мт окажется больше вращающего момента двигателя Мэм, то частота вращения якоря уменьшится. При постоянных напряжении U и потоке Ф это вызовет уменьшение э. д. с. Е якоря, увеличение тока якоря и вращающего момента до наступления равновесия, при котором Мэм = Мт и n' <n. При уменьшении тормозного момента до Мт аналогично наступает установившийся режим работы при Мэм = Мт' и n">n'. Таким образом, двигатели постоянного тока обладают свойством саморегулирования -- могут развивать вращающий момент, равный тормозному.

1.4 Регулирование частоты

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока определяется на основании уравнения электрического состояния U = Е + RяIя после подстановки в него э. д. с. Е = сФn:

(13)

Падение напряжения в якоре RяIя небольшое: при номинальной нагрузке оно не превышает 0,03 -- 0,07 Uном.

Таким образом, частота вращения двигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному напряжению сети и обратно пропорциональна магнитному потоку статора. Из уравнения (13) следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно двумя способами: изменяя поток статора Ф или напряжение U подводимое к двигателю. Регулирование частоты вращения изменением магнитного поля машины осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения двигателя. Изменение подводимого к двигателю напряжения производится регулированием напряжения источника.

Можно ввести дополнительный реостат в цепь якоря. В этом случае пусковой реостат заменяется пускорегулирующим Rпр Такой реостат выполняет функции как пускового реостата, так и регулировочного. Уравнение (13) при этом имеет вид

 (14)

Отсюда следует, что регулирование частоты вращения двигателя можно осуществить, изменяя напряжение сети, сопротивление пускорегулирующего реостата или поток статора.

Реверсирование двигателей. Из уравнения вращающего момента двигателя Мэм = kФIя вытекает, что реверсирование, т. е. изменение направления вращения якоря, может быть осуществлено изменением направления тока в обмотке возбуждения (потока Ф) или тока якоря.

Для реверсирования двигателя «на ходу» изменяют направление тока якоря (переключением якорных выводов), а обмотку возбуждения не переключают, так как она обладает большой индуктивностью и разрыв ее цепи с током недопустим. Реверсирование отключенного двигателя осуществляется и изменением направления тока в обмотке возбуждения (переключением ее выводов).[4]

2. Конструктивные особенности и основные характеристики

2.1 Обмотки машины постоянного тока

Устройство машины постоянного тока подобно обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения - на статоре. Основное отличие заключается в том, что коллекторная машина постоянного тока имеет механический преобразователь частоты - коллектор, а при мощности более 1...1,5 кВт так же и дополнительные полюса (ДП).

На статоре расположены главные полюса (ГП) с катушками обмотки возбуждения (ОВ) и дополнительные полюса. Обмотка якоря состоит из отдельных якорных катушек, включающих в себя несколько секций, концы которых присоединяются к соответствующим коллекторным пластинам. Возможны два основных способа соединения отдельных секций в обмотку: петлевой (рисунок 1а) и волновой (рисунок 1б):

а) б)

Рисунок 2.1 - обмотки машины постоянного тока: а) простая петлевая; б) волновая

Чтобы присоединить следующую секцию обмотки, можно вернуться под исходный полюс; таким путем при поступательном движении вдоль окружности якоря выполняются соединения петлевой обмотки, называемой так же параллельной обмоткой.

Щетки делят петлевую обмотку на столько пар параллельных ветвей (а), сколько машина имеет пар полюсов (p), т.е. при петлевой обмотке a=p.

При втором способе образования обмотки - соединяются между собой секции, лежащие под следующими по окружности якоря полюсами, выполняемого при поступательном движении вдоль окружности якоря. Таким образом, выполняется волновая обмотка, называемая так же последовательной обмоткой. Число параллельных ветвей при волновой обмотке равно 2 (2а=2), независимо от числа полюсов машины. Чтобы замкнуть волновую обмотку, т.е. чтобы включить в нее все секции обмотки, нужно несколько раз обойти окружность якоря. Петлевая обмотка замыкается после одного обхода якоря.[3]

2.2 Особенности машин постоянного тока

Характерной особенностью машины постоянного тока является (рисунок 2):

- постоянство (в пространстве) магнитного потока возбуждения;

- наличие преобразователя переменного тока в постоянный, в коллекторных машинах - это механический преобразователь (коллектор).

В соответствии с принципом обратимости машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Уравнение ЭДС для двигателя составлено на основании 2-го закона Кирхгофа с учетом направления ЭДС:

(15)

откуда

(16)

Рисунок 2.2 - а) электромагнитная схема машины постоянного ток; б) схема ее включения (1- обмотка возбуждения; 2- главный полюс; 3- коллектор; 4-щетки; 5- обмотка якоря)

Ток в цепи якоря:

В соответствии о формулой Еа = Се Ф n частота вращения определяется выражением:

Подставим значение Е из уравнения U = Е - IЯ RЯ, получим:

т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.

Из этой формулы видно, что возможны пути регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока:

1. Изменением напряжения сети U. Регулируя подаваемое напряжение Uсети можно менять частоту вращения.

2. Включением в цепь якоря добавочного сопротивлению (R'Я = RЯ + RДОБ). Изменяя сопротивление RДОБ, меняют частоту вращения.

3. Изменением магнитного потока Ф. Машины с постоянными магнитами не регулируются. Машины с электромагнитами позволяют регулировать поток Ф путем изменения тока возбуждения IB.

На рисунке 3 показана схема включения в сеть двигателя постоянного тока.

Рисунок 2.3 - схема включения в сеть двигателя постоянного тока (IB - ток возбуждения, IЯ - ток якоря, RДОБ - добавочное сопротивление, RРЕГ - регулировочное сопротивление, ОВ - обмотка возбуждения, Я - обмотка якоря)

По закону электромагнитной индукции при прохождении тока по обмотке якоря происходит взаимодействие ее проводников с магнитным полем полюсов. На каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила Рэм = ВСРLI, пропорциональная магнитной индукции полюсов В, длине проводника L и току I, протекающему по проводнику.

Направление действия этой силы определяется правилом правой руки.

Не повторяя рассуждений, проведенных для генератора постоянного тока, запишем выражение для вращающего момента:

M=CMФ IЯ

где CM - коэффициент пропорциональности.

Вращающий момент у двигателей с независимым и параллельным возбуждением с увеличением нагрузки может как расти, так и уменьшаться, поскольку с ростом потребляемого тока I и размагничивания полюсов, уменьшается магнитный поток Ф.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют отличные от вышеприведенных двигателей характеристики.

Из схемы, приведенной на рисунке 3, видно, что магнитный поток в машине создается обмоткой возбуждения, включенной последовательно с обмоткой якоря. Следовательно, IB = IЯ и выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Последняя формула показывает, что чем больше нагрузка на двигатель, тем большим будет вращающий момент. Это обстоятельство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым на электротранспорте (трамвае, троллейбусе и т.д.). Реверсирование или изменение направления вращения двигателей постоянного тока может осуществляться изменением полярности тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.[1]

3. Схемы включения

3.1 Двигатель с параллельным возбуждением

Двигатели классифицируются по типу возбуждения: с параллельным (шунтовые), последовательным (сериесные) и смешанным (компаундные) возбуждением.

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме U>E, поэтому

В двигателе с параллельным возбуждением (рисунок 1а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети.

а) б)

Рисунок 3.1 - а) схема двигателя с параллельным возбуждением; б) его механические характеристики (щ - скорость вращения; щ0 - скорость вращения при х.х.; M - момент; 1 - естественная характеристика; 2,3,4 - реостатные характеристики соответствующие различным значениям добавочного сопротивления rn)

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от тока нагрузки. В этом случае механическая характеристика двигателя щ=f(M) будет линейной.

где

- скорость вращения при холостом ходе;

- уменьшение скорости, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Сумма сопротивлений () определяет наклон скоростной щ=f(Ia) и механической щ=f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления rn указанные характеристики будут максимально жесткими. В этом случае они называются естественными характеристиками. При включении добавочного сопротивления rn угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2,3,4, соответствующих различным значениям rn (рисунок 1б). Чем больше rn , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче. Современные двигатели с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая передает механической характеристике необходимый угол наклона. НС этой обмотки при токе Iном составляет до 10 % от НС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат rр.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и тем самым его магнитный поток. Согласно выражению щ=f(Ф) при этом будет изменяться и скорость вращения двигателя. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу скорость двигателя резко возрастает (он идет в "разнос"). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь на коллекторе машины.

3.2 Двигатель с последовательным возбуждением

В двигателе с последовательным возбуждением (рисунок 2а) ток возбуждения равен току якоря: Iв=Iа , поэтому магнитный поток Ф является функцией тока нагрузки Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от величины нагрузки. При Ia<(0,8...0,9) Iном, когда магнитная система ненасыщенна, Ф=кфIа , причем коэффициент пропорциональности Кф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным.

а) б)

Рисунок 3.2 - а) схема двигателя с последовательным возбуждением; б) зависимости его момента и скорости вращения от тока якоря (Iя - ток якоря; Iв - ток возбуждения; rn - сопротивление нагрузки; n - скорость вращения; 1 - естественная характеристика; 2,3 - реостатные характеристики соответствующие различным значениям добавочного сопротивления rn)

При дальнейшем возрастании нагрузки поток Ф растет медленнее, чем Ia , и при больших нагрузках (Ia>Iном) можно считать, что Ф=const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n=f(Ia), M=f(Ia) (рисунок 2б).

;

.

Кроме естественных характеристик 1, можно путем включения добавочных сопротивлений rn в цепь якоря получить семейство реостатных характеристик 2, 3, и 4. Чем больше величина rn, тем ниже располагается характеристика.

При малых нагрузках скорость n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в "разнос"). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке. Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2...0,25) Iном; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы при холостом ходе. Применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда имеет место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия труда.

При жесткой характеристике скорость вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность:

где С4 - постоянная.

При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:

где - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р2 , а, следовательно, мощность Р1 и ток Ia изменяются у двигателей с последовательным возбуждением в меньших пределах, чем у двигателя с параллельным возбуждением, кроме того, они лучше переносят перегрузки.[2]

3.3 Двигатель со смешанным возбуждением

В двигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения - параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением (рисунок 3).

Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его скорость холостого хода n0 имеет конечное значение.

Рисунок 3.3 - вид механических характеристик двигателя (1 -- для двигателя с параллельным возбуждением; 2 -- для двигателя с последовательным возбуждением; 3,4 - для двигателя со смешанным возбуждением;Iном - номинальный ток; nном - номинальная скорость)

Литература

1. Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. -- 3-е изд., перераб., -- Л.: Энергия, 1978. -- 832 с.

2. Костенко М. П. Электрические машины, специальная часть. М. 2-е изд., перераб., -- Л., Госэнергоиздат, 1979. 712 с. с ил.

3. http://ets.ifmo.ru/kardonov/4.htm

4. http://msd.com.ua/books/library/003/2_1.htm

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Электродвигатель_постоянного_тока

Приложение А

Двигатели постоянного тока с обмоткой возбуждения. Зарубежные представители