Устройство двигателей постоянного тока

    1.Введение

    Электрические машины постоянного  тока широко применяются  в различных отраслях промышленности.

    Значительное  распространение  электродвигателей  постоянного тока объясняется их ценными  качествами: высокими пусковым, тормозным  и перегрузочным  моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

    Электродвигатели  постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных  станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

    В зависимости от схемы  питания, обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

    Ежегодный выпуск машин постоянного  тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

    Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они  в значительной степени  были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности  плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей.

    2. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

    Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано на рис.1. К стальному корпусу 1 статора машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3, на дополнительных - обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины.

    

    Рис.1 

    На  валу 10 двигателя закреплен цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 9. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

    Дополнительные  полюса с расположенной на них  обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

    Для уменьшения потерь мощности магнитопровод якоря выполнен из отдельных стальных листов. Все обмотки изготовлены из изолированного провода.

    Кроме двигателей, имеющих два главных  полюса, существуют машины постоянного  тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

    Если  двигатель включен в сеть постоянного  напряжения, то при взаимодействии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент, действующий на якорь:

    

  (1)

    

  (2)

    где К_М - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф - магнитный поток одного полюса; I_Я - ток якоря.

    Если  момент двигателя при n = 0 превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, то якорь начнет вращаться. При увеличении частоты вращения n возрастает индуцируемая в якоре ЭДС. Это приводит к уменьшению тока якоря:

    

  (3)

    где r_Я - сопротивление якоря.

    Следствием уменьшения тока I_Я является уменьшение момента двигателя. При равенстве моментов двигателя и нагрузки частота вращения перестает изменяться.

    Направление момента двигателя и, следовательно, направление вращения якоря зависят от направления магнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя, следует изменить направление тока якоря либо тока возбуждения. 

    3. Пуск двигателей

    Из  формулы (3) следует, что в первое мгновение после включения двигателя в сеть постоянного напряжения, т.е. когда  и ,

    

    Так как сопротивление r_Я невелико, то ток якоря может в 10…30 раз превышать номинальный ток двигателя, что недопустимо, поскольку приведет к сильному искрению и разрушению коллектора. Кроме того, при таком токе возникает недопустимо большой момент двигателя, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

    Чтобы уменьшить пусковой ток в цепи якоря, включают пусковой резистор, сопротивление которого по мере увеличения частоты вращения двигателя уменьшают до нуля. Если пуск двигателя автоматизирован, то пусковой резистор выполняют из нескольких ступеней, которые выключают последовательно по мере увеличения частоты вращения.

    Пусковой ток якоря

    

    По  мере разгона двигателя в обмотке  якоря возрастает ЭДС, а как следует из формулы (3), это приводит к уменьшению тока якоря I_Я. Поэтому по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в цепи якоря уменьшают. Чтобы при сравнительно небольшом пусковом токе получить большой пусковой момент, пуск двигателя осуществляют с наибольшим магнитным потоком. Следовательно, ток возбуждения при пуске должен быть максимально допустимым, т.е. номинальным. 

    4.Технические данные двигателей

    В паспорте двигателя и справочной литературе на двигатели постоянного  тока указаны следующие технические  данные: номинальные напряжение U_и, мощность P_н, частота вращения n_н,  ток I_н, КПД.

    Под номинальным U_н понимают напряжение, на которое рассчитаны обмотка якоря и коллектор, а также в большинстве случаев и параллельная обмотка возбуждения. С учетом номинального напряжения выбирают электроизоляционные материалы двигателя.

    Номинальный ток I_н – максимально допустимый ток (потребляемый из сети), при котором двигатель нагревается до наибольшей допустимой температуры, работая в том режиме (длительном, повторно-кратковременном, кратковременном), на который рассчитан:

    

    где I_ян — ток якоря при номинальной нагрузке; I_вн – ток обмотки возбуждения при номинальном напряжении.

    Следует отметить, что ток возбуждения  I_вн двигателя параллельного возбуждения сравнительно мал, поэтому при номинальной нагрузке обычно принимают

    

    Номинальная мощность Р_н - это мощность, развиваемая двигателем на валу при работе с номинальной нагрузкой (моментом) и при номинальной частоте вращения n_н.

    Частота вращения n_н, и КПД  соответствуют работе двигателя с током I_н, напряжением U_н без дополнительных резисторов в цепях двигателя.

    В общем случае мощность на валу P₂, момент М и частота вращения n связаны соотношением:

    

    Потребляемая  двигателем из сети мощность Р₁, величины P_2, КПД, U, I связаны соотношениями:

    

    

    где

    Очевидно, что эти соотношения справедливы  также и для номинального режима работы двигателя. 
 

    5. КПД двигателей  постоянного тока

    Коэффициент полезного действия является важнейшим  показателем двигателей постоянного тока. Чем он больше, тем меньше мощность Р и ток I, потребляемые двигателем из сети при одной и той же механической мощности. В общем виде зависимостьть  такова:

    

  (9)

    где  - потери в обмотке якоря;  - потери в обмотке возбуждения;  - потери в магнитопроводе якоря;  - механические потери.

    Потери  мощности  не зависят,  и  мало зависят от нагрузки двигателя.

    Двигатели рассчитываются таким образом, чтобы  максимальное значение КПД было в области, близкой к номинальной мощности. Эксплуатация двигателей при малых нагрузках нежелательна вследствие малых значений r_я. Значения КПД двигателей с различными способами возбуждения и мощностью от 1 до 100 кВт при номинальной нагрузке разные и составляют в среднем 0,8. 
 
 

    6.Характеристики двигателей постоянного тока. 

    6.1. Рабочие характеристики. 

    Рабочими  называются  регулировочная, скоростная, моментная и к.п.д. характеристики. 

    Регулировочная  характеристика.

    Регулировочная  характеристика представляет зависимость  скорости вращения П от тока Iв возбуждения в случае, если ток Iа якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const.

    До  тех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяется пропорционально току возбуждения Iв. В этом случае регулировочная характеристика является гиперболической. По мере насыщения при больших токах Iв характеристика приближается к линейной (рис. 2). При малых значениях тока Iв скорость вращения резко возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждения двигателя (Iв = 0) с параллельным возбуждением скорость его вращения достигает недопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос». Исключение могут составлять микродвигатели, которые имеют относительно большой момент М0 холостого хода.

    

    Рис. 2. Регулировочная характеристика двигателя

    В двигателях последовательного возбуждения Iв = Iа. При малых нагрузках ток  якоря Iа мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому  пуск и работа при малых нагрузках  недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущем случае, могут составлять исключение. 

    Скоростные  характеристики.

    Скоростные  характеристики дают зависимость скорости вращения п от полезной мощности Р2 на валу двигателя в случае, если напряжение U сети и сопротивление rв регулировочного реостата цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. n=f(P2), при U=const и rв = const.

    

    Рис. 3. Скоростные характеристики 

    С возрастанием тока якоря при увеличении механической нагрузки двигателя параллельного возбуждения одновременно увеличивается падения напряжения в якоре и появляется реакция якоря, которая обычно действует размагничивающим образом. Первая причина стремится уменьшить скорость вращения двигателя, вторая — увеличить. Действие падения напряжения в якоре обычно оказывает большее влияние. Поэтому скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения имеет слегка падающий характер (кривая 1, рис. 3).

    В двигателе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения. В результате скоростная характеристика двигателя с последовательным возбуждением имеет характер, близкий к гиперболическому. При увеличении нагрузки по мере насыщения магнитной цепи характеристика приобретает более прямолинейный характер (кривая 3 на рис. 3).