Что происходит в якоре генератора постоянного тока при нагрузке

Реакция якоря в генераторах постоянного тока и способы её устранения

При работе генератора в режиме холостого хода в магнитной системе генератора имеется только одно магнитное поле – поле индуктора от тока в ОВ (рис. 4.9). В параллельных ветвях ОЯ возникают лишь ЭДС, которые уравновешивают друг друга.

Рис. 4.9. Магнитное поле генератора постоянного тока в режиме холостого хода

Щетки расположены на нейтральной линии ab, поэтому искрения на коллекторе нет, так как в секциях, коммутируемых щетками, ЭДС равны нулю.

Если к генератору подключить нагрузку, то электрическую схему можно будет представить так, как изображено на рис. 4.10, а магнитное поле генератора постоянного тока в режиме нагрузки – как на рис. 4.11.

Рис. 4.10. Электрическая схема генератора постоянного тока в режиме нагрузки

Рис. 4.11. Магнитное поле генератора постоянного тока в режиме нагрузки

Ось магнитного поля якоря перпендикулярна к оси магнитного поля индуктора.

У набегающего края каждого полюса магнитные силовые линии поля якоря имеют направление, противоположное направлению магнитных силовых линий индуктора – ослабляют его – а у сбегающего края – одинаковое направление – усиливают поле индуктора.

Результирующее поле можно рассматривать, как исходное, искаженное в результате воздействия на него поля якоря.

Воздействие поля якоря на магнитное поле индуктора называется реакцией якоря в генераторе постоянного тока.

С увеличением I_а искажение поля увеличивается, магнитные силовые линии результирующего поля еще больше отклоняются от направления, перпендикулярного к нейтральной оси ab (угол α увеличивается) (рис. 4.12). Поэтому искрение под щетками увеличивается.

Рис. 4.12. Искажение основного магнитного поля машины постоянного тока магнитным полем реакции якоря

Если щетки переместить с геометрической нейтрали ab (ГН) на физическую нейтраль (ФН) , то искрение прекратится, так как щетки будут замыкать секции обмотки якоря в тот момент, когда эти секции не пересекают магнитные силовые линии.

Но этот способ борьбы с искрением не универсален, так как с изменением нагрузки положение щеток надо все время изменять.

Кроме этого: со сдвигом щеток на новую нейтраль появляется размагничивающая составляющая у поля якоря, которая ослабляет поле индуктора, следовательно уменьшает ЭДС.

Для устранения искрения щеток при любой нагрузке служат добавочные полюсы, расположенные на нейтрали (ab) (рис. 4.13).

Своим противоположным полем они размагничивают магнитное поле якоря и устраняют причину искажения магнитного поля индуктора.

Чтобы размагничивание происходило автоматически в соответствии с нагрузкой генератора, обмотка добавочных полюсов включается последовательно с внешней цепью.

Добавочные полюсы не устраняют создаваемое реакцией якоря неравномерное распределение индукции под главными полюсами и уменьшение полезного тока.

Рис. 4.13. Устранение влияния магнитного поля реакции якоря с помощью добавочных полюсов

В крупных электрических машинах, а также в электрических машинах, работающих в тяжелых условиях, сильное местное повышение индукции под главными полюсами может вызвать перекрытие изоляционного промежутка между пластинами коллектора, а затем и круговой огонь.

Необходимо полностью компенсировать реакцию якоря. Для этого делаются специальные компенсационные обмотки, которые размещаются в пазах, сделанных в несколько расширенных полюсных наконечниках главных полюсов (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Компенсационная обмотка

Компенсационные обмотки соединяются последовательно с якорем, таким образом, что каждый из её стержней как бы образует с находящимися под ним стержнем обмотки якоря бифилярную систему, магнитное поле у которой почти отсутствует. Однако компенсационные обмотки – дорогие, увеличиваются и потери в них.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

3.Реакция якоря в синхронной машине.

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действует МДС возбуждения Fв0 и МДС статора (якоря) F1, при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, т.к. изменение магнитного поля машины сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от величины и характера нагрузки. Рассмотрим предельные случаи различных нагрузок.

Активная нагрузка (ψ₁=0). Рис а. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует мах ЭДС Е₀ в фазной обмотке. Т.к. ток при активной нагрузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение соответствует и мах тока. Изобразив линии магнитной индукции, видим, что МДС статора F₁ направлена перпендикулярно МДС возбуждения F_в0.

Вызывает искажение результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем полюса и усиливается под сбегающим.

Индуктивная нагрузка (ψ₁=90). Рис б. При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора I1 отстает по фазе от ЭДС Е0 на 90 градусов. Поэтому он достигает мах значения лишь при повороте ротора вперед на 90 град. При этом МДС статора (якоря) F₁ действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения F_в0.

Реакция якоря оказывает продольно – размагничивающее действие.

Емкостная нагрузка (ψ₁=-90). Рис в. Ток статора I1 опережает по фазе ЭДС Е0 на 90 град., что значит, что его мах значение он достигнет раньше, чем ЭДС. Магнитодвижущая сила статора действует вдоль оси полюсов, но теперь согласно с возбуждением. Реакция якоря оказывает продольно – намагничивающее действие. Магнитное поле искажается.

Реакция якоря СГ при активно-индуктивной нагрузке

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90 0 ток можно разложить на две составляющие

, .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая перпендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

Реакция якоря СГ при активно-емкостной нагрузке.

При смешанной нагрузке, когда Ψ≠0 и Ψ≠±90 0 ток можно разложить на две составляющие

, .

Одна из этих составляющих I_q совпадает по фазе с ЭДС и носит название поперечного тока, а другая составляющая пер пендикулярна ЭДС и носит название продольного тока.

4.Устройство и принцип действия машины постоянного тока (а.Ген., б.Двигатель).

Устройство и принцип действия МПТ.

Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор простейшей машины имеет два полюса (1) и ярмо. Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валуцилиндрического якоря (2) и коллектора (3). Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, уложенной в пазах сердечника якоря. Обмотка якоря имеет один виток, соединенный с изолированными от вала двумя медными пластинами коллектора. Обмотка якоря соединяется с внешней цепью коллектором и щетками (4).Основной магнитный поток в машинах постоянного тока обычно создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S, и от него через Ярмо снова к северному полюсу, преодолевая дважды воздушный зазор. Сердечники полюсов выполняются из электротехнической стали. Характерной особенностью машины постоянного тока является:

постоянство (в пространстве) магнитного потока возбуждения;

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

МПТ состоит из корпуса (станины), на котором закрепляются главные (являются главной частью индуктора) и добавочные полюса (если таковые есть), но которых намотаны катушки. Якорем в МПТ является вращающаяся часть, в которой уложена обмотка, состоящая каждая из 1 витка, 2-мя концами припаянная к коллекторным пластинам, находящимися на коллекторе и изолированными друг от друг и от вала. С внешней цепью обмотка якоря соединена посредством щеток, которые соприкасаются с коллекторными пластинами. Также в конструкции машины присутствует вентилятор, его кожух, подшипниковые щиты.

По способу возбуждения ГПТ подразделяются независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Принцип действия генератора постоянного тока: При вращении якоря машины в направлении по часовой стрелке в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Значение индуктируемой в проводнике ЭДС,где В-магнитная индукция; l-активная длина проводника;v—линейная скорость перемещения проводника.

Полная ЭДС якоря рассматриваемой машины равна . ЭДС Eg является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует перемен. ток в пост. во внешней цепи. Напряжение пост.тока на зажимах якоря будет < Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_a . На проводники обмотки якоря с токомI_A будут действовать электромагнитные силы .Их направление определяется по правилу левой руки. Эти силы создают механический момент:,D_A-диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Принцип действия:Если к обмотке ее якоря подвести пост.ток от внешнего источника, то машина будет работать в режиме двигателя. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать эл.маг.силыF_ПРи возникнет эл.маг.момент М_ЭМ. Данные величины определяются аналогично режиму генератора. При достаточном значении М_ЭМ якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М_ЭМпри этом является движущим и действует в направлении вращения. В данном режиме коллектор превращает потребляемый из внешней цеп пост.ток в переменный в обмотке якоря и работает в качестве механического инвертора тока. Проводники обмотки якоря вращаются в маг поле и поэтому в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е_А.Направление в дигат-м режиме такое же, как в генератор-м. Т.о. ЭДС Е_Анаправлена против токаI_Aи приложено к зажимам якоря напряженияU_A. Поэтому ЭДС якоря наз-ся противоэлектродвижущей силой. Приложенное напряжение к якорю уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря. Развиваемая М_ЭМмощность.где-угловая скорость вращения. На основанииэлектромагнитная мощность.

1.Трансформаторы специального назначения: для преобразования числа фаз; для преобразования частоты; пик-трансформаторы, сварочные, трансформаторы с подмагничиванием шунтов (ТРПШ), автотрансформаторы.

ПТ применяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсы пикообразной формы. Такие импульсы напряжения необходимы для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электронными устройствами. Принцип работы ПТ основан на явлении магнитного насыщения ферромагнитного материала. Первичная обмотка ПТ расположена на увеличенном в диаметре стержне, в то время как вторичная обмотка располагается на уменьшенном в диаметре стержне. Имеет место шунтирующий стержень. Принцип действия основан на явлении перенасыщения магнитопроовода в местах с узким стержнем. В результате чего Е2 практически = 0 для данного периода, но малейшее изменение значения Ф2 влечет скачкообразное изменение Е2.

Это трансформаторы, у которых помимо магнитной связи между обмотками имеется и электрическая связь.

Обмотка с числом витков ω_axодновременно является частью первичной и вторичной обмотки. При условии, что коэффициент трансформации автотрансформатора меньше 2-х, то виткиω_axможно выполнить проводом меньшего сечения. При этом снижается расход материала и снижаются габариты. Поэтому КПД, при прочих равных условиях, выше у автотрансформатора.

К недостаткам автотрансформатора следует отнести необходимость наличия высокопрочной изоляции. По технике безопасности нельзя использовать автотрансформаторы, для подачи понимающего напряжения непосредственно потребителю.

Выполняется так, что U₂должно быть 50-60 В, необходимое для зажигания дуги и ее устойчивого горения.

Зажиганию дуги предшествует короткое замыкание во вторичной обмотке трансформатора, рабочий ок сварочного трансформатора соотвествует напряжению электрической дуги 30 В. Обрывает дугу перевод трансформатора в режим ХХ.

В целях ограничения тока обмотки располагают на разных сторонах магнитопровода, а также включают дроссель во вторичную цепь.

Коэффициент мощности сварочных трансформаторов из-за значительного индуктивного сопротивления не превышает 0,4-0,5.

ТМ для преобразования частоты.Трансформаторные устройства, состоящие из магнитопроводов и обмоток, можно использовать для умножения частоты переменного тока, т.е. увеличения частоты в целое число раз. Практическое применение получили удвоители и утроители частоты. Два замкнутых магнитопровода имеют пять обмоток. Первичную обмотку выполняют так, чтобы она охватывала сразу два магнитопровода.

2. Трехфазная асинхронная машина при неподвижном роторе. Основные уравнения для цепей статора и ротора. Параметры короткозамкнутой обмотки ротора. Приведение параметров вторичной цепи к числу витков и фаз первичной.

Как следует из принципа действия асинхронного двигателя, обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, энергия из обмотки статора в обмотку ротора передается магнитным полем. В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы; МДС статора и МДС ротора.

Основной магнитный поток Ф, вращающийся с частотой n1, наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е₁. I₁r₁ – падение напряжения в активном сопротивлении обмотки статора r₁. U₁ – напряжение сети, в которую включен статор. jI₁x₁ — магнитный поток рассеяния. Т.о. имеем уравнение напряжений обмотки статора:

Данное уравнение полностью идентично уравнению первичной обмотки тр-ра.

При условии неподвижности ротора асинхронной машины скольжение s=1. Откуда следует, что частота ЭДС ротора f₂=f₁. С учетом данного факта получим по второму закону Кирхгофа уравнение напряжений для обмотки ротора:

Приведение параметров вторичной цепи к числу витков и фаз первичной цепи применяется с целью построения векторов ЭДС, напряжений и токов статора о ротора на одной векторной диаграмме. Обмотку ротора с числом фаз m₂, обмоточным коэффициентом к_об2, и числом витков одной фазы w₂ заменяют обмоткой с m₁, w₁ и к_об1. При этом мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. При s=1 приведенная ЭДС ротора определяется как Е`<sub>2</sub> = Е<sub>2</sub>к<sub>е</sub>, где к<sub>е</sub>= к<sub>об1</sub>w<sub>1</sub>/ к<sub>об2</sub>w<sub>2</sub> – коэффициент трансформации напряжения в АМ при неподвижном роторе. Приведенный ток ротора I`₂ = I₂/k_i, где ki = m₁к_об1w₁/ (m₂к_об2w₂) – коэффициент трансформации тока АМ. С учетом этих коэффициентов производят пересчет активных и индуктивных сопротивлений. Уравнение напряжений ротора в приведенном виде будет выглядеть как:

Электропитающие устройства и линии автоматики, телемеханики и связи — Реакция якоря генератора постоянного тока

§ 33. Реакция якоря и коммутация тока
Реакция якоря.

При нагрузке генератора в обмотке якоря появляется ток, в результате чего сердечник якоря намагничивается и становится источником дополнительного магнитного потока — потока якоря Фя. Поток якоря накладывается на поток основных полюсов Ф, в результате чего изменяется результирующее поле и появляется ряд нежелательных явлений, ухудшающих работу электрической машины.
Влияние магнитного потока якоря на поток основных полюсов при нагрузке называют реакцией якоря. Для уяснения действия реакции якоря воспользуемся методом наложения. На рис. 146, а изображено магнитное поле в генераторе при отключенной нагрузке, когда по обмотке якоря ток не проходит. Перпендикулярно потоку основных полюсов через ось якоря проходит геометрическая нейтраль ГН, на которой установлены щетки. Направление магнитных линий поля якоря (рис. 146, б) легко определить по правилу буравчика. При указанном направлении вращения якоря токи в активных проводах обмотки, расположенных выше нейтрали ГН, направлены за плоскость чертежа, а ниже нейтрали в противоположную сторону.

Рис. 146. Магнитные поля полюсов (а), якоря (б) и результирующее магнитное поле (в)

Ось магнитного поля якоря перпендикулярна оси поля основных полюсов. На рис. 146, в представлена картина совмещенного поля, когда ток имеется в обмотках возбуждения и якоря.
Поясним распределение магнитной индукции результирующего поля под полюсными наконечниками. В данном случае область под набегающими краями полюсов (см. рис. 146, а и б) расположена под левым краем северного и правым краем южного полюсных наконечников. Магнитные линии основных полюсов и якоря направлены в разные стороны, поэтому здесь ослабляется результирующее поле, т. е. снижается магнитная индукция. В противоположной части, т. е. под сбегающими краями полюсных наконечников, магнитные линии основных полюсов и якоря имеют одинаковое направление, поэтому магнитная индукция поля в этой области увеличивается.
Таким образом, магнитная индукция результирующего поля оказывается перераспределенной, а ось результирующего потока — повернутой относительно оси полюсов у— у на угол β (рис. 146, е). На этот же угол повернется и нейтральная плоскость, которую в данном случае называют физической нейтралью ФН. В результате между щетками и вращающимся коллектором усиливается искрение, нагреваются и преждевременно выходят из строя щетки. Под действием реакции якоря не только меняется направление результирующего магнитного потока, но и снижается его значение. Под набегающими краями полюсов магнитный поток Ф основных полюсов уменьшается полем якоря на ΔФ1, а под сбегающими краями полюсов этот же поток увеличивается на ΔФ2. Так как магнитная цепь машины достаточно насыщена, то сбегающие края полюсов подмагничиваются незначительно и ΔФ2 < ΔФ1. Поэтому результирующий магнитный поток Фрез: Ф -— ΔФ1+ΔФ2 < Ф.
Уменьшение магнитного потока снижает э. д с. и напряжение генераторов постоянного тока, ухудшает работу подключенных к ним приемников энергии.

Для уменьшения размагничивающего действия якоря на нейтральной плоскости устанавливают дополнительные полюсы. Дополнительные полюсы (рис. 147) создают поток Фдп, равный потоку якоря Фя и направленный навстречу ему. При этих условиях потоки Фдп и Фя уравновешивают друг друга и в машине действует только магнитный поток Ф основных полюсов. Магнитный поток якоря зависит от тока якоря, равного току нагрузки 1. С увеличением нагрузки (т. е. с уменьшением сопротивления) поток якоря Фя увеличивается, а с уменьшением нагрузки — уменьшается. Таким же образом должен изменяться и поток дополнительных полюсов Фд1. Такая автоматическая компенсация потоков Фк и Фдп осуществляется благодаря последовательному соединению обмотки дополнительных полюсов и обмотки якоря, а также тщательному расчету магнитной цепи машины.
В двигателях постоянного тока в результате реакции якоря результирующий магнитный поток и физическая нейтраль смещаются в направлении, противоположном вращению якоря. Поэтому при том же направлении вращения якоря дополнительные полюсы двигателя должны иметь полярность, противоположную полярности дополнительных полюсов генератора.
Внутреннее сопротивление генератора складывается из сопротивления обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов. Чтобы снизить внутреннее падение напряжения, необходимо снизить внутреннее сопротивление генератора. Поэтому обмотки якоря и дополнительных полюсов имеют малое сопротивление.

Глава 6. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Как известно, при вращении рамки в постоянном магнитном поле, в ней возбуждается переменная ЭДС. Эта переменная ЭДС может быть преобразована в импульсную ЭДС в результате переключения концов рамки с помощью двух коллекторных пластин, представляющих собой два полукольца, в момент, когда ЭДС равна 0. (рис. 6.1)

Даже при наличии двух взаимно перпендикулярных рамок и четырех коллекторных пластин, выходная ЭДС оказывается практически постоянной (рис.6.2).

Таким образом, в машине постоянного тока, используемой как генератор, коллектор выполняет функцию выпрямителя.

Машины постоянного тока обратимы, и их устройства одинаково как для двигателя, так и для генератора.

Машина постоянного тока состоит из двух частей: неподвижной и подвижной, статора и якоря соответственно (рис.6.3).

Статор — неподвижная часть машины, представляет собой цилиндрическую станину, к внутренней поверхности которой крепятся 2, 4 или более полюсов, состоящих из сердечника, полюсных наконечников и обмотки возбуждения.

Подвижная часть, якорь, выполнена в виде цилиндрического пакета, состоящего из большого числа тонких пластин. В продольных пазах якоря размещена обмотка, состоящая из нескольких секций. На валу якоря располагается коллектор, представляющий собой цилиндр из диэлектрика, на котором расположены пластины коллектора, соединенные с секциями обмотки якоря. С внешней электрической схемой коллектор соединяется с помощью графитовых щеток, скользящих по поверхности коллекторных пластин. Щетки установлены так, что переключение секций обмотки якоря (коммутация) происходит в тот момент, когда секция обмотки находится в нейтральной зоне между полюсами.

В этом случае, когда нагрузка генератора отсутствует, ЭДС, возбуждаемая в обмотке якоря, определяется соотношением:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.1)

где С — конструктивный коэффициент, Ф — магнитный поток, n-число оборотов якоря.

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в цепи якоря равен нулю. При этом магнитное поле якоря отсутствует, и генератор работает в «холостую». Двигатель, приводящий во вращение якорь генератора, преодолевает только момент трения, совершая минимальную механическую работу.

При подключении электрической нагрузки в обмотке якоря и в нагрузке возникает ток, создающий вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с неподвижным магнитным полем статора, приводит к появлению тормозного момента. Момент возрастает с ростом тока нагрузки. При этом мощность, выделяемая в нагрузке генератора, увеличивается (напряжение и ток возрастают), что приводит к увеличению механической мощности, развиваемой приводным двигателем.

Суммарное магнитное поле, возникаемое при работе генератора под нагрузкой, оказывается уже не симметричным как в режиме холостого хода, а смещается по направлению вращения генератора или против направления вращения в двигателе. Это обусловлено тем, что появляется магнитное поле якоря, созданное током нагрузки. Подобное явление называют реакцией якоря. Наличие реакции якоря приводит к ухудшению коммутации и к повышенному искрению под щётками. Для устранения этого явления, щётки перемещают из геометрической нейтрали в другое положение, либо машина снабжается дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой, включённой последовательно с основной обмоткой якоря. В этом случае компенсация реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины.

Основным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, создаваемого током, протекающим через обмотку возбуждения. Все рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа включения обмотки возбуждения по отношению к цепи якоря. Это включение может быть последовательным, параллельным, комбинированным, также эти цепи могут быть независимы друг от друга.

6.1. Генераторы с независимым возбуждением.

В подобных генераторах обмотка возбуждения питается от отдельного источника, вследствие чего ток возбуждения не зависит от напряжения генератора, а следовательно, от условий нагрузки (рис.6.4).

Это дает возможность в очень широких пределах менять магнитный поток, а следовательно, и ЭДС, возникающую на обмотке якоря. Зависимость ЭДС от тока возбуждения при постоянном числе оборотов называется характеристикой холостого хода (рис. 6.5).

Наличие остаточной намагниченности системы возбуждения приводит к тому, что при отсутствии тока возбуждения, ЭДС возбуждения в якоре не равна 0, а равна остаточной ЭДС, Е₀. С ростом тока возбуждения магнитное поле возрастает и приводит к магнитному насыщению системы возбуждения, вследствие чего, при значительных токах возбуждения ЭДС не возрастает.

Вид этой характеристики аналогичен подобной характеристике синхронного генератора.

Важной характеристикой генератора является внешняя зависимость напряжения U на выходе генератора от силы тока якоря (рис.6.6.А). Эта зависимость определяется соотношением:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.2)

где Е — ЭДС якоря, I_н — ток нагрузки, R_я — сопротивление обмотки якоря и представляет собой прямую (рис. 6.6.Б пунктир).

Однако, при значительных токах нагрузки появляется насыщение магнитной системы и возникает размагничивающее действие реакции якоря, что приводит к уменьшению суммарного магнитного потока, а следовательно ЭДС и выходного напряжения быстрее, чем по прямой линии.

6.2. Генераторы с параллельным возбуждением.

У таких генераторов цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно цепи якоря и часть тока потребляемого двигателем (примерно 1%) используется для питания обмотки возбуждения (рис.6.7).

Обмотка возбуждения выполнена тонким проводом и содержит значительное количество витков. Самовозбуждение подобных генераторов возможно только лишь в том случае, если статор машины сохраняет остаточную намагниченность. Характеристика холостого хода у таких генераторов аналогична характеристике генераторов с независимым возбуждением (рис.6.5), а внешняя характеристика (рис.6.6.Б) проходит ниже, так как при увеличении тока нагрузки увеличивается падение напряжения на обмотке якоря, что приводит к уменьшению выходного напряжения, а следовательно, и тока возбуждения. Генераторы с параллельным возбуждением не боятся коротких замыканий и поэтому наиболее широко распространены.

6.3. Генераторы с последовательным возбуждением.

Якорь у таких генераторах соединен последовательно с обмоткой возбуждения, поэтому ток нагрузки является током возбуждения и током якоря (рис.6.8).Сопротивление обмотки возбуждения должно быть соизмеримо с сопротивлением обмотки якоря, то есть мало (малое число витков толстого провода).

Так как обмотка якоря соединена последовательно с обмоткой возбуждения, характеристика холостого хода у такого генератора отсутствует. Для внешней характеристики генератора характерно наличие максимума, связанное с тем, что при достижении значительных токов нагрузки магнитная система насыщается и магнитный поток уже не растет, а выходное напряжение начинает уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на обмотке якоря. Такие генераторы используются очень редко.

6.4. Генераторы смешанного возбуждения.

Такие генераторы имеют две обмотки возбуждения: одну, включенную параллельно обмотке якоря и имеющую значительное сопротивление, и вторую, включенную последовательно, со значительно меньшим сопротивлением (аналогично генераторам последовательного и смешанного соединения) (рис.6.9).

Эти обмотки могут быть включены либо согласно, либо встречно.

В генераторах с согласным включением обмоток выходное напряжение почти не меняется с изменением нагрузки (рис.6.10.А).

Это происходит потому, что магнитный поток последовательной обмотки создается током нагрузки и при увеличении нагрузки возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри генератора.

Генераторы со встречным включением обмоток имеют крутопадающую внешнюю характеристику (рис.6.10.Б). При увеличении тока нагрузки встречный магнитный поток последовательной обмотки размагничивает генератор, и выходное напряжение резко снижается. Наиболее часто подобные генераторы используются в качестве сварочных, т.к. для поддержания горения дуги требуются именно крутопадающие внешние характеристики.

6.5. Двигатели постоянного тока.

Если машину постоянного тока включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и в обмотках возбуждения возникают токи. При этом система возбуждения создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с полем якоря, и на каждый проводник обмотки якоря начинает действовать сила, которая стремится повернуть якорь. Появляется крутящий момент М, приводящий якорь во вращение.

Помимо вращающего момента М, возникающего в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем обмотки возбуждения, на якорь двигателя действует ряд других моментов:

момент холостого хода Мо, связанный с механическими потерями;

тормозной момент М₁ , создаваемый механизмом, приводимым во вращение двигателем;

динамический момент Мдин сил инерции, возникающий при изменении скорости вращения якоря.

Динамический момент Мдин пропорционален моменту инерции вращающихся частей J и угловому ускорению:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.3)

Чем быстрее меняется скорость двигателя, тем больше динамический момент. В установившемся режиме, когда скорость вращения постоянна, динамический момент равен нулю.

Моменты двигателя связаны уравнением, которое носит название уравнения моментов:

В установившемся режиме

вращающий и тормозной моменты взаимно уравновешены, и якорь двигателя вращается с постоянной скоростью.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигателя, различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

6.6. Двигатели с независимым и параллельным подключением.

Схема включения двигателя приведена на рис.6.11. При подключении обмотки возбуждения подобного двигателя к отдельному источнику создается независимое возбуждение.

При включении двигателя постоянного тока в сеть, в момент пуска ток якоря определяется соотношением:

где U — напряжение сети, R_я — сопротивление обмотки якоря, I_я -ток якоря.

Затем якорь под действием крутящего момента приходит во вращение, и в обмотке якоря возбуждается ЭДС самоиндукции

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.6)

где с — конструктивный коэффициент, n — число оборотов, Ф — магнитный поток системы возбуждения. Полярность ЭДС самоиндукции противоположна полярности напряжения сети (противо- ЭДС), вследствие чего с ростом частоты вращения якоря значительно уменьшается ток, протекающий в цепи якоря.

Следовательно, пусковой ток оказывается значительно больше номинального (в 10. 30 раз), и очень часто в цепь якоря включается реостат, величина которого позволяет уменьшить пусковой ток до значений .1. 1.5 I_ном. Преобразуя соотношение (6.7) к виду:

получаем, что приложенное напряжение U уравновешивается суммой противо- ЭДС Е и падением напряжения на обмотке якоря R_яI_я.

Крутящий момент двигателя независимого и параллельного возбуждения определяется соотношением:

С увеличением тормозного момента, создаваемого механической нагрузкой двигателя, механическая мощность возрастает. Число оборотов якоря уменьшается, что приводит к уменьшению противо-ЭДС и росту тока, потребляемого двигателем, а, следовательно, к увеличению крутящего момента и возрастанию электрической мощности, потребляемой двигателем от сети. Зависимость установившейся скорости вращения от тормозного момента двигателя при постоянном напряжении питания цепей якоря и возбуждения называется механической характеристикой двигателя.

Механическая характеристика рассматриваемых двигателей изображена на рис.6.12.

Как видно из графика, скорость вращения двигателей при изменении тормозного момента в широких пределах (от 0 до номинального) изменяется незначительно. Это означает, что двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют жёсткую механическую характеристику.

Зависимость скорости вращения n, тока якоря I_я, вращающего момента М и коэффициента полезного действия h от полезной мощности Р₂ на валу двигателя при постоянном напряжении цепей якоря и возбуждения (I_B=const) называется рабочими характеристиками двигателя.

Рабочие характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представлены на рис.6.13.

Так как с увеличением полезной мощности вращающий момент возрастает, скорость вращения двигателя уменьшается.

С увеличением вращающего момента увеличивается пропорциональный ему ток якоря. Моменты М и М₁ oтличаются на величину момента холостого хода, М₀. Наибольший к.п.д. достигается при нагрузках, несколько меньших номинальной.

Механическая и рабочая характеристики двигателя независимого возбуждения идентичны аналогичным характеристикам двигателя параллельного возбуждения.

Так как противо- ЭДС зависит от скорости вращения якоря и равна

то приложенное напряжение U определится соотношением

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.11)

Отсюда находим выражение скорости вращения двигателя:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.12)

Полученная формула позволяет решить задачу регулирования скорости вращения двигателя. Необходимо отметить, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря R_я стремятся сделать по возможности малым (в реальных машинах оно составляет сотые или тысячные доли ома), В соответствии с этим и падение напряжения на активном сопротивлении якоря I_яR_я невелико по сравнению с напряжением сети. Поэтому в формуле (6.12) членом I_яR_я можно пренебречь. Тогда

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.13)

Отсюда видно, что существует два способа плавного изменения скорости вращения двигателя в широких пределах:

1. изменение напряжения U, подведенного к якорю двигателя;

2. изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения I_B).

На рис.6.14 показано возможное включение регулировочных реостатов в схему двигателя.

При увеличении сопротивления R₂ , при постоянном напряжении сети U, уменьшается напряжение, подведенное к якорю, и следовательно, скорость вращения двигателя. С увеличением сопротивления R₁ уменьшается ток возбуждения и магнитный поток возбуждения, а, следовательно, увеличивается скорость вращения двигателя.

Второй способ регулирования скорости вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями мощности: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменять скорость вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.

Возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.

Соотношение (6.13) определяющее скорость вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока скорость неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до величины потока остаточного намагничивания, а двигатель идет "вразнос". Особенно вероятен режим "разноса" у ненагруженного двигателя. Режим "разноса" является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.

У нагруженного двигателя увеличение скорости вращения происходит не столь резко, так как уменьшение магнитного потока при постоянном моменте вращения приводит к такому увеличению тока якоря, при котором произведением I_яR_я уже нельзя пренебрегать. Но и в этом случае обрыв цепи возбуждения может быть опасным.

6.7. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением.

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6.15.

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток, потребляемый двигателем, достаточно велик, обмотка возбуждения имеет небольшое число витков.

Из- за последовательного включения обмоток якоря и возбуждения (рис.6.15), магнитный поток Ф пропорционален току I (если пренебречь насыщением магнитопровода), и в формуле следует положить , где k — постоянный коэффициент. Тогда

вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока, потребляемого двигателем.

Выразим магнитный поток через вращающий момент:

и подставим в приближенное выражение скорости вращения двигателя:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.16)

Отсюда видно, что для двигателей последовательного возбуждения опасен режим холостого хода, т.к. при уменьшении момента на валу до нуля, скорость вращения неограниченно увеличивается (рис.6.16), двигатель идет «вразнос». Это обстоятельство требует такого сочленения двигателя последовательного возбуждения с рабочей машиной, при котором режим холостого хода исключён. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения приведены на рис.6.16.

Скорость вращения двигателя последовательного возбуждения можно регулировать либо изменением подводимого напряжения, либо изменением магнитного потока возбуждения за счет шунтирования обмотки возбуждения (рис.6.17). Второй способ более экономичен.

Двигатель последовательного возбуждения имеет существенные преимущества, благодаря квадратичной зависимости вращающего момента от тока. Так, например, он развивает больший пусковой момент, что очень важно для электропривода на транспорте (благодаря этому, двигатель способен быстро набирать скорость после остановки). Однако резко выраженная зависимость скорости вращения от нагрузки и опасность «разноса» ограничивают область применения этих двигателей.

Указанных недостатков лишены двигатели смешанного возбуждения (рис.6.18).

Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим "разноса" двигателя при снятии нагрузки.

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11