Электромагнитный момент генератора постоянного тока

Сила, воздействующая на проводник с током равна . Для расчета принимаем индукцию на полюсном делении среднюю величину. Ток во всех проводниках одинаков, индукция средняя, каждый проводник практически пересекает магнитную линию перпендикулярных. Исходя из этого, можно суммарную силу всех проводников сосредоточить в одном проводнике.

, где - число проводников обмотки якоря. Электромагнитный момент , , заменим , , получим , где: , - поток, тогда

Электромагнитный момент зависит от потока и тока якоря. В генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным. Уравнение равновесного состояния моментов запишется , где:

- механический момент на валу генератора

- момент холостого хода

- электромагнитный момент

6. Реакция якоря в машинах постоянного тока

В режиме холостого хода генератора постоянного тока ток возбуждения создает основной поток, который при вращении якоря наводит в обмотке якоря ЭДС. Поток при холостом ходе имеет симметричный характер, рис. 18. Если якорную цепь подключить к нагрузке, то по обмотке якоря будет протекать ток, который создаст свой поток.

Взаимодействие потока якоря с потоком основных полюсов и называется реакцией якоря. Картину распределения потока якоря можно представить на рис. 19.

При холостом ходе генератора ЭДС, наводимая в обмотке якоря, определяется по правилу правой руки. Подключив нагрузку, в якоре появится ток с тем же направлением что и ЭДС. Ток создаст поток, который, взаимодействуя с потоком основных полюсов, создаст результирующий поток. За счет потока якоря набегающий край полюса будет размагничиваться, а сбегающий край полюса намагничиваться, рис. 20. Физическая нейтраль у генератора будет сдвигаться по ходу вращения якоря. Она перпендикулярна результирующему потоку.

рис. 18 рис. 19 рис. 20

Реакция якоря у двигателя противоположна генератору.

Генератор Двигатель

При одинаковом направлении вращения якоря, независимо от режима работы, направление ЭДС в якоре одинаково. В двигательном режиме ток якоря направлен встречно ЭДС, поэтому реакция якоря двигателя противоположна генератору, т.е. набегающий край полюса будет намагничиваться, а сбегающий край полюса размагничиваться.

Рассмотрим намагничивающую силу реакции якоря, магнитную индукцию якоря и результирующую индукцию на полюсном делении.

Для рассмотрения намагничивающей силы реакции якоря введем понятие о линейной нагрузке якоря – ток приходящийся на единицу длины окружности якоря.

Путем введения этой величины можно условно заменить зубчатый якорь гладким, у которого линейная нагрузка равномерно распределена по всей поверхности. У реального якоря ток находится только в пазах, что осложняет расчет.

По закону полного тока следует, что намагничивающая сила по замкнутому контуру равна полному току, который охватывается этим контуром, а полный ток на данной длине определяется линейной нагрузкой.

Поэтому намагничивающая сила реакции якоря - линейный закон.

При , ; , .

Определим закономерность индукции якоря. - линейный закон сохраняется под полюсами, а между полюсами за счет большого сопротивления воздуха кривая индукции имеет провал. ( ), рис. 21. При холостом ходе индукция

рис.21 имеет вид близкий к трапеции.

Результирующая кривая индукции имеет искаженный характер, т. е. набегающий край полюса размагничивается, а сбегающий намагничивается. Щетки установлены на нейтрали. Реакция якоря при этом будет поперечная, рис. 22.

d

τ

рис.22 рис.23 рис.24

Если щетки установить вдоль полюсов, реакция якоря будет продольно размагничивающая, рис. 23. Если щетки генератора сдвинуть на дугу ( ) по направлению вращения то реакцию якоря можно разложить по осям, рис. 24.

, ,

где: - поперечная ось

- продольная ось.

Поперечная намагничивающая сила искажает магнитный поток, а продольная размагничивает.

Реакция якоря влияет на все характеристики генераторов постоянного тока.

7.Генератор независимого возбуждения

Свойства генератора определяются его характеристиками. 1.Характеристика холостого хода: , ,

Пунктирная - расчетная характеристика холостого хода.

Характеристика холостого хода позволяет судить о степени насыщения магнитной цепи. 2. Нагрузочная характеристика: , , .

Треугольник - характеристический. Катет - ток возбуждения, который идет на компенсацию реакции якоря.

3. Внешняя характеристика: , .

Напряжение падает с увеличением тока якоря за счет:

а) падения напряжения -

б) размагничивающего действия реакции якоря.

4. Регулировочная характеристика: , ,

8.Генератор параллельного возбуждения

Генератор параллельного возбуждения – это генератор с самовозбуждением. Обмотка возбуждения питается от якорной цепи. Для того, чтобы генератор возбудился, необходимо выполнить ряд условий:

1. Наличие остаточного потока в железе полюсов.
2. Поток созданный обмоткой возбуждения и остаточный поток должны быть направлены в одну сторону ,

3. Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического, т. е. .

Процесс самовозбуждения происходит при холостом ходе .

Процесс самовозбуждения происходит в следующем порядке: при включении асинхронного двигателя в сеть, якорь генератора начинает вращаться. Остаточный поток, пересекая проводники якоря, наводит в них . Под действием этой по обмотке возбуждения начинает протекать ток, который создает поток . Если этот поток направлен согласно с остаточным потоком, то общий поток возрастет, возрастает и наводимая в якоре. А это приведет к увеличению тока и потока и т. д.

Машина возбудится. Процесс возбуждения будет лавинообразным.

Третьим условием самовозбуждения является: , рис. 33.

Прямая - вольтамперная характеристика цепи возбуждения. . . Процесс возбуждения будет происходить по ступенчатой кривой до точки . Напряжение . Чем больше динамическая составляющая , тем быстрее идет процесс возбуждения. Если увеличить сопротивление , то машина возбудится до меньшего напряжения (точка ).

При дальнейшем увеличении вольтамперная характеристика будет касательной.

Сопротивление цепи возбуждения соответствующего касательной характеристике и есть критическое сопротивление. Начиная от этого сопротивления и дальше, машина не возбудится.

Характеристики генератора

1. Характеристика холостого хода , , .

Характеристика холостого хода имеет одностороннее возбуждение и имеет следующий вид.

2. Нагрузочная и регулировочная характеристики аналогичны генератору независимого возбуждения.

3. Внешняя характеристика , , .

Обычно эту характеристику сравнивают с характеристикой генератора независимого возбуждения. Причины, которые уменьшают напряжение генератора параллельного возбуждения: 1. Падение напряжения в якорной цепи - .

2. размагничивающее действие реакции якоря.

3. с увеличением тока якоря уменьшается напряжение на зажимах якоря, а следовательно уменьшается ток возбуждения и поток т. е. , .

Режим короткого замыкания у генератора очень опасен, ток короткого замыкания достигает .

9.Генератор смешанного и последовательного возбуждения

Генератор последовательного возбуждения

Обмотка возбуждения у генератора включена последовательно с якорем. Ток возбуждения равен току якоря - .

При независимом возбуждении можно снять характеристику холостого хода. В обычной схеме, (рис. 34) можно снять только восходящую внешнюю характеристику. Генератор последовательного возбуждения не нашел практического применения.

Генератор смешанного возбуждения

Генератор смешанного возбуждения широко используется в промышленности. Обмотки возбуждения по потоку могут быть включены согласно, либо встречно, рис. 35.

1. Характеристика холостого хода , , .

При холостом ходе ток якоря равен нулю, поэтому обмотка возбуждения не создает потока. Следовательно, характеристика холостого хода аналогична генератору параллельного возбуждения.

2. Нагрузочная характеристика ,

Нагрузочная характеристика (3) для генератора параллельного возбуждения.

Нагрузочная характеристика (2) для генератора смешанного возбуждения при согласном направлении токов. Поэтому, последовательная обмотка играет роль компенсатора реакции якоря и характеристика (2) проходит выше характеристики холостого хода.

3. Внешняя характеристика , , .

У генератора смешанного возбуждения при различном соотношении и направлении потоков можно получить характеристики различного вида.

Если потребители находятся вдали от генератора, то обмотку возбуждения по току выполняют значительной, что дает повышенное напряжение с учетом падения напряжения в сети (характеристика 1). Для нормального режима используется характеристика 2.

Характеристика 3 – экскаваторная характеристика, которая получена при встречном включении обмоток.

4. Регулировочная характеристика , .

Регулировочные характеристики практически можно снять, соответственно внешним характеристикам 1 и 2.

якоря . Электромагнитный момент .

10. Пуск двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко используются в различных системах электропривода, где требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения. Двигатель постоянного тока преобразовывает потребляемую электрическую энергию в механическую на валу, хотя машина постоянного тока обратима. Покажем принцип перевода генератора в режим двигателя, рис. 36.

Для генератора , откуда ток генератора .

С увеличением сопротивления ток уменьшается, следовательно, уменьшится и ток . При дальнейшем увеличении будет равна напряжению U

И ток генератора будет равен нулю. Далее с увеличением ток уменьшится, а, следовательно, уменьшится и . При этом и ток из сети сменит направление, а машина перейдет в двигательный режим. Уравнение равновесного состояния для двигателя: , , , тогда .

Получено уравнение скоростной характеристики двигателя постоянного тока. Уравнение моментов для двигателя записывается: .

Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

- электрическая потребляемая мощность двигателем

- электромагнитная мощность

- механическая мощность

- потери в обмотке возбуждения

- общий ток из сети

.

.

разделив уравнение на ток , получим

, откуда

Пуск двигателей постоянного тока

Уравнение равновесного состояния двигателя , откуда ток равен: .

При пуске двигателя ,следовательно и пусковой ток может быть больше номинального в раз. Это может привести к круговому огню на коллекторе и механической поломке двигателя. Поэтому, для ограничения пускового тока до используют пусковые реостаты, либо пусковые станции и ток при этом равен .

По мере разгона якоря в нем наводится, и ток якоря уменьшается. Поэтому, после разгона якоря пусковые сопротивления в цепи якоря выводятся. Схема контактного пуска представлена на рис. 38.

Временная диаграмма пуска двигателя представлена на рис. 39.

Пуск по пусковым характеристикам представлен на рис. 40.

Для пуска двигателей небольшой мощности используют пусковые реостаты. Схема пускового реостата представлена на рис. 41.

При пуске движок реостата находится в положении (1), после пуска в положении (2).

Реверсирование двигателя постоянного тока

Электромагнитный момент

Если изменить направление тока в якоре, то сила действующая на проводник с током изменит направление, а, следовательно, изменится и направление вращения рис. 42. К такому же результату приведет изменение полюсов (изменение направления тока обмотки возбуждения). Таким образом, для реверсирования необходимо либо изменить направление тока в якоре, либо изменить направление тока в обмотке возбуждения (изменить полюса). Если на входе двигателя изменить + на - , то поток и ток якоря изменят направление, а момент останется тем же как и направление вращения.

11. Двигатели параллельного возбуждения

Двигатели постоянного тока классифицируются в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с якорем:

1. Двигатели параллельного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя параллельного возбуждения представлена на рис. 43. Для пуска используется пусковой реостат (п. р.). Свойства двигателя определяются его характеристиками.

1.Скоростная характеристика, зависимость , ,

Скоростная характеристика при называется естественной, рис. 44. Если , то характеристика называется реостатной. Так как сопротивление якоря , как правило мало, то с увеличением тока якоря падение напряжения в якорной цепи мало и скорость уменьшается незначительно. Поэтому, естественная характеристика двигателя получается жесткой.

2.Моментная характеристика, зависимость , . На рис. 44. Представлена моментная характеристика, где

3.Механическая характеристика, зависимость скорости от момента, .

, определим ток якоря через момент, , откуда , это выражение подставим в исходное уравнение, получим механическую характеристику: , .

Механические характеристики при разных сопротивлениях представлены на рис. 45, где , т. е. механическая характеристика при также жесткая. Это определяет область использования этих двигателей (трансмиссии, вентиляторы, системы ГД для привода станков).

Условия устойчивой работы агрегата

Основное уравнение движения электропривода

.

Установившийся процесс, когда , , ,

Если , , .

Если , , .

условием устойчивой работы агрегата является: , точка будет соответствовать устойчивой работе агрегата.

4. Рабочие характеристики, это зависимость .

рис. 45

Рабочие характеристики двигателя – это зависимость потребляемой мощности , тока , кпд, скорости и момента от мощности на валу.

12. Двигатель последовательного возбуждения

а

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, рис. 45а. Ток якоря равен току возбуждения. Поэтому обмотка возбуждения имеет большое сечение и малое число витков. Последовательное соединение обмотки возбуждения является отличительной особенностью этого двигателя и влияет на вид характеристик. С увеличением тока якоря, увеличивается поток, скорость двигателя резко падает, т. е. получается мягкая скоростная характеристика, рис. 46.

1.Скоростная характеристика , . В общем виде, за счет насыщения, не имеет решение, аналитическое выражение скоростной характеристики можно получить только для ненасыщенной машины, когда , рис. 46.

Момент , при , , т. е. если ток нагрузки возрастает в 2 раза, то момент в 4 раза. Это условие и определяет область применения этих двигателей, т. е. используются там, где при пуске нужен большой пусковой момент (тяговый привод). Скоростная характеристика при , запишется: .

2. Моментная характеристика, , , при , , рис. 46.

3. Механическая характеристика, . Аналитическое выражение характеристики может быть записано при условии .

, , , если подставить ток в исходное уравнение, получим: , , где .

Общий вид механических характеристик представлен на рис. 47.

Двигатель последовательного возбуждения пойдет на разнос при работе его в холостую. Это может привести к механическим поломкам двигателя. Поэтому, минимальный ток двигателя должен быть не менее .

13. Двигатель смешанного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя представлена на рис. 48. В зависимости от того, какая из обмоток преобладает по потоку, двигатели подразделяются на две разновидности:

1)Двигатель параллельного возбуждения с добавочной, последовательной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к двигателю параллельного возбуждения, рис. 49. Характеристика (1), естественная. Характеристика (2) соответствует встречному включению потоков , при согласном включении, получаем характеристику (3).

2)Двигатель последовательного возбуждения с добавочной параллельной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к характеристикам двигателя последовательного возбуждения. Характеристика 4 - характеристика двигателя последовательного возбуждения, характеристика 5 - характеристика двигателя смешанного возбуждения, при этом, обмотки включаются только согласно. Такая характеристика имеет скорость идеального холостого хода и двигатель не пойдет в разнос при холостом ходе. У такого двигателя частота вращения и момент зависят от двух потоков.

, .

При согласном включении обмоток, при том же токе якоря, можно получить повышенный момент. Такой двигатель используется для тяговых установок и там, где имеются резкие изменения нагрузки.

14. Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря и изменением подводимого напряжения.

С точки зрения, регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока являются универсальными. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря, потоком и подводимым напряжением. Это видно из формулы: .

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря.

Уравнения токов до и после введения сопротивления

, , откуда , т. е. ток и момент уменьшается ( ) .

При этом и скорость уменьшается. С уменьшением скорости ток якоря возрастает, и он достигнет исходного тока якоря, но при меньшей скорости .

Переходный процесс показан на рис. 50.

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря осуществляется в сторону уменьшения скорости, рис. 51.

Но так как ток якоря протекает по R_р, то увеличиваются общие потери, и снижается кпд. При постоянном токе, за счет увеличения падения напряжения , скорость двигателя уменьшается.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения производится следующими способами:

А) Система генератор-двигатель (Г-Д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д).

В) Широтно-импульсное регулирование.

А) Система Г-Д, рис.54.

Рис. 54.

Увеличивая ток возбуждения генератора i_вг, возрастает поток Ф_г и Е_г, а следовательно увеличивается напряжение на якоре двигателя и скорость возрастает. Регулирование происходит плавно при малых потерях энергии.

Эта система используется при большой мощности двигателя (подъёмники, прокатные станы, экскаваторы и т.д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель.

В системе Г-Д используется большое число машин, что увеличивает стоимость установки и снижает надежность.

Поэтому в последнее время для регулируемого напряжения все чаще используются статические преобразователи, рис.55.

Рис. 55.

Увеличивая угол управления - площадь полупериода уменьшается, уменьшается среднее значение напряжения - U_ср, а следовательно уменьшается скорость вращения.

В) Широтно-импульсное регулирование.

Идея регулирования напряжения подводимого к двигателю заключается в том, что, изменяя длительность подключения двигателя ключом (К) к сети, изменяется среднее значение напряжения, рис. 56. В качестве ключа используются схемы на базе тиристоров или транзисторов.

Рис. 56.

Изменяя время импульса t_и изменяется скважность ,

где t₄ - время импульса;

t_п - время паузы.

Среднее значение U_ср=U₀e.

.

Как видим, изменяя среднее значение напряжения, можно регулировать частоту вращения двигателя. Эта система широко используется вместо контактакторно-резисторных систем.

15. Регулирование частоты вращения за счет изменения потока

Ток якоря до и после изменения потока , , их отношение . Уравнение моментов . Уменьшим поток на , т. е. , . Напряжение примем за единицу, тогда .

Ток якоря возрос в 3,3 раза, тогда , то и (возрастает). Переходный процесс представлен на рис. 52.

Ток . С увеличением скорости вращения, ток якоря будет уменьшаться, но он будет больше исходного т. к. уменьшен поток.

При уменьшении потока частота вращения возрастает, рис 53.

Рис. 53.

Как правило, регулирование частоты вращения изменением потока производят в сторону увеличения. В сторону уменьшения регулирование мало эффективно из-за насыщения магнитной цепи.

16.Коммутация двигателя. Прямолинейная коммутация

При вращении якоря щетка попеременно замыкает секции якоря и в этой секции происходит изменение направления тока. А сама секция передается в другую параллельную ветвь, рис.57. Ток в секции меняется только под щеткой. Дадим определение коммутации:

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую.

Рис. 57

ia

ia

При коммутации под щетками происходит очень сложный процесс, этот процесс протекает быстро (10^-2 ¸10^-5 сек.) и на него влияет много факторов. Мы будем исходить из классической теории коммутации. Разберем коммутацию в узком смысле, возьмем одну секцию и ширину щетки равную ширине коллекторной пластины.

Рис. 58

На рис. 58 еще раз показан процесс коммутации. При положении щетки на пластине (1) ток в секции протекает по часовой стрелке, и секция относится к правой параллельной ветви. Затем при вращении якоря секция щеткой будет закорочена. В конце коммутации щетка будет расположена на пластине (2). Ток в секции сменит направление, и она перейдет в левую параллельную ветвь (показано пунктиром).

Процесс коммутации длится всего тысячные доли секунды. Такое быстрое изменение направления тока вызывает многие неприятности, в частности, искрение на коллекторе.

Искрение гостируется в специальной таблице:

Степень искрения: 1 - отсутствие искрения.

1 - слабое точечное искрение под небольшой частью щетки.

1 - слабое точечное искрение под большей частью щетки.

2 – искрение под всем краем щетки.

3 – значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных искр.

При нормальной коммутации степень искрения не должна превышать 1

Искрение определяется не только неудовлетворительной коммутацией, а также определяется механическими причинами, потенциальными неравномерностями. Механическое искрение определяется некачественной щеткой, при плохой обработке и

т. д.

При изучении коммутации будем исходить из двух положений:

1. Будем считать, что контактная поверхность щетки проводит ток равномерно.

2. Удельное сопротивление контакта (переходное сопротивление единицы площади), будем принимать постоянным и не зависимым от плотности тока.

Закон изменения тока в коммутируемой секции

Время, в течение которого происходит смена направления тока в коммутируемой секции, называется периодом коммутации - Т_к.