МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1 Принцип работы машин постоянного тока

Машины постоянного тока (МПТ) представляют собой устройства, пре-образующие электрическую энергию постоянного тока в механическую - и обратно. В первом случае МПТ будет работать как электродвигатель, во втором - как электрогенератор. Принципиальным здесь является то, что конкретная конструкция МПТ может работать и к а к д в и г а т е л ь, и к а к г е н е р а т о р. Такое свойство МПТ называется принципом обратимости.

Наличие такого свойства данных устройств позволяет излагать теорию дви-гателей и генераторов постоянного тока просто как теорию МПТ. Тем не менее, делать это безотносительно к режиму ее функционирования довольно затруднитель-но, поэтому будем описывать в дальнейшем все процессы в МПТ, рассматривая ее как генератор. На особенно-стях их протекания в режиме двигателя будем останавливаться по мере необходимости.

 

На рис.33 представлена простейшая модель МПТ в режиме генератора. Она состоит из магнитной системы ( полюсов), обычной металической ра-мки, помещенной в межполюсное пространство и вращающейся в нем вокруг горизонтальной оси и двух полуколец, с которыми концы рамки непрерывно контактируют в процессе вращения. Из школьной физики известно, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Обращая ладонь вверх (встречно линиям магнитной индукции, В) и ориентируя большой палец по направлению движения горизонтальных сторон рамок, найдем, что в верхней стороне ЭДС направлена к нам, а в нижней - от нас. Это означает, что верхний конец рамки приобретает знак «+», а нижний «-». Так как концы рамок постоянно меняют положение, то на каждом конце индуцируется переменная ЭДС.

Однако при наличии двух н е п о д в и ж н ы х полуколец , напряжение снимаемое ими с вращающихся концов , оказывается одного направления, так как, когда , например, верхний конец рамки меняет знак, он размыкается с верхним полукольцом. А тот конец, который в этот момент входит с ним контакт, приобретает тот знак, который имел ушедший конец.

В результате с колец будет сниматься , так назывемая , п у л ь с и р у ю щ а я ЭДС (рис.34.).

Рис.34
Она будет иметь по времени всегда одно и то же направление, но сильно изменяться по величине. Назвать такую ЭДС постоянной нельзя , хотя у нее появляется п о с т о я н н а я с о с т а в л я ю щ а я ( пунктирная прямая на рис.34). Именно появление этой постоянной составляющей позволяет рассма-тривать рамку с полукольцами как простей-шую модель МПТ.

 

Пульсации ЭДС можно уменьшить, если перейти к новой модели МПТ (рис.35), где:

а) вместо одной вращающейся рамки и двух полуколец , используется четыре рамки и четыре полукольца, точнее, - 4 полукруглых пластины;

б) пластины (неподвижные полукольца) сделать подвижными, жестко фиксированными и вращающимися вместе с рамками, а напряжение с них снимать так называемыми щ е т к а м и - мягкими ( гра-фитовыми) контактами, неподвижными в пространстве ;

При вращении такой системы провод-ников, в 1-ой и 2-ой рамках ЭДС оказыва-ются направленными вглубь чертежа (жирные стороны рамок ближе к читателю, тонкие - дальше) и по часовой стрелке, а в 4-ой и 3-ой рамках-в глубь и против часовой стрел-ки. Другими словами , проводники разбиваю-тся на две группы, в соответствии с их поло-жениями относительно полюсов - первая и вторая рамка находятся под северным полю-сом и при вращении по часовой стрелке имеют одинаковонаправленные ЭДС; третья и чет-вертая оказываются под южным полюсом и также имеют однонаправленные ЭДС , но - противоположные первой паре.

В итоге, при замыкании щеток на внешюю нагрузку, ток от щетки Q разделяется на две части: одна часть уходит к рамке «1» и «2» - другая часть идет в рамку «4» и «3». У щетки Рони вновь встречаются и уходят во внешнюю цепь.

 

Теперь, если посмотреть какие пульсации приобретает в такой модели ЭДС и ток , то обнаруживается следующее (рис.36):

 

1) ЭДС, снимаемая со щеток( верхняя кривая, 3) , становится больше, чем в предыдущей модели благодаря сложению ЭДС рамок одной группы;

2) пульсации суммарной ЭДС уменьшаются в 2 раза ( верхняя кривая ,3, отображает пульсации суммарной ЭДС; нижние кривые - пульсации ЭДС рамок 1 и 2- в том положении, в котором они изображены на рис.36

 

Из свойств четырехрамочной модели МПТ видны направления, в котором можно совершенствовать конструкцию МПТ:

1) увеличивая число рамок можно увеличивать величину ЭДС, снимаемую со щеток;

2) увеличивая число рамок и одновременно уменьшая размер пластин, можно сколь угодно сильно уменьшить пульсации ( угловой размер пластин должен соответствовать угловому расстоянию между соседними проводниками)

3) все рамки должны быть объеденены друг с другом в единую самозамкнутую обмотку.

 

Историческим синтезом таких конструкционных возможностей МПТ стала машина с кольцевым якорем ( рис.37, рис.38).

 

Якорем называется электротехнический узел машины, в которой индуцируется ЭДС. В машинах постоянного тока якорь является подвижной (вращающейся) частью. В машинах переменного тока ЭДС формируется в обмотках неподвижного статора, который можно рассматривать как неподвижный якорь.

 

В этой конструкции, активные стороны рамок, в которых при вращении наводится ЭДС, получаются простой навивкой длинного замкнутого проводника на «бублик» (рис.38), или ферромагнитный цилиндр (рис.37).

 

 
 


 

В простейшем варианте щетки просто прижимаются к внешним сторонам обмотки с противоположных сторон. При всей простоте конструкции , она полностью воспроизводит принципы , заложенные в предыдущей 4-х рамочной модели. При вращении кольцевого якоря в межполюсном пространстве, на внешних сторонах его обмотки наводятся ЭДС параллельного направления таким образом, что ток, втекающий в левый скользящий контакт ( рис.37), разделяется на две части и обтекает обмотку с верхней и нижней стороны, снова объединяясь на противоположном скользящем контакте.

 

На внутренней стороне кольцевого якоря стороны обмоток не вырабатывают ЭДС из за непопадания внутрь якоря магнитного поля ( в больших воздушных промежутках его величина резко снижается - магнитное поле «боится пустоты»; см.»Магнитные це6пи»). Поэтому на рис.37 про-водники изображены только с внешней стороны, где воздушный зазор между поверхностью якоря и полюсами очень мал.

 

Современные конструкции МПТ используют якорь б а р а б а н н о г о типа. Такой якорь делается в виде сплошного железного сердечника, обмотка которого целиком расположена на внешней стороне. В результате все стороны обмотки учавствуют в создании суммарной ЭДС и эффективность ее использования значительно повышается. Пример простейшего барабанного якоря дан на рис.39., а схема взаимосвязи сторон его обмотки - на рис.40.

 

 

5.2 Обмотка якоря МПТ.

 

 

Если боковую обмотку барабанного якоря на рис. 39 и рис.40 развернуть в плоскости , то обнаружится , что намотка якоря имеет петлеообразный характер (рис.41). Несмотря на усложненный характер взаимосвязи сторон проводника барабанного якоря (рис.40) , все проводники, как и в предыдущих моделях МПТ, разбиваются на две группы с параллельными ЭДС (рис.42). Так же как и в более простых моделях, ЭДС проводников каждой группы взамно складываются друг с другом и образуют две параллельные ветви.

Дальнейшее совершенствование обмоток якорей машин постоянного тока имеет технологический характер. В частности, вместо изображенной на

рис.41 п е т л е в о й обмотки, применяют в о л н о в у ю обмотку (рис.44).

Для повышения эффективности использования обмоток применяют различные варианты укладки. Технологически, обмотка якоря укладывается в пазы барабана якоря (рис.45). Если в каждый паз укладывается только одна ее сторона, то получается о д н о с л о й н а я обмотка - такой принцип укладки дан на рис.41. В этом случае для N проводников требуется N пазов и N/2 коллекторных пластин. Однако плотность обмотки на поверхности якоря, а, следовательно, и величину ЭДС машины, можно увеличить, если в каждый паз укладывать д в е ее стороны - друг на друга (рис.45). Схема такой, д в у х с л о й н о й обмотки, приведена на рис.43. а вид якоря - на рис.46. В этом случае для укладки N проводников требуется N/2 пазов и N/2 коллекторных пластин - т.е. плотность укладки существенно повышается.

 

Существуют и более сложные обмотки – с 4-мя, 6-ю сторонами в одном пазу; несколькими параллельными петлевыми обмотками и т.д.

 

 
 

 

 


 

5.3

5.3 Основные формулы МПТ

 

 

Основные формулы машин постоянного тока определяют: а) ЭДС обмотки якоря; б) связь напряжения на клеммах машины с током в обмотке якоря; в) вращающий момент на валу машины. Найдем сначала фор-мулу ЭДС в обмотке якоря - ее теоретическое определение важно для анализа работы МПТ как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

 

1. Если на боковой поверхности якоря лежат N проводников, то при вращении в них наводится суммарная ЭДС :

где е - эдс, в одном проводнике, а N/2 - число проводников в одной ветви ( напомним, что все проводники якоря распадаются на две группы с одинаковыми и параллельными эдс).

Из школьной физики известно, эдс проводника, движущемся в магнитном поле, определяется по формуле , где υ - скорость проводника, B – индукция магнитного поля, l – его длина, α - угол между υ и B ; в машине ПТ он равен 900 и sinα =1.

 

Выразим скорость движения проводников через скорость вращения якоря n (об/мин):

 

Здесь πD - длина окружности якоря, Т - период его вращения, f=1/ Т - частота . В результате подстановки приходим к формуле:

 

Выражение в скобках представляет собой боковую поверхность якоря, которую выразим в виде

S = πDl= 2Sp , где Sp - половина боковой площади якоря, находящаяся под одним полюсом. Если эту площадь умножить на В, то получаем магнитный поток Ф, пронизывающий якорь. Следовательно:

 

Полученная формула решает поставленный вопрос. Окончательная формула имеет вид;

и содержит коэффициент «с» - учитывающий усложненные конструкции обмотки якоря.

 

2. Связь между напряжением на клеммаах U и ЭДС найдем из закона Ома для полной цепи - имея ввиду, что ЭДС машины, сопротивление якоря rя и внешнее напряжение U образуют замкнутую цепь.

 

- в режиме генератора

- в режиме двигателя

 

Здесь учтено, что в режиме генератора, напряжение является частью ЭДС, а в режиме двигателя, наоборот - ЭДС является частью напряжения

 

Вращающий момент определим из базовой формулы М= F∙L= F∙D/2, в соответствии с которой он равен произведению силы на плечо. Силы, создающие вращение якоря, являются не чем иным как силами Ампера , действующие на каждый проводник. Следовательно, суммарный момент, приводящий во вращение якорь равен:

 

Таким образом:

 

5.4 Двигатели постоянного тока (ДПТ)

 

 

Машины постоянного тока наибольшее примененение нашли в качестве электродвигателей. Этому способствовали ряд их ценных качеств :

 

а) простота управления;

б) практически линейные механические и регулировочные характеристики;

в) легкость регулирования частоты вращения;

г) хорошие пусковые свойства (большие пусковые моменты);

д) возможность существенного варьирования механических свойств при незначительных конструкционных изменениях.

По использованию в качестве генераторов , МПТ значительно уступают машинам переменного тока.

 

На рис.48 представлен общий вид ДПТ, а также четыре варианта его исполнения (рис.49).

 

 

Основными элементами двигателя являются (рис.48):

 

1) коллектор; 2) щетки; 3) якорь с обмоткой: 4) обмотка возбуждения.

 

Коллектор представляет собой выпрямительный узел в виде цилиндрического пакета медных пластин, напрямую связанных с витками (секциями) обмотки якоря (ОЯ). К каждой пластине припаивается две стороны двух разных секции, так что число пластин коллектора совпадает с числом секций в обмотке якоря.

Щетки, как уже говорилось выше, представляют собой графитовые скользящие контакты, через которые в обмотку якоря поступает ток. Сам якорь (Я) образует важнейший узел двигателя, - - именно на нем создается вращающий момент двигателя. Обмотка в пазы якоря укладывается таким образом, чтобы в ней уместилось 2, 4 или 6 сторон ее секций. Это означает, что количество пазов может быть либо равно числу секций, либо составлять от них половину , либо одну треть.

Обмотка возбуждения (ОВ) представляет собой второй важный узел ДПТ. Ее функция заключается в создании магнитного поля, под действием которого якорь приходит во вращение. Вместе с Я, ОВ отображается на схемах ДПТ (рис.49).

 

В зависимости от того, как ОЯ и ОВ электрически соединяются друг с другом, различают четыре типа двигателей (рис.49) : а) двигатель с независимым возбуждением; б) двигатель с параллельным возбуждением; в) двигатель споследовательным возбуждением; г) двигатель со смешанным возбуждением

Характер соединения обмотки возбуждения (ОВ) с обмоткой якоря (ОЯ) оказывает существенное влияние на свойства двигателя. В этом можно убедиться с помощью двух важнейших характеристик ДПТ: а) зависимости скорости вращения якоря n от величины нагрузки; б) зависимости вращающего момента М от величины нагрузки. Математически эти зависимости выражаются через функции n= n (I) и М= М(I) , где I - рабочий ток двигателя. Действительно, нагрузка на валу двигателя проявляется в возникновении на нем тормозного момента и замедлении его вращения, а последнее ведет к снижению ЭДС в обмотке якоря. Из уравнения же напряжения двигателя следует, что снижение ЭДС ведет к увеличению тока , так как их сумма должна быть равна питающему напряжению, которое всегда постоянно. Таким образом, увеличение нагрузки атоматически означает увеличение тока.

Зависимость n = n (I) можно получить комбинируя уравнения и . Для этого запишем ЭДС в упрощенном виде и подставим в уравнение для напряжения ; тогда получим , откуда преобразованием найдем:

 

Точная зависимость М= М(I) уже была получена выше:

 

Принцип работыдвигателей посто-янного тока основан на возникновении сил Ампера в проводниках обмотки якоря. При подаче внешнего напряжения на щетки дви-гателя, в них возникает ток, который, в маг-нитном поле обмотки возбуждения порож-дает силу . Направление этой силы определяют по правилу левой руки. Пос-кольку любой ток создает магнитное поле, то силу Ампера можно рассматривать как результат взаимодействия магнитного поля ОВ с магнитным полем ОЯ.

 

На рис.50 показаны конфигурация магнитных полей ОЯ и ОВ при работе двигателя. Из этого рисунка видно, что магнитное поле якоря при любом его положении всегда ориентировано перпендикулярно магнитному полю обмотки возбуждения - это определяется правилом буравчика. В частности, учитывая, что ток в верхних проводниках на рис. 50 входит в плоскость чертежа, а в нижних - выходит, находим, что поле ОЯ ориентировано горизонтально с указанным расположением полюсов. Вращение якоря возникает в результате взаимодействия магнитных полей ОВ и ОЯ, как следует из ориентации полюсов, против часовой стрелки. В режиме генератора, для получения изображенной ориентации магнитных полей якорь необходимо вращать по часовой стрелке.

 

Наложение магнитного поля якоря на магнитное поле ОВ приводит к несимметрии суммарного магнитного поля и носит название р е а к ц и и я к о р я. Реакция якоря приводит к возникновению явлений, отрицательно сказывающихся на рабочих параметрах машины: а) к суммарному размагничиванию магнитного поля ОВ ( при больших токах) и, тем самым, - к уменьшению ЭДС; б) к смещению межполюсной (физической) нейтрали на некоторый угол и нарушению нормальных условий коммутации. В последнем случае это выражается в искрении щеток, которые переходят, вследствие вращения якоря, с одной пластины на другую не в момент обнуления ЭДС на соответсствующих сторонах секций обмотки, а несколько позже. Это ведет к постепенному разрушению щеток . Уменьшение же ЭДС ведет к уме-ньшению вращающего момента.

 

Рассмотрим теперь особенности работы разных типов двигателей.

 

А. Двигатели с независимым и параллельным возбуждением (рис.51, «а», «б») имеют сходные свойства по отношению к нагрузке.

Во-первых, магнитное поле их обмоток возбуждения является постоянным и не зависящим от величины рабочего тока - весь он поступает только в якорь.

Во-вторых, из-за малого сопротивления якорной обмотки современных МПТ( десятые и сотые доли ома), падение напряжения в них даже при больших токах является не очень значительным. Это приводит к тому, что при нагрузке, даже незначительное замедление вращения приводит к резкому возрастанию тока и увеличению сил Ампера в каждом проводнике. В результате вращающий момент двигателя возрастает и преодолевает момент нагрузки практически без изменения скорости. Математически это следует и из формулы зависимости n = n (I). Знаменатель формулы с0Ф явля-ется постоянной величиной; величина I∙rя , даже при значи-тельных токах, меняется нез-начительно. Следовательно, значение n будет практичес-ки постоянным при измене-нии рабочего тока.

На практике это означает, что двигатели с па-раллельным и независимым возбуждением могут использоваться там, где при переменных нагрузках требуется стабильность вращения ( металорежущие и печатные станки, эскалаторы, подъемники, вентиляторы, насосы и т.д.) Отличие же двигателя с независимым возбуждением от двигателя с параллельным возбуждением заключается в возможности первого менять магнитный поток обмотки возбуждения и тем самым - регулировать скорость вращения вала двигателя. На рис.51, (а) показаны графические зависимости скорости вращения вала двигателя и его момента от рабочего тока в двигателе. Незначительное (3-5%) падение скорости вращения якоря с ростом тока связано с гашением части напряжения внутренним сопротивлением обмотки и снижением вследствие этого необходимой ЭДС.

 

В.Двигатели с последовательным возбуждением (рис.51, «б») имеют ОЯ и ОВ, включенными последовательно. Это означает, что, в отличие от предыдущих двигателей, рабочий ток идет не только в обмотку якоря, но и в обмотку возбуждения. В результате при росте рабочего тока магнитный поток ОВ будет также расти. Так как ЭДС двигателя всегда должна быть близкой к напряжению на клеммах, то рост ее составляющей за счет магнитного потока должен быть скомпенсирован соответствующим падением составляющей, связанной со скоростью вращения. Другими словами, с ростом тока, скорость вращения якоря должна заметно снижаться.

 

Эти качественные рассуждения подтверждают и формулы. Выразим магнитный поток Ф ОВ через ток - ; тогда скорость вращения якоря будет иметь вид:

Получившаяся зависимость аналогична известной зависимости в школьной математике

которая, как известно, описывает гиперболу. Следовательно, зависимость n = n (I) на графике будет также иметь гиперболический характер (рис.51,б).

Зависимость вращающего момента от рабочего тока будет более сильной, чем для ДПТ с параллельным и независимым возбуждением:

 

 

Формула показывает, что она имеет квадратичную зависимость (рис.51, б). Это делает ДПТ последовательного возбуждения устройством с исключительно большими силовыми возможностями и позволяет использовать его там, где требуется развивать значительный вращательный момент при небольших скоростях вращения ( стартеры автомобилей, краны и тельферы с электроприводом, электроприводы тролейбусов, трамваев ит.д.).

Из механики известно, что вращающий момент определить по формуле . Отсюда :

,

 

где F – вращающая сила, r – плечо вращения (радиус якоря), υ – линейная скорость вращения; Р - мощность на валу двигателя; f - частота вращения якоря в сек. Поэтому вращающий момент двигателя можно определить также и по его выходной мощности, а также n (числу оборотов ро-тора в мин):

 

С.Двигатели со смешанным возбуждением являются сочетанием двигателей первых двух типов. В них часть обмотки возбуждения включается с обмоткой якоря параллельно, а часть - последовательно. В результате двигатель приобретает характеристики, промежуточные между характеристиками предыдущих двигателей. Изменяя в обмотке возбуждения долю параллельных и последовательных витков, можно плавно менять свойства двигателя.

 

В частности, по сравнению с двигателями параллельного возбуждения данные двигатели приобретают более «мягкую» пусковую характеристику, проявляющуюся в более плавном увеличении скорости вращения. В самом деле, в момент пуска у всех двигателей возникают большие токи. Согласно гиперболической кривой n = n (I), последовательная часть обмотки в такой момент обеспечит невысокую скорость вращения якоря, т.е. плавный пуск. По мере разгона якоря, ток начнет уменьшаться и в соответсствии со схемой соединения частей обмоток на рис.49, «г» доля напряжения на последовательной обмотке начнет уменьшаться, а на параллельной - увеличиваться. В результате скоростная характеристика примет более «жесткий» характер, т.е. изменение скорости вращения с изменением рабочего тока станет менее заметным ( режим вращения - более стабильным).

Такие двигатели используется, например, в лифтах, где начало движения должно быть плавным, а дальнейшее движение - постоянным при различной нагрузке. Скоростная зависимость двигателя со смешанным возбуждением изображена на рис51, «б» пунктиром.