Двигател постоянен ток(DPT)

Устройство:

1. Статор (индуктор).

2. Ротор (котва).

Статорът включва: корпус, магнитна верига под формата на полюси, върху които е разположена намотката на възбуждане.

индукторназовете частта от машината, която е проектирана да създава магнитно поле.

Роторът включва: вал, магнитна верига, в жлебовете на която е разположена намотката, и колектор с четки.

символ:

DPT схеми с различни видовевъзбуда:

Принцип на работа:

U V → I V → F;

където I V - ток на възбуждане; I I - ток на котвата.

Взаимодействието на тока на котвата с магнитния поток Ф на статора създава въртящ момент:

където C M е проектният фактор.

Под действието на М роторът започва да се върти, като пресича силовите линии магнитно поле, в резултат на което в него се индуцира ЕМП, която се нарича ЕМП на въртене:

Основни DPT уравнения:

Това са уравненията на електрическото равновесие на ротора:

където е спадът на напрежението във веригата на котвата; е ЕМП на въртене.

От тази формула получаваме практически важна връзка:

Заменете вместо

И получаваме:

.

Съгласно този израз е възможно да се конструира механична характеристика на DPT n \u003d f (M), като се има предвид натоварването, т.е. M, можете да намерите скоростта на въртене, съответстваща на него. Ако същевременно U = U ном, Ф = Ф ном имаме естествена механична характеристика.

Механична характеристика на DPT:

Точка "1" - празен ход; координати М = 0, n = n 0 ;

"2" - номинален режим; координати M n, n n;

"3" - максимално допустимо краткотрайно натоварване.

Парцел 1–2 - допустима дългосрочна работа.

Раздел 2–3 - разрешена е само краткосрочна работа.

Обикновено аз добавям \u003d (2 ÷ 2,5) I i ном.

DPT контрол на скоростта:

,

където е съпротивлението на котвената верига.

От къде идва възможност за контрол на скоросттапо три начина: , , .

1. Помислете за изкуствени механични характеристики при управление на скоростта, чрез промяна на входа.

Очевидно е, че според условията на работа на двигателя е възможно да се променя само в посока на намаляване и следователно скоростта на двигателя може да се регулира само надолу, докато скоростта на празен ход (точка "1") намалява.

Характеристиките ще приемат формата:

Ако натоварването на двигателя е представено от характеристиката M C, тогава чрез промяна на напрежението от до можете да получите различни скорости от n A до n A3.

2. Контрол на скоростта чрез промени в големината на магнитния поток.

Големината на магнитния поток може да се промени с помощта на тока I V, например, реостат, само в посока на намаляване. Намаляването на магнитния поток ще доведе до увеличаване на скоростта. Така чрез магнитния поток скоростта може да се регулира само нагоре.

3. Помислете за механичните характеристики при управление на скоростта, промяна на съпротивлението на котвената верига.

не зависи от R n, следователно изкуствените характеристики имат обща точка.

Стартовият ток при n = 0 и E = 0 има формата и достига неприемливо големи стойности, което не позволява стартирането на двигателя. За да се намалят стартовите токове, в арматурната верига се въвежда допълнително съпротивление:

Токът намалява и характеристиката има формата:

Принцип на действие (на примера на двигател паралелно възбуждане). Ако към двигателя се приложи напрежение U, токът I c протича през веригата на възбуждане, а токът I i протича през веригата на котвата. Токът на възбуждане създава MMF F in = I in W in, който възбужда магнитния поток в машината F in. Токът на котвата от своя страна създава магнитен поток на реакцията на котвата F i. Полученият магнитен поток F res \u003d F in + F i.

Фиг.1.23 1.24

В веригата на котвата токът I i създава спад на напрежението R i I i. В съответствие със закона за електромагнитната сила EMC, когато токът I I и магнитният поток F res взаимодействат, се създава въртящ момент M BP. В стационарно състояние M temp. \u003d M пр. Когато арматурните проводници пресичат магнитното поле F res, в съответствие със закона за електромагнитната индукция EMP, в тях се индуцира ЕМП, който е насочен срещу мрежовото напрежение U.

Класификация на двигателите. Според схемата за включване на възбуждащите намотки на главните полюси, постояннотоковите двигатели се разделят на двигатели с независимо, паралелно, последователно и смесено възбуждане.

в двигатели независимо възбужданевъзбуждащата намотка се захранва от отделен източник на постоянно напрежение. При двигателите с паралелно възбуждане възбуждащата намотка и намотката на котвата са свързани паралелно и се захранват от един и същи източник. При двигателите с последователно и смесено възбуждане има възбудителна намотка, свързана последователно с намотката на котвата. При двигатели с ниска мощност възбуждащият поток може да се създаде с помощта на постоянни магнити. Най-голямо приложение намират двигателите с паралелно и смесено възбуждане.

Основни уравнения и величини, характеризиращи двигателите. Тези стойности са: механична мощностна вала P 2, захранващо напрежение U, ток, консумиран от мрежата I, ток на котвата I I, ток на възбуждане I в, скорост на въртене n, електромагнитен моментммм Връзката между тези количества е описана:

Ø уравнение на електромагнитния момент:

M em \u003d C m I I F;

Ø по уравнението на електрическото състояние на веригата на котвата:

U \u003d E pr + R i I i; (1.4)

E pr \u003d C E nФ;

Ø моментно уравнение:

M em \u003d M s + M пот + M d,

където M s е съпротивителният момент на вала, създаден от товара; M пот - моментът на загубите, създаден от всички видове загуби в двигателя; M d - динамичен момент, създаден от инерционни сили;

Характеристики на двигателите. Най-важната от характеристиките е механичната n (M s) - зависимостта на скоростта на въртене n от въртящия момент на вала (по-нататък индексът "c" е пропуснат) при U = const, I в = const. Той показва влиянието на механичното натоварване (въртящия момент) върху вала на двигателя върху скоростта, което е особено важно да се знае при избора и експлоатацията на двигатели. Други характеристики на двигателя: регулиране n (I c), високоскоростен n (I i), работа M, R 1, n, I, h (R 2) - тук не се разглеждат подробно.

Механичните характеристики могат да бъдат естествени или изкуствени. Под естественохарактеристики се разбират като характеристики, взети при липса на каквито и да е допълнителни съпротивления във веригата, например реостати в арматурни или възбуждащи вериги, изкуствени- при наличие на такива съпротивления.

Механично уравнениехарактеристики на двигателя. Може да се получи от (1.1). Тогава заместваме вместо E неговата стойност в (1.4).

n \u003d (U - R i I i) / C E F. (1,5)

Заменяйки I i със стойността му от (1.2), получаваме уравнението механични характеристики:

n= (1.6)

Видът на механичната характеристика се определя от естеството на зависимостта на потока от натоварването на двигателя, което от своя страна зависи от схемата за включване на възбуждащата намотка.

Реверсиране на двигателя. Реверсирането на двигателя се разбира като промяна в посоката на въртене на неговата арматура. Възможните начини за обръщане следват от съотношението (1.2). Ако промените посоката на тока на котвата или потока на машината, тогава знакът и следователно посоката на въртящия момент се променят. На практика това се постига чрез превключване на изводите или намотката на котвата, или намотката на възбуждане. Въпреки това, едновременното превключване на изходите на двете намотки или промяната в полярността на напрежението, захранващо двигателя (с изключение на двигател с независимо възбуждане), не води до промяна в знака на въртящия момент и следователно до промяна в посоката на въртене.

Стартиране на двигателитепостоянен ток. Има две основни изисквания за стартиране на двигателите: да се осигури въртящият момент, необходим за стартиране и ускоряване на котвата и да се предотврати прекомерен поток през арматурата по време на стартиране. висок токопасен за двигателя. Практически са възможни три метода за стартиране: директен старт, старт, когато реостат е свързан към веригата на котвата и старт с понижено напрежениевъв веригата на котвата.

При директно стартиране веригата на котвата веднага се включва на пълно напрежение. Тъй като в първия момент на стартиране котвата е неподвижна (n = 0), няма обратна едс (E pr = C E nF). Тогава от (1.4) следва, че стартовият ток на арматурата I i, p \u003d U / R i.

Тъй като R i \u003d 0,02 ¸ 1,10 Ohm, тогава I i, n \u003d (50 ¸ 100) I nom, което е неприемливо. Следователно, директно стартиране е възможно само за двигатели с ниска мощност, където I i, n (4¸6) I nom и ускорението на двигателя продължава по-малко от 1 s.

Стартът, когато стартовият реостат R p е включен последователно с арматурата, ще бъде разгледан на примера на схемата на фиг. 1.25. Стартовият ток в този случай е:

I i, p \u003d U / (R i + R p). (1,7)

Съпротивлението R p \u003d U / I i, p - R i е избрано така, че в началния момент на стартиране, когато E pr \u003d 0, I i, p \u003d (1.4¸2.5) I nom (по-голямо число се отнася към двигатели с по-малка мощност).

Тъй като арматурата се ускорява, E pr се увеличава, което намалява напрежението на арматурата (т.е. числителят (1.7) намалява) и съпротивлението на реостата R p се извежда.

Преди стартиране се показва реостатът R p, който е необходим, за да се осигури максимален поток и следователно въртящ момент при стартиране (M p \u003d C m I I, p F). Тъй като арматурата се ускорява, реостатът R p се въвежда, докато се достигне необходимата скорост.

Стартирането с ограничен стартов ток е възможно, когато арматурата на двигателя се захранва от отделен източник (генератор, токоизправител) с регулируемо напрежение. Ограничаването на пусковия ток и плавното ускорение на двигателя се осигуряват чрез постепенно увеличаване на напрежението на котвата от нула до необходимата стойност.

Разглежданият метод намира приложение в системи за управление и регулиране на мощни постояннотокови двигатели (виж т. 1.14.3).

§ 115. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ДВИГАТЕЛИ ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК

Работните свойства на двигателите се определят от техните работни характеристики, които са зависимостите на броя на оборотите t, въртящия момент Me, консумирания ток I, мощността P1 и ефективността η от полезната мощност на вала P2- Тези зависимости съответстват на естествените състоянието на двигателя, т.е. машината не се регулира и мрежовото напрежение остава постоянно. Така

тъй като при промяна на полезната мощност P2 (т.е. натоварването на вала), токът в арматурата също се променя

машини, работните характеристики често се изобразяват като функция на тока на котвата. Зависимостите на въртящия момент и скоростта на въртене от тока в котвата за двигателя с паралелно възбуждане са показани на фиг. 152, а диаграмата на сто е показана по-горе (виж фиг. 151).

Скоростта на двигателя се определя от следния израз:

> С увеличаване на натоварването на вала на двигателя, токът в арматурата също се увеличава. Това води до увеличаване на спада на напрежението в съпротивлението на намотката на котвата и контактите на четката.

Тъй като токът на възбуждане остава постоянен (машината е нерегулирана), магнитният поток също е постоянен. Въпреки това, с увеличаване на тока в котвата, демагнетизиращият ефект на реакционния поток на котвата се увеличава и магнитният поток Ф леко намалява. Увеличаването на Iarya води до намаляване на скоростта на двигателя, а намаляването на Ф увеличава скоростта. Обикновено спадът на напрежението влияе върху промяната на скоростта в малко по-голяма степен от реакцията на котвата, така че с увеличаването на тока на котвата скоростта намалява. Промяната в скоростта на този тип двигател е незначителна и не надвишава 5% при промяна на натоварването от нула до номинално, т.е. двигателите с паралелно възбуждане имат твърда скоростна характеристика.

При постоянен магнитен поток зависимостта на въртящия момент от тока в арматурата ще бъде представена с права линия. Но под влияние

Въртящият момент на реакционния двигател на котвата с увеличаване на натоварването е леко намаляване на магнитния поток и зависимостта на момента ще отиде малко под права линия.

Схемата на двигателя с последователно възбуждане е показана на фиг. 153. Стартовият реостат на този двигател има само две скоби, тъй като възбуждащата намотка и арматурата образуват една последователна верига. Характеристиките на двигателя са показани на фиг. 154. Обороти на двигателя последователно възбужданесе определя от следния израз:

където rc е съпротивлението на последователната възбудителна намотка. В двигател с последователно възбуждане магнитният поток не остава постоянен, но се променя драстично с промени в натоварването, което причинява значителна промяна в скоростта. Тъй като спадът на напрежението в съпротивлението на котвата и в намотката на възбуждането е много малък в сравнение с приложеното напрежение, броят на оборотите може да се определи приблизително чрез следния израз:

Ако пренебрегнем насищането на стоманата, тогава можем да считаме, че магнитният поток е пропорционален на тока в намотката на полето, който е равен на тока в арматурата. Следователно, за двигател с последователно възбуждане, скоростта на въртене е обратно пропорционална на тока в арматурата и броят на оборотите намалява рязко с увеличаване на натоварването, т.е. двигателят има мека скоростна характеристика. С намаляването на натоварването оборотите на двигателя се увеличават. При работа на празен ход (Ia = 0) оборотите на двигателя се увеличават неограничено, т.е. двигателят преминава в предавка.

По този начин характерно свойство на двигателите с последователно възбуждане е недопустимостта на отпадане на натоварването, т.е. на празен ход или при ниски натоварвания. Двигателя е с минимум допустимо натоварване, което е 25-30% от номинала. Когато натоварването е по-малко от минимално допустимите обороти на двигателя рязко се увеличава, което може да доведе до неговото разрушаване. Следователно, когато е възможно отпадане или рязко намаляване на натоварването, използването на двигатели с последователно възбуждане е неприемливо.

При много малки двигатели, разтоварването на натоварването няма да причини бягство, тъй като механичните загуби на двигателя ще бъдат достатъчни. тежък товарза него.

Въртящият момент на двигателя с последователно възбуждане, като се вземе предвид пропорционалната връзка между магнитния поток и тока в арматурата (F \u003d C "Ia), може да се определи чрез следния израз:

където K'=KC'

тези. въртящият момент е пропорционален на квадрата на тока. Но при големи токове се отразява насищането на стоманата и зависимостта на момента се доближава до права линия. По този начин двигателите от този тип развиват големи въртящи моменти при ниски скорости, което е от съществено значение при стартиране на големи инерционни маси и претоварвания. Тези двигатели се използват широко в транспортни и повдигащи приложения.

При смесено възбуждане е възможно както съгласно, така и насрещно включване на възбуждащите намотки.

Двигателите с противоположни намотки не се използват широко, тъй като имат лоши стартови свойства и са нестабилни.

Скоростните характеристики на двигателите със смесено възбуждане заемат междинна позиция между характеристиките на двигателите с паралелно и последователно възбуждане.

С увеличаване на тока на котвата броят на оборотите на котвата намалява в по-голяма степен, отколкото при двигателите с паралелно възбуждане, поради увеличаване на магнитния поток, причинено от увеличаване на тока в последователната намотка на възбуждане. Когато работи на празен ход, двигателят със смесено възбуждане не работи диво, тъй като магнитният поток не намалява до нула поради наличието на паралелна намотка на полето.

С увеличаване на натоварването при двигателите със смесено възбуждане магнитният поток се увеличава и въртящият момент се увеличава в по-голяма степен, отколкото при двигателите с паралелно възбуждане, но в по-малка степен, отколкото при двигателите с последователно възбуждане.

1. Устройството на DC машини.

DC машините, които могат да работят както като двигател, така и като генератор, имат редица предимства. При стартиране на двигателя се генерира голям стартов момент. Поради това такива двигатели се използват и като тяга в електрически превозни средства. Широките граници и плавността на управлението на скоростта определят използването на постояннотокови двигатели в различни системи за автоматично управление.

Генераторите за постоянен ток се използват за захранване на различни мощности (по-специално висококачествени заваръчни машини).Мощността на машините с постоянен ток е много различна:

от няколко вата до десетки киловати. В транспорта се използват двигатели с напрежение 550 V и мощност 40 - 45 kW (трамваи), с напрежение 1500 V и мощност до 12 000 kW (електрически локомотиви). Ефективността при постояннотоковите машини е толкова по-висока, колкото по-голяма е мощността. При мощност до 100 W ефективност = 62%, при мощност до 100 kW ефективността достига 91%. Недостатъкът на машините с постоянен ток е наличието на четко-колекторен възел, който е един от най-ненадеждните компоненти на машината. Помислете за устройството на най-простата DC машина:

1 - полюси, обикновено представляващи намотка със сърцевина,

2 - котва (или ротор) - въртяща се част,

3 - проводници в жлебовете на арматурата.

Неподвижната част, върху която са фиксирани полюсите, се нарича статор или индуктор. Индукторът служи за създаване на основното магнитно поле на машината. GN - геометрична неутрална, линия, минаваща по средата между съседни полюси.

Най-важната конструктивна характеристика на машините с постоянен ток е наличието на четко-колекторен възел: 1 - четка, 2 - колекторна плоча. Изходите на отделните секции на намотката на котвата са подходящи за колекторните плочи. Устройството за събиране на четки изпълнява:

Плъзгащ се контакт между неподвижни външни проводници и въртящи се секции на намотката на котвата,

Коригиране на тока в генераторен режим,

Преобразуване на постоянен ток в променлив ток (инвертиране) в двигателен режим.

DC машините, както много други електрически машини, са обратими, т.е. една и съща машина може да работи и като генератор и като двигател.

2. Принципът на работа на генератора и двигателя.

В генераторен режим арматурата на машината се върти под въздействието на външен момент. Между полюсите на статора има постоянен магнитен поток, проникващ в котвата. Проводниците на намотката на котвата се движат в магнитно поле и следователно в тях се индуцира ЕМП, чиято посока може да се определи от правилото "дясна ръка". В този случай възниква положителен потенциал на една четка спрямо втората. Ако товарът е свързан към клемите на генератора, тогава в него ще тече ток. След завъртане на арматурата под определен ъгъл, четките ще бъдат свързани към друга двойка плочи, т.е. свързан към друг оборот на намотката на котвата, ЕМП, в която ще има същата посока. Така генераторът генерира

електрически ток, като посоката на този ток, протичащ през товара, не се променя.

Когато товарът е свързан към генератора и с появата на тока на котвата, върху вала възниква електромагнитен въртящ момент, насочен срещу посоката на въртене на котвата. В двигателен режим скобите на машината са снабдени с постоянно налягане, и токът протича през намотката на котвата. Проводниците на намотката на котвата са в магнитното поле на машината, създадено от тока на възбуждане и следователно върху тях, съгласно закона

Ампер ще действат сили. Комбинацията от тези сили създава въртящ момент, под въздействието на който арматурата ще се върти. Когато арматурата се върти, в нейната намотка се индуцира ЕМП, която е насочена към тока, поради което за двигателите се нарича обратна ЕМП.

3. Уравнения на едс и въртящ момент на котвата.

Помислете за един от проводниците в слота на арматурата. Нека се движи (по време на въртенето на арматурата) с линейна скорост V, тогава в този проводник се индуцира ЕМП:

E \u003d V cf l i V sin ,

където \u003d 90, lа - дължината на активната част на арматурата, V cf - средната индукция на магнитното поле в междината.

Нека 2a е броят на успоредните клонове. Тъй като ЕМП е равна на ЕМП на един клон, можем да запишем:

където E i е необходимата ЕМП на котвата, N е броят на всички проводници на котвата.

където Ф е магнитният поток на един полюс, а S е площта, проникната от този поток, тогава

тук p е броят на двойките полюси (p = 1,2, ...).

Скоростта V може да бъде изразена чрез скоростта на котвата n:

Заместване на получените изрази във формулата за E i:

тогава най-накрая получаваме:

E i \u003d C E F n.

Вижда се, че ЕМП на котвата е пропорционална на честотата на въртене на котвата и магнитния поток на полюсите. Използвайки закона на Ампер, намираме силата, с която възбуждащото поле действа върху един проводник на котвата:

F = V cf l i I sin ,

тук = 90 , I - ток в проводника.

Тази сила създава въртящ момент:

където D е диаметърът на котвата. Умножавайки по общия брой проводници N, получаваме общия момент:

Средната индукция In cf, както и преди, получаваме чрез разделяне на магнитния поток на един полюс на площта, проникната от този поток:

Тъй като токът на котвата се разпространява по успоредни клонове, токът в един проводник се определя от израза:

Замествайки изразите за B cf и I във формулата за общия момент, получаваме:

Ако въведем конструктивен коеф

тогава най-накрая можем да напишем:

Както можете да видите, електромагнитният момент на машината за постоянен ток е пропорционален на магнитния поток на полюсите и тока на котвата.

Получената по-горе формула Ea на котвата Ea дава някаква средна стойност на EMF. Всъщност стойността му варира (пулсира) между две гранични стойности - E min и E max. Когато арматурата се върти, част от завоите, които са късо съединени от четките, се изключват от паралелните клонове и по време на завъртане на арматурата на ъгъл, съответстващ на една колекторна плоча, сумата от моментните стойности на EMF има време да се промени донякъде. Максималната стойност на получените ЕМП пулсации E = 0,5 (E max -E min) зависи от броя на колекторните плочи. Например, с увеличаване на това число от 8 до 40, стойността на E намалява от 4V на 0,16V.

4. Реакция на котвата в машини с постоянен ток.

Когато DC машина работи на празен ход, магнитното поле се създава само от полюсните намотки. Появата на ток в арматурните проводници под товар е придружена от появата на магнитно поле на котвата. Тъй като посоката на тока в проводниците между четките е непроменена, полето на въртящата се арматура е фиксирано спрямо четките и полюсите на възбуждане.

Намотката на котвата става аналогична на соленоид, чиято ос съвпада с линията на четките, следователно, когато четките са монтирани върху геометрични неутрали, потокът на котвата е напречен на потока на възбуждане и неговият ефект върху последния се нарича реакция на напречната арматура . След като изградихме вектора на получения поток, виждаме, че сега той се върти около геометричната ос на главните полюси. Полето на машината става асиметрично, физическите неутрали се въртят спрямо геометричните. В генератора те се изместват по посока на въртене на котвата, в двигателя - срещу посоката на въртене на котвата.

Под физическа неутрала ще разбираме линията, минаваща през центъра на котвата и проводника на намотката на котвата, в която ЕМП, индуцирана от получения магнитен поток, е нула. Страничната реакция на арматурата има малък ефект върху работата на машината, този ефект обикновено не се взема предвид. Въпреки това, когато четките са изместени от геометричната неутрала, в потока на котвата се появява надлъжен компонент, неговият ефект върху потока на полюсите се нарича надлъжна реакция на котвата. Тя може да бъде както магнетизираща, така и демагнетизираща по природа. Като цяло реакцията на котвата води до изкривяване на полето под полюсите и промяна в потока на полюсите. Първият може да причини значително увеличаване на искренето под четките (до появата на всеобхватен огън на колектора), а вторият в генератора променя напрежението на клемите, а в двигателя въртящия момент и скоростта на котвата .

За да се отслаби реакцията на котвата, въздушната междина между статора и котвата се увеличава, в жлебовете на полюсните накрайници се използват специални късо съединение. При машини с висока мощност за тази цел се използва специална компенсационна намотка. Той се вписва в жлебовете на полюсните накрайници и е свързан последователно към веригата на арматурата, неговият поток балансира надлъжния поток на арматурата.