Элементы автоматических устройств ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока, электрические машины постоянного тока в настоящее время широко применяются в качестве двигателей и, в меньшей степени, в качестве генераторов. Это объясняется важным преимуществом двигателей постоянного тока перед другими электродвигателями. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать жесткие и мягкие механические характеристики. А именно:

  1. Они допускают плавное регулирование частоты вращения ротора простыми способами;

  2. Двигатели постоянного тока обладают большими пусковыми моментами при относительно малых пусковых токах.

Назначение. Такие машины широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др.

Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики в качестве исполнительных звеньев, а специальные генераторы используются как усилители электрических сигналов и как датчики частоты вращения.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Рис. 5-1. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 —главные полюсы; 3 — якорь; 4 —обмотка якоря; 5- щетки; 6 — корпус (станина)

Недостаток машин постоянного тока — наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины.

Электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Устройство простейшей машины. На рис.5-2 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рис. 5-3 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной простейшей машины имеет два полюса (1).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря (2) и коллектора (3). Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис.5-2 и 5-3 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки (4), с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создаются 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. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

В данном случае основной магнитный поток создается постоянными магнитами, но в большинстве случаев используются электромагниты.

Рис.5-2. Простейшая машина постоянного тока

Рис.5-3. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис.5-2 и 5-3,а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуцируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис.5-4,а). Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС

епр=Blv,

где В – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т.е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

Рис.5-4. Правила правой (а) и левой (б) руки

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

Ea=2eпр=2Blv. (5-1)

Эта ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис5-5,а).

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

f=n,

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f=pn. (5-2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а так же в обмотке якоря возникает ток Ia. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис.5-5,а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 900 и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Рис.5-5. Кривые ЭДС и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Изменив знак второго полупериода кривой на рис.5-5, а, получим форму кривой тока и напряжения во внешней цепи (рис.5-5,б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря ra:

Ua=Ea-Iara.. .(5-3)

Проводники обмотки якоря с током Ia находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис.5-3,а)

Fпр=BlIa, (5-4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рис.5-4,б). Эти силы создают механический вращающий момент Мэм, который называется электромагнитным моментом:

Мэм=FпрDa=BlDaIa, (5-5)

где Da - диаметр якоря. Как видно из рисунка 5-3, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Мэм. Величины Fпр и Мэм, как и для генератора, определяются равенствами (5-4) и (5-5). При достаточной величине Мэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис.5-3,а) и двигателя (рис.5-3,б) были одинаковы, то направление действия Мэм, а следовательно и направление тока Ia у двигателя должны бать обратными по сравнению с генератором.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС Еа, величина которой определяется равенством (5-1). Направление ЭДС в двигателе (рис.5-3,б) такое же, как и в генераторе (рис.5-3,а). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря Еа направлена против тока Ia и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС Еа и падением напряжения в обмотке якоря:

Ua=Ea+Iara. (5-6)

Из сравнения равенств (5-3) и (5-6) видно, что в генераторе Ua<Ea, а в двигателе Ua>Ea.

Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью. Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии. На рис.5-6 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рис.5-6. Направления ЭДС, тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм=Мв-Мтр-Мс, (5-7)

где Мв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Мтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Мс – тормозящий момент, называемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм=Мв+Мтр+Мс, (5-8)

где Мв – тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т.п.).

В генераторе Mэм является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях Мв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Рэм называется электромагнитной мощностью и равна

Рэм= MэмΩ, (5-9)

где

Ω=2πn (5-10)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (5-9) значения Mэм и Ω из равенств (5-5) и (5-10) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим

Рэм= 2BlDaIaπn=2BlvIa

или на основании выражения (5-1)

Рэм= ЕaIa. (5-11)

В обмотке якоря под действием ЭДС Еa и тока Ia развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Ра= ЕaIa. (5-12)

Согласно равенствам (5-11) и (5-12), Рэм= Ра, т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (5-3) и (5-6) на Ia. Тогда для генератора будем иметь

UaIa= ЕaIa-Ia2ra (5-13)

и для двигателя

UaIa= ЕaIa+Ia2ra. (5-14)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применительно к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.