Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1264 вуза, 4626 предмета.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:
книги / Электромеханика. Трансформаторы. Электрические машины.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
36.33 Mб
Скачать
☆
►Содержание►

6.5. Двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока, являясь электромеханическими пре­ образователями электрической энергии постоянного тока в механическую, ис­ пользуются для привода различных механизмов, установок и приборов в со­ временных системах автоматики, вычислительной техники, гибких производст­ венных системах.

Одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме гене­ ратора, так и в режиме двигателя, т.е. является обратимой.

Устройство коллекторных машин постоянного тока (рис. 6.14), их характе­ ристики, особенности работы в двигательном и генераторном режимах зависят от способов возбуждения.

Машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и вра­ щающейся части - ротора (якоря). Важной частью машин постоянного тока МПТ является коллектор. Он служит для выпрямления переменной ЭДС, инду­ цированной во вращающейся обмотке якоря, когда машина работает в режиме генератора,.и для получения постоянного по направлению электромагнитного момента, когда она работает в режиме двигателя.

Рис. 6.14. Схема конструкции коллекторного двигателя постоянного тока:

1 - корпус (станина); 2 - главные полюсы двигателя; 3 - обмотка возбуждения; 4 - дополни­ тельные полюсы; 5 - обмотка дополнительных полюсов; 6 - сердечник якоря; 7 - коллектор; 8 - щетки; 9 - пазы якоря с обмоткой

6.5.1. Принцип действия ДПТ

Принцип работы ДПТ основан на взаимодействии тока проводников об­

мотки якоря 1а= ^ с магнитным полем возбуждения Вер, когда на каждый

проводник обмотки якоря действует электромагнитная сила:

F ^ - B J i . - B c p l £ •

( « )

Совокупность всех сил, действующих на проводники обмотки якоря, соз­ дает электромагнитный момент М, который приводит якорь двигателя во вра­ щение:

M - F u ^ N - B o l

(6б)

где D - диаметр якоря; N - число активных проводников обмотки якоря.

Учитывая, что xD = 2рТ, и подставляя в уравнение D = 2 p i/l, получим

<6J)

где

ВСр ^ = ф

Выполнив необходимые преобразования, получим электромагнитный вра­ щающий момент, Нм:

Р N

(6.8)

или

 

М Ссм1аФ

(6.9)

 

Помимо вращающего, на вал двигателя действуют тормозные моменты: момент холостого хода Мо, обусловленный механическими и магнитными по­ терями; полезный момент М2 - противодействующий, создаваемый механиз­ мом, который приводится в движение данным двигателем.

Если двигатель работает в статическом режиме, т.е. с установившейся частотой вращения (n=const), то вращающий момент равен сумме противодей­ ствующих моментов:

М=Мо+М 2=Л/с’

(6Л0)

где Мс - статический момент сопротивления.

Если двигатель работает в динамическом режиме (и = Ког), то помимо ста­

тического на вал двигателя действует динамический момент Мл:

 

М =М с±М а»

(6Л1)

где

- динамический момент.

Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс.

От электрических двигателей других видов двигатели постоянного тока отличаются рядом положительных свойств: большой перегрузочной способно­ стью (она ограничивается только допустимым нагревом машины и условиями ее коммутации), возможностью экономично, плавно и в очень широких преде­ лах (до 1*3000) регулировать их скорость, а также надежностью в работе.

6.5.2., Основныеуравнения рабочего процесса и пуска двигателя

Двигатели постоянного тока различаются способам возбуждения: последо­ вательным, параллельным, смешанным и независимым.

Отношение полезной механической мощности Р2 к потребляемой электри­

ческой Pj определяет КПД двигателя:

 

 

‘А

I Р

(6.12)

Р2+1Р

У современных двигателей постоянного тока КПД очень высок, до 88% у машин большой мощности. С уменьшением номинальной мощности КПД дви­ гателей падает до 20* 40% при мощностях порядка 10*25 Вт.

Согласно ГОСТ 183-74 номинальной мощностью двигателя постоянного тока называется полезная механическая мощность на валу (выраженная в ват­ тах, килоили мегаваттах), которую двигатель может длительно отдавать при номинальном режиме работы.

Полезная механическая мощность на валу двигателя определяет его полез­ ный вращающий момент:

М = 9 ,5 6 5 & .

(6.13)

Электромагнитный момент двигателя

М'=См1аФ>

(6Л4)

где См - постоянная момента; 1а - ток якоря, А; Ф - результирующий магнит­ ный поток, Вб.

В установившемся режиме приложенное к якорю двигателя напряжение

£ /= £ + / .! « •

(6.15)

 

Так как

£ = 1 д а д а = С ' " ' Ф ’ то (6.15) перепишется в виде

и - С в п -Ф+1шТ,я*

(6.16)

а ток, потребляемый из сети,

_ и - С епФ

а (6.17)

Е Д

Если между двигателем и сетью включено добавочное сопротивление Rd,

то напряжение сети

U=Ce- n -0 + I& R + R d)

(6.18)

и ток, поступающий из сети в двигатель, будет равен

Т - и ~ Е - Ц - С е П Ф

(6.19)

l a I R + R d Z R + R d '

 

Скорость вращения двигателя при включении через реостат с сопротивле­ нием Rd определяется по (6.18) и (6.19).

При прямом включении в сеть (U = Uc)

„ - U - I a l R

(6.20)

СеФ

 

при включении через реостат с сопротивлением Rd

 

U -Ic^E R+ R dj

(6.21)

п

с й о

Из (6.17) при п=0 следует, что пусковой ток двигателя находится в обрат­ ной зависимости от сопротивления Ra якорной цепи.

Так как сопротивление R a y машин постоянного тока средней и большой мощности очень мало, то пусковой ток может достигать значительной величи­ ны (до 10^*251н). Поэтому прямой пуск возможен лишь для двигателей малой мощности (до 1 кВт), имеющих относительно большое сопротивление якорной цепи.

Как правило, двигатели постоянного тока пускаются в ход с добавочным сопротивлением (пусковой реостат) между сетью и двигателем (рис. 6.15).

При этом пусковой ток будет меньше [см. формулу (6.19)]:

1яп —'

U

(6.22)

Ra + Rn

Пусковой реостат предназначен лишь для краткого (на время пуска) вклю­ чения двигателя в цепь. Пользоваться этим реостатом в целях регулирования двигателя под нагрузкой не допускается. Для того чтобы со1фатить время пус­

ка, следует обеспечить возможно больший момент на его валу. Из выражения (6.14) видно, что это может быть достигнуто при наибольшем магнитном пото­ ке ф машины. Практически это означает, что любой пуск двигателя постоян­ ного тока должен производиться при максимальном токе возбуждения (при ми­ нимальном сопротивлении цепи возбуждения). Как правило, обмотка возбуж­ дения включается на полное напряжение сети.

Рис. 6.15. Схема пуска двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

При включенном пусковом реостате и минимальном сопротивлении цепи возбуждения максимальный пусковой ток для двигателей постоянного тока находится в пределах (1,5 *2,0) 1Щ.

В процессе пуска сопротивление пускового реостата ступенями выводится до положения, когда Rn= 0 (рис. 6.15).

Если в выражении (6.16) пренебречь небольшой величиной Ia-Ra, то изме­ нить направление вращения двигателя можно двумя способами: изменением или полярности питающего напряжения на зажимах якоря, или потока (тока) возбуждения. В этих случаях становится другим направление момента дейст­ вующего на валу двигателя.

По выражению (6.21) можно предложить три возможных способа регули­ рования скорости вращения двигателя:

1) введение в цепь рабочего тока Is добавочного реостата с сопротивлени­ ем Яд - "реостатное регулирование";

2)изменение величины магнитного потока Ф (тока возбуждения) - "регу­

лирование полем";

3)изменение величины питающего напряжения по формуле (6.20) для слу­ чая 11д= 0 и UC=U.

Рабочие свойства двигателей постоянного тока оцениваются по их элек­ тромеханическим, или рабочим, и регулировочным характеристикам, получае­ мым расчетным или опытным путем.

6.6. Характеристики двигателя постоянного тока

Основной характеристикой двигателя постоянного тока, определяющей его свойства в установившемся режиме, является механическая характеристика

п = f ( M e) ПРИ Uc=const и If=const.

Уравнение механической характеристики получается из (6.20):

п- Цс 1яЯя _

U c

1 Я я М е _

(6.24)

С еФ

С еФ

СеСмФ

 

На рис. 6.16 представлены механические характеристики в зависимости от способа возбуждения. При параллельном возбуждении и небольшой размагни­ чивающей реакции якоря (Ф = const) характеристика будет слабо падающей (кривая 1).

Рис. 6.16. Механические характеристики

Если размагничивающая реакция двигателя параллельного возбуждения велика (поток Ф существенно снижается при увеличении нагрузки), то механи­ ческая характеристика будет иметь положительный наклон (кривая 1 ).Такая характеристика, как правило, не позволяет получить устойчивый режим работы.

Действительно, запишем уравнение моментов в малых приращениях:

д М е

дМен

d&n

Зл

дп J

60 dt

Решение этого уравнения следующее:

An=CeAo)t/2nJ,

где С -

постоянная, определяемая начальными условиями; А = ^ ±- ^ ~

-

 

 

 

 

 

 

an

ап

 

разность частных производных электромагнитного и внешнего моментов.

 

Решение будет

устойчивым

(Д л -» 0 при

/-» о о ),

если А

< 0,

т.е.

&Ме

^

тт

-

,^М вн _ л

V

 

 

 

. Для постоянной нагрузки ( дп~ 1-

У» М m =const) характеристика

l ’ не удовлетворяет этому условию.

В двигателях последовательного возбуждения результирующий поток пропорционален току якоря:

Ф= Сф1я,

аэлектромагнитныймомент пропорционален квадрату тока якоря:

Ме=С„Сф1,2.

С учетом этих соотношений уравнение характеристики двигателя последо­ вательного возбуждения приобретает вид

п =

(6.25)

 

С еС ф

Этому уравнению соответствует кривая 2 (рис. 6.16), имеющая гиперболи­ ческий характер. При Ме-> 0 частота вращения якоря п -> оо, поэтому двигате­ ли последовательного возбуждения не могут работать в режиме холостого хода.

Вместе с тем квадратичная зависимость электромагнитного момента от то­ ка якоря позволяет двигателям последовательного возбуждения при перегруз­ ках работать более эффективно, чем двигателям параллельного возбуждения,

момент которых является линейной функцией тока

Это преимущество осо­

бенно существенно при пуске, так как при одном

и том же пусковом токе

( / Яя< 1Як) двигатели последовательного возбуждения развивают больший мо­

мент, чем двигатели параллельного возбуждения. Поэтому первые получили широкое применение на транспортных установках, где пусковой режим являет­ ся одним из основных.

Механическая характеристика двигателей смешанного возбуждения (кри­ вая 3, рис. 6.16) занимает промежуточное положение. Обладая при перегрузках свойствами, близкими к свойствам двигателей последовательного возбуждения, эти машины могут работать и при малых нагрузках, что позволяет осуществить рекуперацию энергии в сеть при п > и0 (рис. 6.16), так как машина переходит в генераторный режим (Ме< 0). Это свойство можно использовать в транспорт­

ных установках при движении с горы, создавая тормозной момент и одновре­ менно возвращая в сеть запасенную кинетическую энергию.

6.7. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Согласно (6.24) регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока можно осуществлять путем изменения потока Ф, введения дополнительно­ го сопротивления Raon в цепь якоря и изменения напряжения сети Uc. В двига­ телях параллельного возбуждения наиболее просто осуществляется регулиро­ вание изменением потока, реализуемое с помощью реостата Rp в цепи возбуж­ дения. При увеличении сопротивления Rp поток Ф уменьшается и частота вра­ щения растет. На рис. 6.17 представлены механические характеристики двига­ теля параллельного возбуждения при трех значениях потока.

Рис. 6.17. Механические характеристики при изменении магнитного потока Ф

Таким способом регулируют частоту вращения в пределах 1:1.5,1:2. Верх­ ний уровень частот ограничивается условиями коммутации. Кроме Ton>j при значительном уменьшении потока возбуждения усиливается размагничиваю­ щее действие реакции якоря, жесткость механической характеристики растет и падающая характеристика при номинальном потоке может стать возрастающей, если поток ослаблен, что приведет к нарушению устойчивой работы двигателя.

Регулирование частоты вращения двигателя путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления RMn позволяет изменять частоту вращения вниз от номинальной в широких пределах (рис. 6.18).

Но этот способ не экономичен. Полезная мощность двигателя при посто­ янном моменте пропорциональна частоте вращения (без учета потерь в якоре):

Рг*Ме2тт60

а потребляемая из сети мощность от частоты вращения не зависит:

им.

Р\ = и с1я С.ф ‘

Поэтому КПД двигателя пропорционален частоте вращения якоря:

- Р * - 2 КСиФ

Р ,

6 0 U

Кдоп$ ^ ^дол2 > ^дощ

Рас. 6.18. Механические характеристики при введении дополнительного сопротивления в цепь якоря

Кроме того, при введении дополнительного сопротивления Rd0„жесткость

механической характеристики двигателя снижается, что может привести к ухудшению работы приводного механизма.

Более совершенным способом регулирования частоты вращения вниз является изменение подводимого к двигателю напряжения. На рис. 6.19 представ­ лены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения для трех значений напряжений. Жесткость механических характеристик практиче­ ски не меняется, поэтому таким способом можно регулировать частоту враще­ ния от номинальной до нуля.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно ре­ гулировать изменением либо напряжения U, либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае обмотка якоря шунтируется сопротивлениями R ID, (рис. 6.20) или в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат Rpr. С увеличением сопротивления этого реостата уменьшается напря­ жение на входе двигателя и частота его вращения. При уменьшении подводи­ мого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 6.21).

Изменение магнитного потока ДПС можно осуществить шунтированием обмотки возбуждения, при этом изменяется ток в последовательной обмотке

возбуждения (рис. 6.20). Ток при шунтировании уменьшается, а скорость

вращения якоря растет (рис. 6.21).

Щ > и 2 > и ъ

Рис. 6.19. Механические характеристики при различных напряжениях

Рис. 6.20. Схема двигателя последовательного возбуждения

Рис. 6.21. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

Типовые примеры

Двигатель параллельного

П ример 6.1

возбуждения питается от сети напряжением

U = 220 В и вращается со

скоростьюп„=450 об/мин. Потребляемый ток

1„= 680 А; противо-ЭДС в обмотке якоря Е = 209 В; сопротивление обмотки возбуждения г, = 44 Ом.

Определить ток якоря 1„\ сопротивление обмотки якоря гя\ полезную мощ­ ностьдвигателя (навалу) Рн\ вращающий момент Мн, если КПД т) - 90,5%.

Решение 1.Находим ток в обмотке возбуждения:

. U 220

I'о “ г.—*« —*5 А

2.Определяем ток якоря:

~h = 680- 5 = 675 А . 3.Вычисляем ток в обмотке якоря:

U -E

I Я - ■ — — — У

Гя

U -E 220-209 = 0,0163 Ом.

675

4.Рассчитываем потребляемую мощность:

P = U-IH= 220-680= 150000Вт = 150кВти

5. Находим полезную мощность:

Р н = Р • Tj= 150 • 0,905 = 136 кВ т .

6. Определяем вращающий момент:

М н = 975 ■ = 975 • — = 293 кГм.

нпн 450

Пример 6.2

Дан генератор параллельного возбуждения с номинальными данными: Рном=5,2 кВт, UHOM=230 В и частотой вращения пмом=2В60 об/мин. Сопротивле­ ние обмотки якоря R„-0,75 Ом, сопротивление цепи возбуждения Л„=154 Ом, механические и магнитные потери составляют 4% от номинальной мощности

генератора. Определить момент на валу первичного двигателя.

Реш ен и е

1.Находим номинальный ток нагрузки:

1ном ~Рном /Одом = 5,2*100/230 = 22,6 А.

2. Определяем ток возбуждения:

IHOM= UHOM/RB= 230/154=1,5 А.

3. Вычисляем ток якоря при номинальной нагрузке:

1я.ком “ 1цом 1в 22,6+1,5—24,1 А.

4.Находим ЭДС генератора:

Б= UII0M+R* -U OM=230+0,75-24,1=248 В

5.Вычисляем потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения:

АРя =*Я '1я.нон =0,75-24,12 =435Вт; ДРв =RB-I\ =154-1,52 = 34бВт.

6. Рассчитываем сумму механических и магнитных потерь:

АРмех + ДРи =4/100 *5,2 • 103 =208 Вт.

7.Суммарные потери при номинальной нагрузке составят:

£ДР = 435 + 345+208=989 Вт = 0,989 кВт

8.Определяем мощность на валу первичного двигателя:

Дшг.яш = 2 АР + Рном =0,982 + 5,2 = 6,189 кВт.

9. Находим КПД генератора при номинальной нагрузке:

Лном = Р ном ^^ м е х нам Ю0 = 5,2/6,189 • 100 = 84%.

10. Вычисляем момент на валу первичного двигателя при номинальной на­ грузке генератора:

Мдв = 9550Рмвх,мм / пнш = 9550 • 6,189 / 2860 = 20,7Я • м .

Пример 6.3

Двигатель параллельного возбуждения, присоединенный к сети с напряже­ нием UH0M= 220 В , при номинальной нагрузке потребляет ток 1Л0М= 20,5 А, при

холостом ходе - ток /о = 2,35 А . Сопротивление обмоток якоря Д, = 0,75 Ом, а в цепи возбуждения Д,=258 Ом. Номинальная частота вращения имам=1025 об/мин.

Определить номинальную мощность двигателя (на валу), номинальный КПД, номинальный вращающий момент, пусковой ток при пуске двигателя без пус­ кового реостата, сопротивление пускового реостата для условия 1пуск =2,5 -1„ом и

пусковой момент при пуске двигателя с реостатом. Построить естественную механическую характеристику двигателя. При реш ении принять, что магнит­ ные и механические потери не зависят от нагрузки.

Реш ен и е

1.Определяем номинальную мощность на валу двигателя:

РНОМ Р \н о м - 2 Д-Р»

где S АР - потери в двигателе; Р\ном- потребляемая мощность; Р\иои= UH0M'I0 -

= 220-20,5 = 4510 Вт = 4,51 кВт.

2. Для определения потерь в цепи якоря и цепи возбуждения надо знать ток в цепи якоря 1КН0Ми ток возбуждения 1в\

/,= UHJ R e= 220/258 = 0,85 А;

IJLHOM= Лаи - Л = 20,5 - 0,85 =19,65 А.

3. Находим потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения:

АРяном=Ря 1\ном = 0,75-19,652= 290 Вт; APe=Rej \ = 258-0,852= 186 Вт;

4. Магнитные и механические потери составят:

 

 

Ь Р м а

+АР М —Р о ~ А^/70 “ АР д ,

где PQ= UHOJ HOM= 220-2,35 = 517 Вт; АРЯй - потери в обмотке якоря при холо­

стом ходе двигателя:

 

 

 

 

АРт = R„ (I, - 1 ,)1 = 0,75(2,35 -

0,85)! = 1,7 Вт;

 

ЬРщх + А Р „

= 5 1 7 - 1 ,7 - 1 8 6 = 329,3 Вт;

 

Р т и = 4 5 1 0 -

805,3 = 3704,7 В т = \1 \к В т .

5. Вычисляем номинальный КПД:

 

 

 

Ином‘

= Рном IР\ном ' 1 0 0 = 3 ,7 1 / 4,50 • 100 = 82,2%

и номинальный вращающий момент:

 

 

 

Мном = 9550

= 9 5 5 0 —

= 34,6 Я • м.

 

 

 

пном

1025

 

6.Рассчитываем пусковой токдвигателя при пуске без реостата:

 

 

1 ПУСК

Uнон

220

 

 

 

 

= 293 А.

 

 

 

 

0,75

 

7. Сопротивление пускового реостата определяем из равенства

откуда

 

I пуск = 2,51я.ном ~ Uном

+ Rp)>

Rp = и110м/(2,51яном)-R„= 220/(2,5-19,65) - 0,75 = 3,73 Ом.

8.

Находим пусковой момент двигателя при пуске с реостатом. Известно

что вращающий моментдвигателя определяется уравнением

МВРСМФ1Я,

Для режима номинальной нагрузки выражение принимает вид

МНОМ ~ С и Ф 1^я1 .ном»

а для пускового режима

^ПУСК ~ С ЫФ1пуск.

9.Полагая магнитный поток в двигателе постоянным, возьмем отношение

моментов

 

 

^

ном

I я ном

 

 

 

М

ПУСК

I

’

 

 

т

1 ПУСК

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

19,65

 

М пуск — М н о м

I ямом = 34,6

= 86,5 Н м .

 

 

1 ПУСК

19,65

10.

Естественная механическая характеристика Q = f(M) (прямая линия)

строится по двум точкам: 1) в режиме холостого хода при М= 0 частота враще­

ния no=UHaJ(CE0 Hau) =UHOJ E HQUnHOU= 220/205-1025 = 110 об/мин, где противо-

ЭДС EHOM=UHOM- RIJH.HOM- 220 -

0,75-19,65 = 205 В . Угловая скорость вращения

якоря Q0 -

л«с/30 = 1 1 5 1/с; 2) при номинальной нагрузке М=Мномугловая ско­

рость вращения якоря Q„0M= яинам/30 = 107 1/с.

Пример 6.4

Двигатель последовательного возбуждения работает от сети 220 В. Номи­ нальный вращающий момент двигателя и номинальная частота вращения соот­ ветственно равны Мном= 75 Н-м, ниаи=1020 об/мин, сопротивления обмоток якоря и возбуждения Яя —0,4 Ом, Re=0,3 Ом. Номинальный КПД Т|ном = 81,5%. Опре­

делить мощность на валу двигателя и мощность, потребляемую из сети при но­ минальной нагрузке; ток двигателя; противо-ЭДС и электромагнитную мощ­ ность (мощность, передаваемую на якорь); потери в двигателе при номиналь­ ной нагрузке и сопротивление пускового реостата, при котором пусковой ток превышает номинальный в 2 раза.

Реш ение 1. Находим номинальную мощность двигателя:

Рном= MH0MnHJ 9 550 = 75-1020/9550 = 8 кВт.

2. Определяем потребляемую мощность:

Р\ном - Рном !Уном =8/0,815 =9,8 кВт.

3. Вычисляем номинальный ток двигателя:

1шт= РытIUUOM= 9,8-1000/220 = 44,5 А .

4. Полученный ток является током обмоток якоря и возбуждения и равен

^я.иом—•/*

 

А.

5. Противо-ЭДС, наводимая в обмотке якоря,

E = U H0M- + ДО -/наи = 220

-

(0,4 + 0,3)-44,5 = 188,8 В.

6. Находим электромагнитную мощность:

Рш = Е‘1ЛИ0М =188,8-44,5 = 8400 Вт = 8,4 кВт.

7. Определяем магнитные и механические потери:

АРм + АРмех —Рэм ~ Рном =8,4—8=0,4 кВт.

8. Потери в обмотке якоря и в обмотке возбуждения составят:

Соседние файлы в папке книги
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности