Определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:

1. с независимым возбуждением : обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя) ,

2. с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря,

3. : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря,

4. со смешанным возбуждением : он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с ней.

Все эти электродвигатели имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения указанных электродвигателей выполняют так же, как у .

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 1, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения - к вспомогательному источнику в напряжением UB. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря - пусковой реостат Rn.

Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой - для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока Iя в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. Зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения n от тока Iя будут линейными (рис. 2, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя - зависимость п (М) (рис. 2, б).

При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением Rn скоростная и механическая характеристики будут жесткими, т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напряжения IяΣRя в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3-5 % от Uном. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 2, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением Rn угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3.

Рис. 1. Принципиальные схемы электродвигателей постоянного тока с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением

Рис. 2. Характеристики электродвигателей постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением: а - скоростные и моментная, б - механические, в - рабочие Чем больше сопротивление Rn, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Регулировочный реостат Rpв позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. При этом будет изменяться и частота вращения n.

В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря Iя и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания.

Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Фост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток Iя. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения n будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором E= U - IяΣRя.

При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток Iя, и машина должна быть отключена от источника питания.

Следует отметить, что частота вращения n0 соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности, и развивает некоторый момент M0, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше n0.

Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р2 (рис. 2, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря Iя и мощности Р1 от Р2 также практически линейны. Ток Iя и мощность Р1 при Р2 = 0 представляют собой ток холостого хода I0 и мощность Р0, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

В этом электродвигателе (см. рис. 1, б) обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением U. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rpв, а в цепь обмотки якоря - пусковой реостат Rп.

В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения Iв не зависит от тока обмотки якоря Iв. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

При питании электродвигателя от источника с изменяющимся напряжением (генератор или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее уменьшение тока возбуждения Iв и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря Iя. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря включен пусковой реостат Rп (рис. 3, а), а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rрв.

Рис. 3. Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (а) и зависимость его магнитного потока Ф от тока Iя в обмотке якоря (б)

Рис. 4. Характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением: а - скоростные и моментная, б - механические, в - рабочие.

Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв равен или пропорционален (при включении реостата Rpв) току обмотки якоря Iя, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя (рис. 3, б).

При токе обмотки якоря Iя, меньшем (0,8-0,9) номинального тока Iном магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току Iя. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая - с увеличением тока Iя частота вращения n будет резко уменьшаться (рис. 4, а). Уменьшение частоты вращения n, происходит из-за увеличения падения напряжения IяΣRя. во внутреннем сопротивлении Rя. цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока Ф.

Электромагнитный момент М при увеличении тока Iя будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток Ф, т. е. момент М будет пропорционален току Iя. Поэтому при токе Iя, меньшем (0,8 Н- 0,9) Iном, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная - параболы.

При токах Iя > Iном зависимости М и п от Iя линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока Iя меняться не будет.

Механическая характеристика, т. е. зависимость n от М (рис. 4, б), может быть построена на основании зависимостей n и М от Iя. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением Rп получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3, при этом чем больше Rn, тем ниже располагается характеристика.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2 …. 0,25) Iном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Если принять, например, что кратковременный пусковой ток может в 2 раза превышать номинальный рабочий ток машины, и пренебречь влиянием насыщения, реакцией якоря и падением напряжения в цепи его обмотки, то в двигателе с последовательным возбуждением пусковой момент будет в 4 раза больше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбуждением - только в 2 раза больше.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорционально току, но все же пусковой момент двигателя с последовательным возбуждением при прочих равных условиях будет значительно больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.

Зависимости n и М от мощности Р2 на валу электродвигателя (рис. 4, в), как следует из рассмотренных выше положений, являются нелинейными, зависимости P1, Iя и η от Р2 имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным возбуждением.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 5, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения - параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения Iв1 и Iв2 = Iя

Поэтому

где Фпосл - магнитный поток последовательной обмотки, зависящий от тока Iя, Фпар - магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения Iв1).

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением (рис. 5, б) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки).

Рис. 5. Принципиальная схема электродвигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)

Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Фпосл=0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Фпар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос).

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последова­тельно в цепь якоря (рис. 29.9, а ), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I = I a = I в . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитно­го потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. Ф = k ф I a (k ф — коэффициент пропорциональности). В этом случае найдем электромагнитный момент:

Формула частоты вращения примет вид

. (29.15)

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики M = F(I) и n= (I) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигате­ля приобретают почти прямолинейный характер. Характери­стика частоты вращения двигателя последовательного возбуж­дения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а - принципиальная схема; б - рабочие характеристики; в - механические характеристики; 1 - естественная характеристика; 2 - искусственная характе­ристика

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного воз­буждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для дви­гателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последова­тельного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механиз­мом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ремен­ной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность ра­боты двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели по­следовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают ис­пытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20% сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50% сверх номинальной.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n=f(M) представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искус­ственная 2 ) обеспечивают двигателю последовательного возбуж­дения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значе­ние, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъем­ных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двига­теля с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя после­довательного возбуждения

, (29.16)

где n - частота вращения при нагрузке двигателя, составляю­щей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения U, либо маг­нитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат R рг (рис. 29.10, а ). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вра­щения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощно­сти двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в R рг . Кроме того, реостат R рг , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10, б ). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух дви­гателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей воз­можно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а ). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

Рис. 29.11. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения

Регулировать частоту вращения двигателя изменением маг­нитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом r рг , секционированием обмотки возбужде­ния и шунтированием обмотки якоря реостатом r ш . Включение реостата r рг , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в ), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к сниже­нию тока возбуждения I в = I a — I рг , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а ), применяется чаще и оценива­ется коэффициентом регули­рования

.

Обычно сопротивление рео­стата r рг принимается таким, чтобы k рг >= 50% .

При секционировании об­мотки возбуждения (рис. 29.10, г ) отключение части витков об­мотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунти­ровании обмотки якоря реоста­том r ш (см. рис. 29.10, в ) увели­чивается ток возбуждения I в = I a +I рг , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последователь­ного возбуждения

[ документ ]

Aсинхронный двигатель с фазным ротором [ документ ]

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором [ документ ]

Программа самообучения 69 Skoda Бензиновый двигатель FSI 3, 6 л / 191 кВт [ стандарт ]

Алексеев О.В. Генераторы высоких и сверхвысоких частот [ документ ]

Двигатель 6ГЧН22, 5/29, 5 [ документ ]

Конспект по самолету ИЛ-86. Самолет и двигатель. Часть 2 [ лекция ]

Конспект по самолету ИЛ-86. Самолет и двигатель. Часть 1 [ лекция ]

Тепловой, кинематический и динамический расчет 4-х тактного двигателя [ документ ]

Шпора - Электрические машины. Словарь терминов [ документ ]

1.doc

Домашние задание №2

(модуль 5)

«Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Назначение элементов. Принцип работы»

гр.ТП-07

Асмолкова О. А.

I семестр 2009
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Назначение элементов. Принцип работы
1.Устройство и назначение элементов двигателя постоянного тока .

Двигатель постоянного тока - электрическая машина , машина постоянного тока , преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Он состоят, как и все машины постоянного тока, из неподвижного статора с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором.

Статор машины постоянного тока состоит из цилиндрической станины (корпуса), полюсов с обмоткой возбуждения и подшипниковых щитов (рис. 2. 1 .). На станине укрепляються основные (главные) полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в двигателе. Главный полюс состоит из сердечника полюса, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. Станина 3 является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф. Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине между основными. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов – создавать дополнительное магнитное поле. Это нужно для того, чтобы щетки на коллекторе не искрились.

Якорем (ротором) называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. Якорь 5 двигателя постоянного тока состоит из стального вала, стального зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря (рис. 2. 1 .). Обмотки возбуждения необходимы для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (т. е. создани максимального момента на роторе). Характерной частью двигателя (или любой электрической машины) постоянного тока является коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин. Пластины коллектора также изолированы от вала двигателя. Проводниками они соединяются с нитками обмотки, размещенцой в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором. Коллектор в машинах постоянного тока служит для выпрамления переменной ЭДС, индуктируемой во вращающейся обмотке якоря, и для получения постоянного по направлению электромагнитного момента.

Рис. 2. 1. Устройство двигателя постоянного тока:

1 - обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3 - станина; 4 - полюсный наконечник; 5 - якорь; 6 - провод­ники якорной обмотки;

7 - зубчатый сердеч­ник якоря; 8 - воздушный зазор машины

2. Принцип работы двигателя постоянного тока

2.1 Общие сведения

При вращении обмотки якоря в неподвижном магнитном поле, в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся с частотой:

Где n - скорость вращения якоря.

При вращении якоря между любыми двумя точками обмотки якоря действует переменная ЭДС. Однако между неподвижными контактными щетками действует постоянная по величине и направлению ЭДС E , равная сумме мгновенных значений ЭДС, индуктированных во всех последовательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками.

Зависимость ЭДС Е от магнитного потока машины и скорости вращения якоря имеет вид:

При подключении обмотки якоря к сети с напряжением U , ЭДС Е будет приблизительно равна напряжению U , и скорость вращения ротора:

Следовательно, благодаря наличию коллектора при работе машины постоянного тока в двигательном режиме скорость вращения ротора не связана жестко с частотой сети, а может изменяться в широких пределах путем изменения напряжения U и магнитного потока Ф . Ось симметрии, разделяющая полюса машины постоянного тока, называется ее геометрической нейтралью.

При разомкнутой внешней цепи ток в обмотке якоря не будет протекать, т. к. ЭДС, индуктированные в двух частях обмотки якоря, расположенных по обе стороны геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов, где и следует устанавливать щетки. При вращении якоря точки смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует ЭДС Е , поэтому ЭДС во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Для уменьшения пульсаций ЭДС при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую в каждую параллельную ветвь обмотки якоря обычно включается не менее 16 активных проводников.

На якорь, по обмотке которого протекает ток I , действует электромагнитный момент:

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим.

2.2 Реакция якоря двигателя постоянного тока

При холостом ходе магнитный поток в двигателе создается только НС ^ F в обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Ф в при неизменном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин.

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, и НС якоря создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря . Магнитный поток Ф aq , созданный НС якоря F aq в двухполюсной машине при установке щеток на нейтрали направлен по поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия потока Ф aq симметричное распределение магнитного поля машины искажается, и результирующий поток Ф рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов. При этом физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол β (рис.2.2 ). В двигателях физическая нейтраль смещается против направления вращения.

На основании закона полного тока НС якоря, действующая в воздушном зазоре на расстоянии x от оси главных полюсов определится выражением:

Следовательно, НС якоря F aq изменяется линейно вдоль его окружности; под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. Магнитная индукция в воздушном

^ Рис2.2 - Магнитное поле двигателя постоянного тока: а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее (Ф в - магнитный поток при х.х.; Ф aq - магнитный поток, созданный НС якоря; Ф рез - результирующий поток; а-а - геометрическая нейтраль; б-б - физическая нейтраль; β – угол смещения нейтрали б-б)

Зазоре при ненасыщенной магнитной системе:

Где - величина воздушного зазора в точке x.

2.3 Момент двигателя постоянного тока

Если обмотку возбуждения и якорь двигателя подключить к сети постоянного тока напряжением ^ U то, возникает электромагнитный вращающий момент М эм . Полезный вращающий момент М на валу двигателя меньше электромагнитного на значение противодействующего момента, со­здаваемого в машине силами трения и равного моменту М х в режиме х.х., т. е. М = М эм -М х .

Пусковой момент двигателя должен быть больше статического тормозного М т в состоянии покоя ротора, иначе якорь двигателя не начнет вращаться. В установившемся режиме (при n = соnst) имеет место равновесие вращающего М и тормозного М т моментов:

М = М эм – М х = М т

Из механики известно, что механическая мощность двигателя мо­жет быть выражена через вращающий момент и угловую скорость

Следовательно, полезный вращающий момент двигателя ^ М (Н м), выраженный через полезную мощность Р (кВт) и частоту вращения n (об/мин),

М =9550P/n

Обсудим некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя следует, что

I я = (U -- E)/R я

В рабочем режиме ток якоря I я ограничивается э. д. с. E , если n приблезительно равно n ном . В момент пуска п = 0, э. д. с. Е = 0 и пусковой ток I п = U / R я в 10-30 раз больше номинального. Поэтому прямой пуск двигателя, т. е. непосредственное включение якоря на напряжение сети, недо­пустимо. Чтобы ограничить большой пусковой ток якоря, перед пуском последовательно с якорем включается пусковой реостат R п с небольшим сопротивлением. В этом случае при Е = О

I п =U/(R я – R п ) << U/R я

Сопротивление реостата R п выбирается по допустимому току якоря.

По мере разгона двигателя до номинальной частоты вращения э. д. с. Е увеличивается, а ток уменьшается и пусковой реостат по­степенно и полностью выводится (пусковые реостаты рассчитываются на кратковременное включение). Регулировочный реостат R рег в цепи возбуждения с относительно большим сопротивлением (десятки и сотни Ом) перед пуском двигателя полностью выводится, чтобы при пуске ток возбуждения и магнитный поток статора Ф были номинальными. Это приводит к увеличению пус­кового момента, который обеспечивает быстрый и легкий разгон двигателя.

После пуска и разгона наступает установившийся режим работы двигателя, при котором тормозной момент на валу ^ Мт будет уравнове­шиваться моментом, развиваемым двигателем М эм , т. е. М эм == М т (при n = со nst . )

Электродвигатели постоянного тока могут восстанавливать нарушенный изменением тормозного момента установившийся режим работы, т. е. могут развивать вращающий момент М , равный новому значению тормозного момента М т при соответственно новой частоте вращения n ".

Действительно, если тормозной момент нагрузки М т окажется больше вращающего момента двигателя М эм , то частота вращения якоря уменьшится. При постоянных напряжении U и потоке Ф это вызовет уменьшение э. д. с. Е якоря, увеличение тока якоря и вращающего момента до наступления равновесия, при котором М эм = М т и n " < n . При уменьшении тормозного момента до М т аналогично наступает установившийся режим работы при М эм = М т" и n "> n " . Таким образом, двигатели постоянного тока обладают свойством саморегулирования - могут развивать вращающий момент, равный тормозному.

2.4 Регулирование частоты

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока определяется на основании уравнения электрического состояния U = Е R я I я после подстановки в него э. д. с. Е = сФ n :

Падение напряжения в якоре R я I я небольшое: при номинальной нагрузке оно не превышает 0,03 - 0,07 U ном .

Таким образом, частота вращения двигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному напряжению сети и обратно пропорциональна магнитному потоку статора. Регулировать частоту вращения двигателя можно двумя способами: изменяя поток статора Ф или напряжение U подводимое к двигателю. Регулирование частоты вращения изменением магнитного поля машины осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения двигателя. Изме­нение подводимого к двигателю напряжения производится регулиро­ванием напряжения источника.

Можно ввести дополнительный реостат в цепь якоря. В этом случае пусковой реостат заменяется пускорегулирующим R пр Такой реостат выполняет функции как пускового реостата, так и регулиро­вочного. Уравнение частоты вращения якоря двигателя постоянного тока при этом имеет вид

Отсюда следует, что регулирование частоты вращения двигателя можно осуществить, изменяя напряжение сети, сопротивление пускорегулирующего реостата или поток статора.

Реверсирование двигателей. Из уравнения вращающего момента двигателя М эм = k Ф I я вытекает, что реверсирование, т. е. изменение направления вращения якоря, может быть осуществлено изменением направления тока в обмотке возбуждения (потока Ф ) или тока якоря.

Для реверсирования двигателя «на ходу» изменяют направление тока якоря (переключением якорных выводов), а обмотку возбужде­ния не переключают, так как она обладает большой индуктивностью и разрыв ее цепи с током недопустим. Реверсирование отключенного двигателя осуществляется и изменением направления тока в обмотке возбуждения (переключением ее выводов).
3. Двигатель с последовательным возбуждением

В двигателе с последовательным возбуждением (рис.2.3а ) ток возбуждения равен току якоря: I в =I а , поэтому магнитный поток Ф является функцией тока нагрузки I а . Характер этой функции изменяется в зависимости от величины нагрузки. При I a <(0,8...0,9) I ном , когда магнитная система ненасыщенна, Ф=к ф I а , причем коэффициент пропорциональности К ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании нагрузки поток Ф растет медленнее, чем I a >I ном ) можно считать, что Ф=const . В соответствии с этим изменяются и зависимости n=f(I a ), M=f(I a ) (рис. 2.3.б ).

Рис. 2.3. - а) схема двигателя с последовательным возбуждением; б) зависимости его момента и скорости вращения от тока якоря (I я – ток якоря; I в – ток возбуждения; r n – сопротивление нагрузки;
n – скорость вращения; 1 – естественная характеристика; 2,3 - реостатные характеристики соответствующие различным значениям добавочного сопротивления r n ).

Кроме естественных характеристик 1, можно путем включения добавочных сопротивлений r n в цепь якоря получить семейство реостатных характеристик 2, 3, и 4. Чем больше величина r n , тем ниже располагается характеристика.

При малых нагрузках скорость n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в "разнос"). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке.

При жесткой характеристике скорость вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность:

, где С 4 - постоянная.

При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:

, где - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р 2 , а, следовательно, мощность Р 1 и ток I a изменяются у двигателей с последовательным возбуждением в меньших пределах, чем у двигателя с параллельным возбуждением, кроме того, они лучше переносят перегрузки.