Основное уравнение двигателя постоянного тока имеет вид. Общие сведения о двигателях постоянного тока. Принцип действия генератора и двигателя

17.08.2018

Устройство:

1. Статор (индуктор).

2. Ротор (якорь).

В статор входит: корпус, магнитопровод в виде полюсов, на которых расположена обмотка возбуждения.

Индуктором называют ту часть машины, которая предназначена для создания магнитного поля.

В ротор входит: вал, магнитопровод, в пазах которого расположена обмотка, и коллектор со щетками.

Вам просто нужно помнить, что большинство физических моделей, будь то механических или электрических, можно описать с помощью набора уравнений. Поэтому для желаемого механического поведения просто найдите эквивалентную электрическую схему, описываемую аналогичными уравнениями. Затем назначьте механические параметры соответствующим значениям электрических компонентов, и вы будете готовы имитировать.

Уравнения ЭДС якоря и вращающего момента

Двигатель преобразует ток электрической якоря в механический момент, приложенный к валу. Сравнивая приведенные выше уравнения, вы можете увидеть механические и электрические эквиваленты. Это напряжение, генерируемое на клеммах двигателя, когда обмотки движутся через магнитное поле двигателя. Обратная э.д.с. фактически противостоит напряжению привода и пропорциональна скорости двигателя.

Условное обозначение:

Схемы ДПТ с различными типами возбуждения:

Принцип работы:

U В → I В → Ф;

где I В - ток возбуждения; I Я - ток якоря.

Взаимодействие тока якоря с магнитным потоком Ф статора создает вращающий момент :

Последний этап модели просто преобразует угловую скорость ω в угловое положение θ через соотношение. Хорошо, давайте создадим модель двигателя. Ниже приведены параметры с первого взгляда. Перед тем, как запустить двигатель, вот краткое описание переменных схемы.

Принцип действия генератора и двигателя

Сколько крутящего момента требуется для достижения этой скорости? Но почему ток двигателя должен быть обратным, на него не подается напряжение. Это действие обратного момента называется динамическим торможением. Как насчет углового положения вала? Что вы ожидаете от него?

где С М - конструктивный коэффициент.

Под действием М ротор начинает вращаться, пересекая при этом силовые линии магнитного поля, вследствие чего в нем индуктируется ЭДС, которую называют ЭДС вращения:

Основные уравнения ДПТ:

Ими являются уравнения электрического равновесия ротора:

где - падение напряжения в цепи якоря;- ЭДС вращения.

Когда 10 В будет удалено, изменение положения замедляется до его остановки. Вы можете имитировать это, увеличивая инерцию. Сколько времени требуется для достижения полной скорости? Хотите быстрее достичь полной скорости? Покупайте двигатель с более высокой постоянной вращающего момента. Вы должны увидеть пару приятных эффектов: во-первых, двигатель получает полную скорость за меньшее время и во-вторых, длительность пускового тока уменьшается!

Источник тока с контролируемым напряжением генерирует напряжение, представляющее крутящий момент. Вы можете ощущать ток с помощью любого независимого источника напряжения. Обычно это значение равно 0 В, этот источник не влияет на схему. Источник тока с контролируемым током делает копию тока, представляющего угловую скорость, интегрируемой в значение углового положения.

Из этой формулы получаем практически важное соотношение:

Подставим вместо

И получим:

По этому выражению можно построить механическую характеристику ДПТ n = f(M), задаваясь нагрузкой, т. е. М, можно найти соответствующую ей частоту вращения. Если при этом U = U ном, Ф = Ф ном имеем естественную механическую характеристику.

На практике сопротивление якоря в основном очень низкое, обычно около 5 Ом. Поэтому при запуске большой ток течет через якорь. Этот ток достаточно велик, чтобы повредить цепь якоря. Из-за этого чрезмерного пускового тока. Эти проводники лежат в магнитном поле воздушного зазора. Таким образом, каждый проводник испытывает силу. Проводники расположены вблизи поверхности ротора с общим радиусом от его центра. Следовательно, крутящий момент создается вокруг окружности ротора, и ротор начинает вращаться.

Когда машина работает как генератор с постоянной скоростью, этот крутящий момент равен и противоположно тому, который обеспечивается первичным двигателем. Когда машина работает как двигатель, крутящий момент передается на вал ротора и управляет механической нагрузкой. Выражение такое же для генератора и двигателя.

Механическая характеристика ДПТ:

Точка «1» - холостой ход; координаты М = 0, n = n 0 ;

«2» - номинальный режим; координаты М н, n н;

«3» - предельно-допустимая кратковременная нагрузка.

Участок 1–2 - допустимая длительная работа.

Участок 2–3 - допустимая только кратковременная работа.

Этот крутящий момент создается благодаря электромагнитному эффекту, поэтому его называют электромагнитным моментом. Крутящий момент, создаваемый в арматуре, не полностью используется на валу для выполнения полезной работы. Некоторая его часть потеряна из-за механических потерь.

Крутящий момент, который используется для полезной работы, известной как момент вращения вала. Общая электрическая мощность, подаваемая на якорь = Механическая мощность, создаваемая потерями якоря из-за сопротивления якоря. Таким образом, уравнение крутящего момента дается как.

Обычно I я доп =(2 ÷ 2,5)I я ном.

Регулирование скорости ДПТ:

где - сопротивление якорной цепи.

Откуда вытекает возможность регулирования скорости тремя способами: , , .

1. Рассмотрим искусственные механические характеристики при регулировании скорости, изменением подводимого .

Таким образом, из приведенного выше уравнения ясно, что вращающий момент, создаваемый в якоре, прямо пропорционален потоку на полюс и ток якоря. Кроме того, направление электромагнитного крутящего момента, развиваемого в арматуре, зависит от тока в арматурных проводниках. Если одно из двух обращено, направление создаваемого вращающего момента меняется на противоположное и, следовательно, направление вращения. Но когда оба обращены, и направление крутящего момента не меняется.

Перечислите части шунтирующего двигателя постоянного тока. Нарисуйте схемы соединений для шунтирующих и составных двигателей. Определите крутящий момент и скажите, какие факторы влияют на крутящий момент шунтирующего двигателя постоянного тока. Опишите эффекты увеличения нагрузки на ток якоря, крутящий момент и скорость шунтирующего двигателя постоянного тока.

Очевидно, что по условиям эксплуатации двигателя возможно изменение только в сторону уменьшения , а, следовательно, скорость двигателя можно регулировать только вниз, при этом скорость холостого хода (точка «1») снижается.

Характеристики примут вид:

Перечислите характеристики регулирования скорости, крутящего момента и скорости вращения шунтирующего двигателя постоянного тока. Производство электрической энергии и ее преобразование в механическую энергию в электродвигатели всех типов являются основой нашей промышленной структуры.

Фактически, трудно идентифицировать их только по внешнему виду. Полевая структура двигателя имеет по меньшей мере две пары полюсов поля, хотя также используются двигатели с четырьмя парами полюсов поля. Сильное магнитное поле обеспечивается обмотками возбуждения отдельных полюсов поля. Магнитная полярность полевой системы устроена так, что полярность любого конкретного полюса поля противоположна полярности полюсов, примыкающих к ней.

Если нагрузка на двигателе представлена характеристикой М С, то изменяя напряжение от доможно получить различные частоты вращения отn А до n А3 .

2. Регулирование скорости путем изменения величины магнитного потока.

Величину магнитного потока можно изменять с помощью тока I В, например реостатом, только в сторону уменьшения. Уменьшение магнитного потока приведут к увеличению скорости. Таким образом посредством магнитного потока можно регулировать скорость только вверх.

Арматура двигателя представляет собой цилиндрическую железную конструкцию, установленную непосредственно на валу двигателя. Обмотки арматуры встроены в пазы на поверхности якоря и заканчиваются в сегментах коммутатора. Ток подается на эти обмотки на вращающейся арматуре с помощью угольных щеток, которые прижимаются к сегментам коммутатора. Этот ток в арматуре создает магнитное поле в якоре, которое действует с магнитным полем полюсов поля. Эти магнитные эффекты используются для создания крутящего момента, который заставляет якорь вращаться.

3. Рассмотрим механические характеристики при регулировании скорости, изменением сопротивления якорной цепи.

Коммутатор изменяет направление тока в проводниках якоря, когда они проходят через полюсы противоположной магнитной полярности. Непрерывное вращение в одном направлении является результатом этих разворотов в токе якоря. Широко используются шунтовые, серийные, составные и двигатели с постоянными магнитами. Принципиальная схема для каждого типа двигателей показана на рисунке. Выбор типа используемого двигателя зависит от механических требований приложенной нагрузки. Шунтирующий электродвигатель имеет полевую схему, подключенную к шунту с якорем, в то время как серийный двигатель имеет последовательно цепь якорей и поля.

не зависит от R п, следовательно искусственные характеристики имеют общую точку .

Ток при пуске когда n = 0 и E = 0 имеет вид и достигает недопустимо больших значений, что не позволяет запустить двигатель. Для уменьшения пусковых токов вводят в цепь якоря добавочное сопротивление:

Ток уменьшается и характеристика имеет вид:

Составной двигатель имеет как шунт, так и обмотку серии. Двигатель с постоянным магнитом имеет только арматурные соединения. Больной. 4 Собранный двигатель постоянного тока мощностью 25 л.с. Узел катушки эквалайзера арматуры. Коммутатор подключается к арматуре.

Вращающаяся сила на валу двигателя, создаваемая взаимодействием магнитных полей якоря и полюсов поля, называется крутящим моментом. Величина крутящего момента увеличивается по мере увеличения силы скручивания вала. Крутящий момент определяется как произведение силы в фунтах и радиус вала или шкива в футах.

Принцип действия (на примере двигателя параллельного возбуждения). Если к двигателю подведено напряжение U, то по цепи возбуждения протекает ток I в, а по цепи якоря – ток I я. Ток возбуждения создает МДС F в = I в W в, которая возбуждает в машине магнитный поток Ф в. Ток якоря, в свою очередь, создает магнитный поток реакции якоря Ф я. Результирующий магнитный поток Ф рез = Ф в + Ф я.

Например, двигатель, который создает тангенциальную силу 120 фунтов на поверхности вала диаметром 2 дюйма или радиусом 1 дюйм, имеет крутящий момент 10 фут-фунтов. Крутящий момент в двигателе зависит от магнитных сил поля и арматуры. Поскольку поле якоря зависит от тока якоря, крутящий момент увеличивается по мере увеличения тока якоря и, следовательно, силы магнитного поля якоря.

Необходимо различать крутящий момент, создаваемый двигателем при работе с номинальной скоростью и крутящим моментом, развиваемым в момент запуска двигателя. Некоторые типы двигателей имеют высокий крутящий момент при номинальной скорости, но низкий пусковой момент. Многие типы нагрузок, которые могут быть применены к двигателям, означают, что характеристика крутящего момента должна учитываться при выборе двигателя для конкретной установки.

Рис.1.23 Рис. 1.24

В цепи якоря ток I я создает падение напряжения R я I я. В соответствии с законом электромагнитной силы ЭМС при взаимодействии тока I я и магнитного потока Ф рез создается вращающий момент М вр. В установившемся режиме М вр. = М пр. Когда проводники якоря пересекают магнитное поле Ф рез, в них в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭМИ наводится ЭДС, которая направлена против напряжения сети U.

Пусковой ток двигателя постоянного тока намного выше, чем рабочий ток, когда двигатель работает с номинальной скоростью. При подаче питания сила якоря меньше, а ток якоря ограничен только очень низким сопротивлением цепи якоря. Когда двигатель достигает номинальной скорости, ток уменьшается до тех пор, пока двигатель не достигнет номинальной скорости. В этот момент ток якоря прекращается и остается постоянным.

Амперметр с нулевым центром, подключенный в цепи, указывает количество и направление тока на двигатель. Когда сетевой выключатель разомкнут, ток в какой-либо части цепи отсутствует. Когда выключатель закрыт, лампа мгновенно загорается, и амперметр регистрирует высокий ток на двигателе. Ток двигателя уменьшается, когда скорость двигателя увеличивается и остается постоянной, когда двигатель достигает своей номинальной скорости. В тот момент, когда выключатель открывается, отклонение амперметра меняется на противоположное.

Классификация двигателей. По схеме включения обмоток возбуждения главных полюсов двигатели постоянного тока делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

В двигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного напряжения. В двигателях параллельного возбуждения обмотка возбуждения и обмотка якоря включены параллельно и питаются от одного источника. В двигателях последовательного и смешанного возбуждения есть обмотка возбуждения, включенная последовательно с обмоткой якоря. В двигателях малой мощности поток возбуждения может быть создан с помощью постоянных магнитов. Наибольшее применение находят двигатели параллельного и смешанного возбуждения.

Лампа продолжает светиться, но становится тускнеющей, когда скорость двигателя падает. Больной. 6 Демонстрация противодействующей э.д.с. Из этой демонстрации можно сделать два вывода. Электродвигатель постоянного тока развивает индуцированное напряжение при вращении.

Направление индуцированного напряжения противоположно направлению приложенного напряжения и по этой причине называется счетчиком э.д.с. Поскольку крутящий момент или скручивание усиливает вращение якоря, проводные катушки якоря срезают магнитный поток основного поля, как в генераторе. Это действие индуцирует напряжение в обмотках якоря, которое противостоит линейному напряжению.

Основные уравнения и величины, характеризующие двигатели. Такими величинами являются: механическая мощность на валу Р 2, питающее напряжение U, ток, потребляемый из сети I, ток якоря I я, ток возбуждения I в, частота вращения n, электромагнитный момент М эм. Зависимость между этими величинами описывается:

Ø уравнением электромагнитного момента:

Пусковой ток очень высокий, потому что только омическое сопротивление якоря ограничивает ток. Величина напряжения, которая фактически заставляет ток через двигатель, равна разности между приложенным напряжением и счетчиком ЭДС. При номинальной скорости этот разность потенциалов будет поддерживать двигатель только на постоянной скорости. Когда механическая нагрузка затем прикладывается к валу двигателя, уменьшаются как скорость, так и счетчик. Однако разность напряжений увеличивается и вызывает увеличение входного тока двигателя.

Любое дальнейшее увеличение механической нагрузки приводит к пропорциональному увеличению входного тока. Увеличение тока двигателя из-за увеличения механической нагрузки также можно объяснить с точки зрения крутящего момента. Поскольку крутящий момент зависит от силы магнитного поля якоря, который, в свою очередь, зависит от тока якоря, любое увеличение механической нагрузки потребует увеличения тока якоря.

М эм = С м I я Ф;

Ø уравнением электрического состояния цепи якоря:

U = Е пр + R я I я; (1.4)

Е пр = С E nФ;

Ø уравнением моментов:

М эм = М с + М пот + М д,

где М с – момент сопротивления на валу, создаваемый нагрузкой; М пот – момент потерь, создаваемый всеми видами потерь в двигателе; М д – динамический момент, создаваемый инерционными силами;

Характеристики двигателей. Важнейшей из характеристик является механическая n (М с) – зависимость частоты вращения n от момента на валу (далее индекс «с» опускается) при U = const, I в = const. Она показывает влияние механической нагрузки (момента) на валу двигателя на частоту вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей. Другие характеристики двигателей: регулировочная n (I в), скоростная n (I я), рабочие М, Р 1, n , I, h(Р 2) – здесь подробно не рассматриваются.

Механические характеристики могут быть естественными и искусственными. Под естественными характеристиками понимаются характеристики, снятые при отсутствии в схеме каких-либо дополнительных сопротивлений, например, реостатов в цепях якоря или возбуждения, искусственными – при наличии таких сопротивлений.

Уравнение механической характеристики двигателя. Оно может быть получено из (1.1). Подставим вместо Е ее значение в (1.4), тогда

n = (U – R я I я)/С Е Ф. (1.5)

Заменяя I я его значением из (1.2), получаем уравнение механической характеристики:

n = (1.6)

Вид механической характеристики определяется характером зависимости потока отнагрузки двигателя, что в свою очередь зависит от схемы включения обмотки возбуждения.

Реверсирование двигателя. Под реверсированием двигателя понимают изменение направления вращения его якоря. Возможные способы реверсирования вытекают из соотношения (1.2). Если изменить направление тока якоря или потока машины, то знак, а следовательно, и направление вращающего момента изменяется. Практически это достигается переключением выводов или обмотки якоря, или обмотки возбуждения. Однако одновременное переключение выводов обеих обмоток или изменение полярности питающего двигатель напряжения (кроме двигателя независимого возбуждения) к изменению знака вращающего момента и, следовательно, к изменению направления вращения не приводит.

Пуск в ход двигателей постоянного тока. К пуску двигателей предъявляются два основных требования: обеспечить необходимый для трогания с места и разгона якоря вращающий момент и не допустить при пуске протекания через якорь чрезмерно большого тока, опасного для двигателя. Практически возможны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в первый момент пуска якорь неподвижен (n = 0), то противо-ЭДС отсутствует (Е пр = С Е nФ). Тогда из (1.4) следует, что пусковой ток якоря I я,п = U/R я.

Так как R я = 0,02 ¸ 1,10 Ом, то I я,п = (50 ¸100) I ном, что недопустимо. Поэтому прямой пуск возможен только у двигателей малой мощности, где I я,п (4¸6) I ном и разгон двигателя длится менее 1 с.

Пуск при включении пускового реостата R п последовательно с якорем рассмотрим на примере схемы рис. 1.25. Пусковой ток в этом случае равен:

I я,п = U/(R я + R п). (1.7)

Сопротивление R п = U/ I я,п – R я выбирают таким, чтобы в начальный момент пуска, когда Е пр = 0, I я,п = (1,4¸2,5) I ном (большее число относится к двигателям меньшей мощности).

По мере разгона якоря возрастает Е пр, которая снижает напряжение на якоре (т.е. уменьшается числитель (1.7)), а сопротивление реостата R п выводится.

Перед пуском реостат R р выводится, что необходимо для обеспечения максимального потока и, следовательно, момента при пуске (М п = С м I я,п Ф). По мере разгона якоря реостат R р вводится до достижения требуемой частоты вращения.

Пуск с ограниченным пусковым током возможен при питании якоря двигателя от отдельного источника (генератора, выпрямителя) с регулируемым напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от нуля до требуемого значения.

Рассматриваемый метод находит применение в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока (см. п.1.14.3).