Краткие сведения из теории

Электрические машины постоянного тока обладают свойством обратимости, т.е. могут работать в режиме генератора электричес­кой энергии и в режиме двигателя. Принцип действия двигателя постоянного тока основан на взаимодействии проводника, в кото­ром протекает ток, с магнитным полем электромагни­тов. В результате взаимодействия будут возникать механические силы, направление которых легко определить правилом левой ру­ки. Для того, чтобы пары сил создали вращающие моменты в одном направлении, необходимо, чтобы под всеми северными полюсами в обмотке якоря был ток одного направления, а под южным – другого. Эту задачу выполняет коллектор двигателя постоянного тока, пе­риодически изменяющий направление тока в витках обмотки якоря. Из этого вытекает принципиальная возможность изменения напра­вления момента вращения, а, следовательно, и направление враще­ния двигателя при помощи: а) изменения направления тока в об­мотке якоря; б) изменения направления тока в обмотке возбужде­ния.

При одновременном изменении направления тока в якоре и в обмотке возбуждения направление вращения не изменится. Величина вращающего момента М прямо пропорциональна току якоря I_Я и величине магнитного потока Ф, создаваемого электромагни­тами, т.е.

M = C_M × I_Я × Ф,

где С_M - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины постоянного тока.

При работе двигателя постоянного тока, работе генерато­ра, в обмотке якоря индуктируется эдс

E_Я = C_Е × Ф × n,

где n - число оборотов двигателя; С_E - постоянный коэф­фициент, зависящий от конструкции машины постоянного тока. Для двигателя направление этой эдс будет противоположным нап­равлению приложенного от сети напряжения, поэтому она назы­вается противоэлектродвижущей силой двигателя. В отличие от генератора противоэлектродвижущая сила двигателя будет мень­ше приложенного от сети напряжения на величину падения нап­ряжения в якоре машины. Таким образом, для двигателя имеем

U = E_Я + I_Я × R_Я,

откуда

В начальный момент пуска двигателя постоянного тока, когда n = 0, противоэлектродвижущая сила E_Я = 0, вследствие чего ток в цепи якоря резко возрастет, будучи ограниченным только небольшим сопротивлением обмотки якоря. Чтобы уменьшить ток в момент пуска электродвигателя, последователь­но с обмоткой якоря включают специальный пусковой реостат. Соп­ротивление пускового реостата определяют из условия, что пуско­вой ток I_ЯН не должен превышать (1,5... 2,5) I_Я.Н.

Тогда

Выражение для числа оборотов двигателя с параллельным возбуждением имеет вид:

,

т.е. скорость вращения двигателя будет прямо пропорциональна подведенному к зажимам якоря напряжению и обратно пропорциональ­но величине магнитного потока.

Таким образом, регулирование числа оборотов у двигателя постоянного тока может быть осуществлено либо при помощи изме­нения напряжения на зажимах якоря, либо изменением ве­личины магнитного потока Ф. На практике используют как первый, так и второй способ в зависимости от применяемого типа двигате­ля постоянного тока.

Пуск в ход двигателя с параллельным возбуждением, принци­пиальная схема которого дана на рис.4.2, производится с включенным в цепь якоря пусковым реостатом Пр1. Как видно из схемы, обмот­ка возбуждения двигателя подключается почти к полному напряже­нию в сети. Вследствие того, что величина магнитного потока полюсов Ф прямо пропорциональна напряжению U, можно сделать вы­вод, что в процессе работы магнитный поток для двигателей с па­раллельным возбуждением остается почти неизменным. Механическая характеристика такого двигателя «жесткая».

Рисунок 4.2 - Схема включения двигателя параллельного возбуждения

Регулирование числа оборотов двигателя с параллельным воз­буждением при помощи изменения напряжения на зажимах якоря осуществляется изменением сопротивления регулировочного реостата, включенного последовательно с якорем на долговременную работу (реостатное регулирование). Такое регулирование неэкономично, т.к. обуславливает значительную мощность потерь R_Я · I_Я².

Регулирование оборотов двигателя изменением величины маг­нитного потока (полюсное регулирование) на практике осуществляется при помощи регули­ровочного реостата R_B, включенного в цепь обмотки возбужде­ния. Такое регулирование экономично, т.к. ток возбуждения I_В относительно мал, но значительное увеличение оборотов может обусловить перегрузку коллектора и якоря по току.

Пуск в ход двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (сериес - двигатель), принципиальная схема которого дается на рис.4.3, в основном аналогичен пуску двигателей с па­раллельным возбуждением. Однако в отличие от шунтовых двига­телей работа сериес-двигателя в режиме холостого хода недо­пустима.

Действительно, число оборотов для двигателя с последова­тельным возбуждением может быть определено по формуле:

Для двигателя с последовательным возбуждением ток якоря явля­ется и током возбуждения. При I_Я ® 0 будет I_В ® 0, следовательно, магнитный поток Ф будет стремиться к нулю. Как видно из приведенной формулы при Ф ® 0, U = const и R_Я = const, число оборотов n ® ¥, т.е. двигатель пойдет в «разнос».

Рисунок 4.3 - Схема включения двигателя последовательного

Возбуждения

К особенностям двигателя с последовательным возбуждением отно­сится то, что его скорость вращения не является постоянной как у параллельного двигателя, а зависит от нагрузки. При больших механических нагрузках, а, следовательно, и больших токах якоря I_Я благодаря росту падения напряжения на якоре I_Я × R_Я и особенно росту потока Ф скорость двигателя будет резко уменьшаться. Механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением «мягкая».

Основным достоинством двигателей с последовательным возбуждением является способность создавать большой вращаю­щий момент при сравнительно небольших токах в якоре. Эта осо­бенность двигателей в сочетании с их скоростной характеристи­кой обеспечила им широкое применение на электротранспорте, в кранах, в насосах.

Регулирование числа оборотов при помощи регулировочного реостата в цепи якоря принципиально не отличается от регули­рования для двигателя с параллельным возбуждением и является неэкономичным. На практике, особенно в электротяге, чаще ре­гулирование осуществляется при помощи шунтирования обмотки возбуждения, благодаря чему изменяется величина магнитного потока. В этом случае, согласно первому закону Кирхгофа, мож­но записать (см. рис.4.3)

I_Я = I_B + I_Ш,

где I_В – ток последовательной обмотки; I_Ш – ток в цепи регулировочного реостата, подключенного параллельно последова­тельной обмотке. Так как с уменьшением R_Ш увеличивается ток I_Ш и уменьшается ток I_В, а следовательно, и магнитный поток Ф, то скорость двигателя при этом будет возрастать.

Тест к зачету по лабораторной работе № 4

УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ:

4.1. А) станина

Б) сердечник основного полюса

В) дополнительный полюс

Г) коллектор

Д) обмотка якоря

Е) сердечник якоря

Ж) обмотка возбуждения

З) вал

И) щетки

К) полюсный наконечник

УКАЖИТЕ НОМЕР ПРАВИЛЬНОГО ОТВЕТА:

4.2. ЯКОРЬ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ВРАЩАЕТСЯ ЗА СЧЕТ

1) внешних механических сил 2) взаимодействия I_я и Ф

3) взаимодействия I_в и Ф 4) взаимодействия Е_я и Ф

4.3. КОЛЛЕКТОР В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ СЛУЖИТ ДЛЯ

1) выпрямления тока якоря 2) изменения направления тока якоря

3) выпрямления Е_я 4) создания магнитного потока

4.4. ДОПУЩЕНА ОШИБКА В ФОРМУЛЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ДВИГАТЕЛЯ

1. 2.

3. 4.

1. Ф₁ > Ф₂ > Ф₃ > Ф₄

2. Ф₁ < Ф₂ < Ф₃ < Ф₄

3. Ф₁ < Ф₂ < Ф_НОМ; Ф₃ = Ф₄ = Ф_ном

4. Ф₁ > Ф₂ > Ф_НОМ; Ф₃ = Ф₄ = Ф_НОМ

4.6. ЧТОБЫ ПРИ ПУСКЕ I_ЯП = 2,0 · I_НОМ НАДО В ЦЕПЬ ЯКОРЯ ВКЛЮЧИТЬ ПУСКОВОЙ РЕОСТАТ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

1.

2. 0,65 Ом

3. 0,55 Ом

4. 0,45 Ом

УКАЖИТЕ НОМЕР НЕПРАВИЛЬНОГО ОТВЕТА:

4.7. ЕСЛИ ПРИ М = const ПЕРЕДВИНУТЬ ДВИЖОК РЕОСТАТА ВНИЗ, ТО

1.

2. I_В уменьшится

3. n уменьшится

4. Ф увеличится

4.8. ЕСЛИ ПРИ М = const ПЕРЕДВИНУТЬ ДВИЖОК РЕОСТАТА ВНИЗ, ТО

1.

2. n увеличится

3. Ф уменьшится

4. Е_Я увеличится