Машины постоянного тока

Электрические машины, обмотка якоря которых связана с внешней сетью постоянного тока через коллектор (механический выпрямитель), называются машинами постоянного тока.

Машины постоянного тока относятся к обратимым, т.е. работают как в двигательном, так и в генераторном режиме. В качестве двигателя используются в электрическом транспорте, в электрических приводах с плавным регулированием частоты вращения в большом диапазоне, в металлургических приводах. В режиме генератора используются для питания локальных сетей промышленного и транспортного назначения, для питания автономных промышленных и технологических установок, для питания обмотки возбуждения станционных синхронных генераторов (СГ).

Устройство машины постоянного тока.

Основными элементами устройства машины постоянного тока являются корпус, проводящий основной магнитный поток. На корпусе (остове) крепятся основные и дополнительные полюса. Основные полюса питаются постоянным током и предназначены для создания основного магнитного потока машины постоянного тока. Дополнительные полюса предназначены для уменьшения искрения при коммутации секций обмотки якоря машины постоянного тока.

Ротор (якорь) представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в пазы которого укладывается обмотка якоря, по которой протекает переменный ток. Выводы секции обмотки якоря соединены с коллекторными пластинами. Коллектор состоит из, изолированных друг от друга и от втулки, медных коллекторных пластин. Токосъем с коллектора осуществляется при помощи графитовых щеток, укрепленных на специальных траверсах и прижимаемых к коллекторным пластинам нажимаемыми пружинами. Провода от щеток выводятся на клеммы коробки выводов машины постоянного тока.

Принцип действия машины постоянного тока.

В генераторном режиме постоянное напряжение подается на главные полюса, далее якорь (ротор) приводится во вращение при помощи приводного двигателя. При вращении якоря в постоянном поле в проводниках якоря наводится ЭДС. Проводники каждой секции обмотки якоря при переходе соответствующих им коллекторных пластин через щеточный контакт изменяют свою полярность относительно основного магнитного поля. То есть ток в них меняет свое направление на обратное. Вместе с тем направление тока между коллекторными пластинами остается неизменно.

Процесс изменения направления тока в секциях якорной обмотки при их переходе через щеточный контакт называется коммутацией. При переключении контуров в процессе коммутации возникает энергия разрыва, сопровождаемая процессом искрения в месте щеточно-коллекторного контакта. Для сглаживания энергии, вызывающей искрения, используются компенсирующие магнитные поля, создаваемые дополнительными полюсами.

Величина ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока определяется формулой:

(1)

-постоянная, зависящая от конструкции.

Величина момента, развиваемого якорем машины постоянного тока, определяется формулой:

(2)

Уравнения баланса напряжений и ЭДС имеют вид:

а) для двигателя

(3)

б) для генератора

(4)

Магнитная цепь машины постоянного тока.

Состоит из следующих участков (путь магнитного потока):

- ярма основного полюса;

- полюсного наконечника;

- воздушного зазора;

- корпуса;

- ярма другого главного полюса;

- полюсного наконечника другого полюса;

- воздушного зазора другого полюса;

- зубцов якоря;

- ярма якоря.

Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производится по методике, совершенно аналогичной магнитной цепи синхронной машины (СМ).

Пуск двигателя постоянного тока (ДПТ).

При пуске двигателя постоянного тока возникает стандартная проблема броска пускового тока. Действительно из формул (1) и (3) можно получить выражение для величины тока в обмотке якоря двигателя постоянного тока:

(5)

Рассмотрим пример: Пусть U=220 В, E=200 В, ∑Ra=10 Ом. При этом в номинальном режиме Ia=2 А. В момент пуска, когда n=0→Ea=0, ток якоря при пуске Iaп=22 А, т.е. кратность пускового тока – 11. При этом двигатель постоянного тока нельзя пускать на прямую, как АД, несмотря на кратковременность пуска из-за пониженной надежности коллекторно-щеточного контакта. Для уменьшения кратности Ia в обмотку якоря двигателя постоянного тока при пуске включают дополнительное сопротивление Rп. При этом величина Rп выбирается таким образом, чтобы кратность пускового тока не превышала 3-4.

Характеристики генератора постоянного тока.

Существуют следующие системы питания обмотки возбуждения:

1. независимая;

2. параллельная;

3. последовательная;

4. смешенная.

1) 2)

3) 4)

ГПТ с последовательно включенной обмоткой возбуждения практически не применяются из-за нестабильного вида внешней характеристики, обусловленного большим влиянием тока нагрузки на величину выходного напряжения.

Наиболее распространенным является ГПТ с параллельно включенной обмоткой возбуждения.

К характеристикам ГПТ относятся:

1. характеристика Х.Х.;

2. нагрузочная характеристика;

3. внешняя характеристика;

4. регулировочная характеристика.

E=f(Iв), Ia=0.

Для генератора с независимым возбуждением возможно задание направления тока в обмотке возбуждения обоих полярностей. Т.е. в отличие от генератора с параллельным включением обмотки возбуждения направление тока в обмотке возбуждения генератора с независимым возбуждением не влияет на эффективность его работы.

Нагрузочная характеристика U=f(Iв) при Ia=Iн.

Внешняя характеристика U=f(Iа) при Iв=const.

Регулировочная характеристика Iв=f(Iа) при U=const.

Характеристики внешние и регулировочные по своему виду принципиально не отличаются от характеристик ГПТ с последовательным.

Генератор со смешенно включенной обмоткой возбуждения.

В этой системе главную роль играет параллельная обмотка возбуждения, в то время как последовательная обмотка используется для компенсации реакции якоря и снижения напряжения с ростом нагрузки. При этом характеристика Х.Х. и нагрузочная имеют принципиально аналогичный вид, соответствующий характеристикам генератора с параллельным включением. Вместе тем внешняя и регулировочная отличаются.

Генераторы со смешанным возбуждением проектируются так, чтобы их ЭДС Х.Х. была максимально приближена к номинальному напряжению при токе обмотки возбуждения. При этом параметры последовательной обмотки подбирают таким образом, чтобы при Ia=Iн, U=Uн (Rв=const). Такие генераторы называются нормально компацидированными.

Характеристики двигателей постоянного тока.

К основным характеристикам ДПТ относятся скоростные и регулировочные.

Их вид существенно зависит от схемы включения обмотки возбуждения.

Скоростная характеристика n=f(Ia), Iв=const,U=const, f=const.

При последовательной обмотке возбуждения ДПТ нельзя пускать в ход без нагрузки на валу из-за резкого увеличения оборотов.

Соответствующие скоростным регулировочные характеристики имеют вид:

Зависимость КПД от нагрузки для ДПТ принципиально не отличается от соответствующих зависимостей для АД с КР. Но величина КПД для двигателей сопоставима мощности у ДПТ на несколько % ниже, чем у АД из-за потерь в обмотке возбуждения и коллекторно-щеточном контакте.