Как найти напряжение в обмотке якоря

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Электромагнитный момент

где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Источник

Машины постоянного тока

Определить ток якоря и напряжение генератора с независимым возбуждением для токов возбуждения I в , равных 0,4 А и 0,2 А. Сопротивление цепи якоря r я =0,6 Ом , нагрузки r н =9,4 Ом . Характеристика холостого хода генератора изображена на рис. 9.12. Указать не правильный ответ.

Для I в = 0,4 А : 1) I я =14 А. 2) U я = 131,6 В.

Для I в = 0,2 А : 3) I я = 12А. 4) U я = 102,8 В.

Электродвижущую силу генератора определяем по характеристике холостого хода рис.9.12:

а) при I В =0,4 А ЭДС Еa= 140 В;

б) при I В =0,2 А ЭДС Е б = 120 В.

Ток якоря определяем по закону Ома:

a) I я,а =E а /(r н +r я )=140/(9,44+0,6)=14 A;

б) I я,б =E б /(r н +r я )=120/(9,4+0,6) =12 А.

Напряжение генератора меньше ЭДС на падение напряжения в обмотке якоря:

а) U а =Е а – I я,а r я =140 — 14∙0,6= 131,6 В ;

б) U а =Е а – I я,а r я =120 — 12∙0,6 = 112,8 В. Ответ: 4.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением по ошибке оказалась включенной неправильно (рис. 9.25). Как будет вести себя двигатель после включения его в сеть при r п = 9 r я , I п = 2,5 I ном , если момент нагрузки:

а) М с =0 ; б) М с =0,5 М ном . Указать правильный ответ.

1. В обоих случаях двигатель не будет вращаться.
2. В обоих случаях двигатель разгонится до недопустимо большой частоты вращения.
3. а) двигатель разгонится до n≈n 0 ; б) двигатель не будет вращатся.
4. а) двигатель пойдет в разнос; б) двигатель не будет вращатся.

Пусковой ток якоря двигателя I П =U а /(r П +r я ) . Напряжение на обмотке якоря двигателя меньше напряжения сети на падение напряжения в пусковом реостате:

U Дв =U ном – I П r П =U ном – U нмо r П /(r я +r П )=U ном – U ном 9r я /(r я +9r я )=U ном – 9U ном /10=U ном /10

Номинальный ток возбуждения двигателя имеет место при номинальном напряжении I В,ном =U ном /r В . В данном случае напряжение на обмотке возбуждения равно напряжению на обмотке якоря, которое меньше номинального в 10 раз. Если допустить, что характеристика зависимости магнитного потока двигателя от тока возбуждения — почти прямая линия, то магнитный поток двигателя будет меньше номинального в 10 раз.

Момент, развиваемый двигателем при пуске, равен

М П =k M ФI П = k M Ф ном 2,5I ном /10= 0,25 k M Ф ном I ном =0,25 М ном .

При пуске вхолостую двигатель пойдет в ход и разгонится до частоты вращения, примерно равной частоте вращения идеального холостого хода, так как по мере разбега двигателя вследствие уменьшения тока в пусковом реостате напряжение на обмотке якоря и, следовательно, на обмотке возбуждения будет увеличиваться и к концу разбега будет близко к номинальному.

При пуске под нагрузкой с моментом Мс=0,5 М ном двигатель вращаться не будет, так как момент, развиваемый двигателем, меньше момента сил сопротивления на валу: Мс>М Дв ,

т. е. 0,5 М ном >0,25 М ном . Ответ: 3.

Определить сопротивление обмотки якоря двигателя r я и пускового реостата r п , который надо включить в цепь якоря, чтобы ток якоря при пуске I я,п =2,5 I ном . Данные двигателя: P ном =39 квт; U ном =220 В; I ном =200 А. Указать правильный ответ.

1) r я =1,0 Ом. 2) r я =0,125 Ом. 3) r п =0,3775 Ом. 4) r п =0,44 Ом.

Потери в обмотке якоря при номинальной нагрузке равны

∆P ном =U ном I ном — P ном = 220∙200 — 39∙10 3 = 5000 Вт . Сопротивление обмотки якоря равно r я =∆P ном / 2I ном 2 =5000/2∙200 2 = 0,0625 Ом.

Сопротивление пускового реостата определяем по закону Ома

r П =U ном /I ном – r я =200/2,5∙200 — 0,0625 = 0,3775 Ом. Ответ: 3.

В каком соотношении находятся ЭДС обмотки якоря двигателя при его работе в точках /, 2, 3, 4 характеристик, изображенных на рис. 9.43? Характеристика, на которой расположена точка 2, является естественной. Указать правильный ответ.

1. E 1 =E 2 =E 3 =E 4 . 2) E 1 =E 2 >E 3 >E 4 . 3) E 1 >E 2 >E 3 >E 4 . 4) E 1 2 3 4 .

Электродвижущая сила, возникающая в обмотке якоря двигателя,

Из взаимного расположения характеристик видно, что характеристика, на которой расположена точка 1, соответствует ослабленному магнитному потоку двигателя; характеристика, на которой расположена точка 3,— реостатная (в цепи якоря включен добавочный резистор); характеристика, на которой расположена точка 4, имеем место при пониженном напряжении на обмотке якоря двигателя; например в системе Г—Д:

Е 1 =U ном – I я r я Е 2 =U ном – I я r я =k e Фn 2 E 3 =U ном – I ном( r я + r Д )= k e Фn 3

Е 4 =U′ – I я r я =n′ 0 U ном /n 0 – Iяrя=k e Фn 1

Так , как ток якоря I я1 двигателя для всех точек одинаков, a n 2 >n 3 >n 4 , то E 1 =E 2 >E 3 >E 4 .

Что произойдет при обрыве обмотки возбуждения двигателя постоянного тока с пара.ллельным возбуждением, если он работает: а) с номинальным моментом на валу

М С = М ном , б) вхолостую? Указать неправильный ответ.

а) При номинальном моменте на валу:

1) сгорят предохранители, и двигатель остановится;

2) если предохранители не сгорят, двигатель остановится.

4) если предохранители не сгорят, двигатель остановится;

5) если предохранители не сгорят, частота вращения вигателя начнет увеличиваться и двигатель может пойти вразнос.

При обрыве цепи обмотки возбуждения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением исчезнет ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток, создаваемый им. Останется лишь магнитный поток остаточного намагничивания, который составляет не более 3—5 % номинального потока .

Из выражения Е=U ном – I я r я =k e Фn следует, что в той же степени уменьшится ЭДС обмотки якоря до (3—5) % U ном .

Если допустить, что частота вращения двигателя вследствие инерции якоря в течение времени после обрыва обмотки и исчезновения тока возбуждения практически не изменится, то справедливо следующее.

До обрыва ЭДС двигателя составляла:

а) при работе двигателя с номинальным моментом иа валу

Е ном =U ном – I я,ном r я =(0,85 — 0,95) U ном ;

б) при работе вхолостую Е x1 =U ном .

В результате значительного уменьшения ЭДС двигателя, как следу-из выражения I я =(U ном – Е)r я , возрастает ток якоря двигателя. Для случая а) имеем

I я,ном =(U ном — (0,85 — 0,95) U ном )/ r я ;

I я,а =(U ном — (0,03 — 0,05) U ном )/ r я ,

I я,а = I я,ном (U ном — (0,03 — 0,05) U ном )/(U ном — (0,85 — 0,95) U ном )≈(7—18) I я,ном .

Для случая б) ток увеличится в несколько большей степени, так как

Предохранители обычно рассчитываются на ток не более (3—4) I ном , .поэтому в обоих случаях должны сгореть предохранители и двигатель остановится.

Момент, развиваемый двигателем при обрыве в цепи обмотки возбуждения, равен

М=k М ФI я =k М (0,03 — 0,05)Ф ном (7—18) I я,ном =(0,21— 0,9)М ном

Поэтому, если предохранители не сгорят в первом случае, двигатель остановится, так как момент, развиваемый двигателем, меньше момента сил сопротивления навалу, т.е. Мд (0,21— 0,9)М ном ном , и если двигатель не будет отключен, он выйдет из строя.

Во втором случае при отсутствии момента на валу частота вращения двигателя начнет увеличиваться и может достичь недопустимого значения – двигатель пойдет вразнос:

n 0 =U ном /k е Ф ном ; n′ 0 =U ном /k е (0,03 — 0,05)Ф ном ;

n′ 0 = n 0 /(0,03 — 0,05) ≈ (30— 20) n 0 . Ответ: 4.

Определить сопротивление, включенное в цепь якоря двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, при котором двигатель имеет характеристику а (рис. 9.60). Сопротивление цепи r я + r в =0,3 Ом . Характеристики естественная (б) и искусственная с добавочным сопротивлением в цепи якоря 1,5 Ом (в) изображены на рис. 9.60. Указать правильный ответ.

1) 1 Ом. 2) 0,75 Ом. 3) 0,6 Ом. 4) не достаточно условий.

Уравнение естественной характеристики имеет вид:

n е =[U ном – I я( r я + r В )]/ k l Ф= n 0е -∆ n е

Уравнение искусственной характеристики

n И =[U ном – I я( r я + r В +r Д )]/ k е Ф= n 0И — ∆ n И

Если двигатель работает на естественной или искусственной характеристике с одинаковым током якоря, магнитные потоки двигателя будут иметь одинаковое значение, так как Ф В ≡ I В = I я .

Тогда ∆ n е / ∆ n И = ( r я + r В )/ ( r я + r В +r Д )

Из отношения ∆n е к ∆n И на искусственной характеристике а, например для тока

I я = 40 А , определяем ∆n е из ∆n е /(∆n е +400)=0,3/(0,3+ +1,5) , откуда ∆n е = 80 об/мин.

Из отношения ∆n е к ∆n И на искусственной характеристике а, например для тока

I я =40 А , определяем искомое сопротивление ∆n е /( ∆n е +200)=80/(80+200)=0,3(0,3+r Д ) , откуда r Д =0,75 Ом. Ответ: 2.

Определить частоту вращения и ЭДС якоря двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением при токах якоря для двух случаев: а) I я =0,5I я , ном ; б) I я =I я , ном , если в цепь якоря включено добавочное сопротивление r Д =2 Ом. Данные двигателя:

Р ном = 9 кВт; n ном =900 об/мин; U ном =220 B; I ном =50 А; r я +r в =0,338+0,062=0,4 Ом. Естественная скоростная характеристика изображена на рис. 9.67. Указать неправильный ответ. 1) n а =860 об/мин. 2) Е а =160 В. 3) n б =420 об/мин. 4) Е б =100 В.

Решение 9-67. Электродвижущая сила якоря равна:

Е а =U ном – I я( r я + r В +r Д )]= 220 — 25 (0,4 + 2) = 160 В ;

Уравнение электромеханической, естественной характеристики имеет вид

n е =[U ном – I я( r я + r В )]/ k e Ф

n И =[U ном – I я( r я + r В +r Д )]/ k e Ф

Если двигатель работает на естественной или искусственной характеристике с одинаковым током якоря, магнитные потоки двигателя будут иметь одинаковое значение, так как I посл =I; Ф≡ (Iw) п,о + (Iw) посл =(Iw) п,о +сI я , где (Iw) п,о —МДС параллельной обмотки возбуждения, которая от нагрузки не зависит.

Тогда из отношения уравнений для естественной и искусственной характеристик можно получить

n И = n е [U ном – I я( r я + r В +r Д )] / [U ном – I я( r я + r В )].

При I я = 0,5 I ном частота вращения на естественной характеристике (см. рис. 9.67) равна

n е = 1,25n ном = 1,25∙900 = 1125 об/мин ;

n а =n И = n е [U ном – I я( r я + r В +r Д )] / [U ном – I я( r я + r В )]= n е Е а / [U ном – I я( r я — r В )]=

=1125∙ 160/(220 – 25 ∙0,4)=860 об/мин.

При токе I я = I ном имеем n е = n ном = 900 об/мин;

n б =n И = n е Е б / [U ном – I ном( r я + r В )]=900 ∙100/(220 – 50 ∙0,5)=450 об/мин.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением приводится в движение асинхронным двигателем (рис. 9.73, а), механическая характеристика которого изображена на рис. 9.73, б. При нагрузке генератора 20 А напряжение на его выводах 220 В , а момент на валу асинхронного двигателя оказался равным номинальному значению. Определить напряжение при холостом ходе генератора ( I я = 0 ). Потерями мощности в генераторе пренебречь. Сопротивление якоря генератора r я =0,5 Ом. Номинальная частота вращения асинхронного двигателя n ном =920 об/мин . Указать правильный, ответ.

1) 230 В. 2) 240 В. 3) 220 В. 4) 250 В.

Электродвижущая сила генератора при нагрузке 20 А равна

Е=U – I я r я =220 + 20∙0,5 = 230 В .

При холостом ходе генератора нагрузки на валу двигателя не будет, его частота вращения и, следовательно, частота вращения генератора будут равны примерно частоте вращения магнитного потока асинхронного двигателя n=n 0 =1000 об/мин; определим ЭДС генератора:

при нагрузке E= k e Фn ном = ke Ф ∙920 = 230 В;

при холостом ходе E 0 = k e Фn 0 = ke Ф∙1000 ;

из отношения Е 0 к Е следует:

Е 0 = E n 0 / n 0 = 230∙1000/920 = 250 В.

Валы двух одинаковых двигателей постоянного тока Д 1 и Д 2 с независимым возбуждением с помощью кулачковых муфт К 1 и К 2 соединены с валом производственного механизма ПМ (рис. 9.74). Якоря двигателей соединены последовательно и включены в сеть с напряжением, в 2 раза большим номинального напряжения двигателей. Двигатели нагружены номинальным моментом и вращаются с номинальной частотой вращения. Как изменятся частоты вращения двигателей, если у муфты К 2 срежется шпонка и вал двигателя Д 2 потеряет связь с механизмом? Указать правильный ответ.

1) Частота вращения обоих двигателей уменьшится.

2) Частота вращения обоих двигателей увеличится.

3) Оба двигателя остановятся.

1. Двигатель Д 1 остановится, частота вращения двигателя увеличится почти в 2 раза.

В условиях нормальной работы токи якорей равны:

I я =(2U ном – 2E)/2r я =(U ном – E)/r я =I ном .

Моменты, развиваемые двигателями, также были равны:

Момент сопротивления распределялся поровну на каждый двигатель:

М С,Д1 =М С,Д2 = М=М С /2. Как только вал двигателя Д 2 потеряет механическую связь с механизмом, момент сил сопротивления на его валу исчезнет и его частота

вращения, как это вытекает из уравнения движения

Одновременно будет увеличиваться его ЭДС

и уменьшаться ток в цепи якорей двигателей. В результате момент, развиваемый двигателем Д 1 , будет уменьшаться и окажется меньше момента, создаваемого механизмом на его валу; частота вращения двигателя начнет уменьшаться, и двигатель постепенно остановится. Поскольку двигатель Д 2 оказался без нагрузки, он разгонится до частоты вращения, при которой ток в цепи якорей будет близок к нулю:

Е Д2 == 2U ном = 2k e Фn 0 = k e Ф Д2 .

Таким образом, двигатель Д 2 будет вращаться с частотой, примерно в 2 раза большей частоты вращения идеального холостого хода. Ответ: 4.

Причинами использования в качестве двигателей электропровода двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, а не с параллельным являются: а) возможность длительной их работы с номинальным моментом при длительном снижении напряжения в сети постоянного тока, б) независимость пускового момента от напряжения сети.

Два двигателя постоянного тока, один с последовательным, другой с параллельным возбуждением, имеют следующие паспортные данные:

Р ном = 60 кВт, U ном = 440 В, I ном =160 А, n ном = 960 об/мин. Сопротивление последовательной обмотки возбуждения . r в = 0,5r я . Зависимость магнитного потока от МДС обмотки возбуждения двигателей изображена на рис. 9.91.

Определить ток в цепи якоря, частоту вращения двигателей при моменте сил

сопротивления на валу М с =М ном , значение которого не зависит от частоты вращения, при их работе от сети с напряжением U =0,6U ном , а также значения максимально возможных моментов при этом напряжении, если значения пусковых токов I п =2,5I ном . Указать неправильный ответ. Двигатель с параллельным возбуждением: 1) I я =230 А. 2 ) n=562 об/мин. 3) М п =0,7 М п(Uном) .

Двигатель с последовательным возбуждением: 4) I я =160 А. 5) n=547 об/мин.

Решение 9-91. Сопротивление обмотки якоря

r я =∆P ном /2I ном 2 =(U ном I ном — P ном )/ 2I ном 2

Двигатель с последовательным возбуждением. Сопротивление обмотки последовательного возбуждения

r В = 0,5 r я =0,5∙0,137 =0,0685 Ом

при номинальном напряжении

М C =М ном =k М Ф ном I я,ном , I я,ном =(U ном – E ном )/(r я +r В )

при пониженном напряжении

М C =М′= k М Ф′I я , I я ′=(0,6U ном – E)/(r я +r В ).

Поскольку момент сил сопротивления на валу остался неизменным, , очевидно, что

Значение частоты вращения при U= 0,6 U ном можно определить из соотношения ЭДС

Е ном =U ном – I я,ном (r я + r В ) = k e Фn 1 = 440 — 160 (0,137+0,0685) = 407 В;

Е′ =0,6U ном – I я,ном (r я + r В ) = k e Фn′= 0,6∙440 — 160 (0,137 4-0,0685) = 231 В ,

n′= n 0 E′/E ном =960∙231/407=547 об/мин .

Пусковой, момент при U= U ном

Двигатель с параллельным возбуждением. Ток возбуждения и МДС параллельной обмотки возбуждения при U= 0,6U ном составляют I B =0,6 I в,ном и (Iw)′ В =0,6 (Iw) В,ном ,

так как ток возбуждения пропорционален напряжению сети. Магнитный поток, соответствующий этой МДС, определяется из кривой Ф=(Iw) (см. рис. 9.91):

Ток якоря при U= 0,6U ном определяется из выражения

М С = М ном =k е Ф′ I′ я = k е Ф ном I я,ном ;

I′ я = I я,ном Ф ном /Ф′=160/0,7=230 А.

Значение частоты вращения определяется из соотношения ЭДС:

Е ном =U ном – I я,ном r я = k е Ф ном n ном = 440 – 160∙0,137 = 418 В;

Е′ =0,6U ном – I′ я r я = k е Ф′ n′=0,6∙440 – 230∙ 0,137 ==232,5 В ;

n′= n ном E′ Ф ном /E ном Ф′=960 ∙232,5/(418 ∙0,7)=762 об/мин

Источник

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС  и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

E_я = С_е * Ф * n (1)

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

U = E_я + I_я * ∑R (2)

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

 

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

P_эм = Е_я I_я (5)

Электромагнитный момент

 где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Р₂ — полезная мощность двигателя

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Электромагнитный момент

где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

• с независимым возбуждением обмоток;
• соединение параллельно обмоткам якоря;
• варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
• смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

• бытовые и промышленные электроинструменты;
• автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
• трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

• Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
• Легко регулируемая частота вращения;
• хорошие пусковые характеристики;
• компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

• ограниченный ресурс коллектора и щёток;
• дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
• ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
• дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Основные теоретические положения

Важное свойство ДПТ с независимым возбуждением от постоянных магнитов состоит в том, что результирующий момент сил от всех проводников якоря, называемый электромагнитным моментом двигателя M, пропорционален току якоря I_я, потребляемому двигателем от источника питания:

,

где k _m — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной момента двигателя. Его размерность [Нм/А]. По законам электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электродвижущая сила. Суммарная ЭДС катушек якоря E через коллектор и щетки прикладывается к внешним выводам двигателя. В двигательном режиме работы эта ЭДС направлена против внешнего напряжения U _я, подведенного к якорю от источника питания. Поэтому ЭДС двигателя часто называется противоЭДС. Она прямо пропорциональна угловой скорости вращения вала двигателя w _дв[рад/с]:

,

где k _ω — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной ЭДС двигателя. Его размерность [Вс/рад].

Природа электромагнитных явлений в ДПТ такова, что если используется система единиц СИ, то значения коэффициентов k _ω и k_m численно равны.

Уравнения, описывающие электрические процессы в ДПТ

В электрической якорной цепи двигателя протекает ток I _я под действием напряжения постоянного тока U_a источника питания и противоЭДС двигателя.

Рис. 1

Эта цепь характеризуется параметрами: активным сопротивлением R _я [Ом] и индуктивностью L _я [Гн] якорной обмотки. Вращающийся ротор, обладающий моментом инерции J_a [Нм с 2 /рад] , приводится в движение одновременным действием электромагнитного момента двигателя M _дв и момента внешних сил M _вн, приложенного к валу двигателя.

Исходные дифференциальные уравнения ДПТ составляются на основании законов физики. Для электрической цепи используется второй закон Кирхгофа, согласно которому можно записать уравнение

,

где член R _я I _я характеризует падение напряжения на активном сопротивлении якорной цепи в соответствии с законом Ома, а член L _я ( dI _я/ dt ) отражает наличие ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке при изменении тока якоря. В представленном уравнении не учитывается падение напряжения на щетках, зависящее нелинейно от тока якоря, но имеющее, как правило, относительно небольшое значение по сравнению с напряжением U _я .

Дифференциальное уравнение, характеризующее процессы в механической части двигателя, составляется на основании второго закона Ньютона:

,

где M _вн — момент внешних сил, действующий относительно оси вращения вала двигателя. В этом уравнении не учитывается действие сил трения, возникающих при вращении ротора, но оказывающих относительно слабое действие на ускорение вала ДПТ.

Используя вышеприведенные формулы и приводя дифференциальные уравнения к нормальной форме Коши, получим описание ДПТ в форме:

Для исследования процессов с помощью ЭВМ удобно использовать структурное представление математической модели ДПТ. Для этого преобразуем полученную систему линейных дифференциальных уравнений по Лапласу при нулевых начальных условиях. В результате получим систему алгебраических уравнений:

в которых s — переменная Лапласа, а величины I _я( s ), w _дв( s ), U _я( s ), M _вн( s ) — изображения по Лапласу переменных I _я , w _дв, U _я, M _вн соответственно. После эквивалентных преобразований эти уравнения могут быть представлены в форме:

где Т_э = L _я / R _я — электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.

По уравнениям с помощью системы SIMULINK может быть сформирована структурная схема ДПТ для его математического моделирования (рис.1).

Важным параметром ДПТ, определяющим его динамические свойства, является электромеханическая постоянная времени двигателя:

.

Зависимость между электромагнитным моментом двигателя и частотой вращения ротора в установившемся режиме при постоянных U _я и M _вн называется механической характеристикой двигателя. Уравнение механической характеристики имеет вид:

.

При пуске двигателя, когда скорость равна нулю, развивается пусковой момент

.

Частота вращения вала двигателя при отсутствии сопротивления называется частотой вращения холостого хода

.

Соседние файлы в папке Методички

• #
• #
• #
• #

Расчетные формулы параметров машин постоянного тока

КПД генератора, параметры машин постоянного тока, ток генератора, ЭДС