Электрические машины постоянного тока.
Устройство электрических машин
Постоянного тока. Обратимость машин
По назначению электрические машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели.
Генераторы вырабатывают электрическую энергию, поступающую в энергосистему; двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и транспортных средств.
Дельгас звонит что делает его незаменимым для строительства двигателей транспортной отрасли. Коллектор имеет столько же катушек, сколько имеет индуцированную обмотку машины. латуни или латуни. Есть, однако. изолированы друг от друга слоем лака или оксида. Магнитная головка из листового металла имеет щель на ее внешней поверхности, где размещена индуцированная обмотка машины. основанный на листах железа.
Проводники и канавки обычно идут параллельно оси, но в других случаях они наклонены. Окружность пазов для размещения проводников обмотки якоря. Для электрических тяговых двигателей предусмотрены два режима работы: непрерывный и часовой. Существует все большее число промышленных процессов, которые требуют точности контроля или диапазона скоростей, которые не могут быть достигнуты при использовании двигателей переменного тока. рулоны бумаги. Используются байпасные двигатели. транспортировка водой. В последние годы он все чаще используется с машинами с переменной скоростью, в которых необходим большой запас скорости и контроль над ними.
Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин постоянного тока, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя.
Свойство обратимости не следует противопоставлять определенному назначению машины, которая обычно проектируется и используется либо как двигатель, либо как генератор. Значительно реже находят применение машины, предназначенные для работы как в генераторном, так и в двигательном режимах. Это так называемые стартер-генераторы, которые устанавливаются на некоторых подвижных объектах.
В каждом из них секция уменьшается больше, а скорость увеличивается. Этот тип генератора авиационного генератора позже нашел практическое применение в авиации. Широкая электрификация самолета началась в год и асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором. Роторный асинхронный двигатель ротора.
С этим двигателем он должен был вращать винты самолета. В результате проведенных исследований была разработана схема автоматического регулирования напряжения генератора. В этом последнем случае. это. Значительная часть этой энергии используется в той же форме переменного тока в промышленности для освещения и внутренних нужд. Существует три типа динамо в зависимости от того, как связаны индуктор и арматура: последовательно. Непрерывные токовые генераторы На современных электростанциях генерируется практически только трехфазная электроэнергия переменного тока.
Генератор и двигатель отличаются расчетными и конструктивными особенностями. Поэтому использование двигателя в качестве генератора или генератора в качестве двигателя приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик машин, в частности к снижению коэффициента полезного действия.
В любой машине постоянного тока четко выделяются подвижная и неподвижная части. Подвижную (вращающуюся) часть машины называют ротором , неподвижную - статором .
В некоторых случаяхгенератор. электромагнит возбуждается независимым током или самовозбуждением. Если броня имеет один кабель. В последнем случае для схемы двигателя используются средства. Поля современных генераторов оснащены четырьмя или более электромагнитными полюсами, которые увеличивают размер и прочность магнитного поля. напряжение. У машин постоянного тока есть принцип обратимости. скорости вращения. Многосегментный переключатель, используемый с арматурой барабана, всегда соединяет внешнюю цепь с кабелем, который перемещается по высокоинтенсивной области поля.
Часть машины, в которой индуцируется электродвижущая сила, принято называть якорем, а часть машины, в которой создается магнитное поле возбуждения,- индуктором. Как правило, в машине постоянного тока статор служит индуктором, а ротор - якорем.
Статор машины постоянного тока называют также станиной. Станину изготовляют из магнитопроводящего материала (обычно литая сталь); он выполняет две функции, являясь, во-первых, магнитопроводом, по которому проходит магнитный поток возбуждения машины, и, во-вторых, основной конструктивной деталью, в которой размещаются все остальные детали. Изнутри к станине крепятся полюсы. Полюс машины состоит из сердечника, полюсного наконечника и катушки. При прохождении по катушкам постоянного тока в полюсах индуцируется магнитный поток возбуждения. Помимо главных полюсов в машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливаются дополнительные полюсы меньших размеров, предназначенные для улучшения работы машины. Катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря.
Генераторы автоматического возбудителя разделены. Генератор составных возбуждений имеет две обмотки возбуждения. Генератор серии характеризуется токами нагрузки. С другой стороны, в генераторе при выводе ток якоря равен сумме тока нагрузки и тока возбуждения. характеристика нагрузки становится пустой функцией. арматуры и возбуждения одинаковы. в соответствии с методом подключения обмоток возбуждения. Классификация двигателей постоянного тока То же, что и генераторы. Они подразделяются на две большие группы. поток постоянный, если источник питания поля фиксирован.
Сердечник якоря и коллектор кренятся на одном валу. Стальной вал якоря опирается на подшипники, закрепленные в боковых щитках машины. В свою очередь боковые щитки крепятся болтами к статору.
Для уменьшения вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковым покрытием. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух. В пазы сердечника якоря укладывают проводники обмотки якоря, соединенные с коллекторными пластинами. Коллектор набирают из медных пластин, разделенных. миканитовыми прокладками. Поверхность медных пластин специально обрабатывают, чтобы повысить их устойчивость к истиранию.
Реакция брони предотвращает оставление потока. Полярность основных полюсов не меняется. Сервомоторы скорость должна увеличиваться пропорционально, чтобы противодействующая электродвижущая сила увеличивалась, чтобы сбалансировать уравнение. При номинальном напряжении и полном поле. но он продолжает поворачиваться в том же направлении, что и раньше, и сохраняет ту же полярность полюсов. Теперь он работает как электрический двигатель и развивает момент вращения. Поскольку ток нагрузки уменьшается от полной нагрузки.
Минимальная безопасная нагрузка определяется максимальной безопасной рабочей скоростью. в размерах лошадиных фракций и небольшом количестве лошадей. Поток поля серии изменяется напрямую, когда ток якоря изменяется. Ни электрические источники питания для возбуждения, ни соответствующая обмотка не нужны. Это обеспечивает характеристику скорости, которая не является «твердой» или плоской, как у шунтирующего двигателя. Скорость увеличения скорости сначала небольшая, но увеличивается с уменьшением тока.
Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины осуществляется с п о мощью щеток, скользящих по коллектору.
Щетки вставляются в специальные обоймы щеткодержателя и прижимаются к коллектору спиральными или пластинчатыми пружинами. Щеткодержатели крепятся к траверсе, которую вместе со щетками можно поворачивать относительно статора на некоторый угол в ту или другую сторону. В качестве основы для изготовления щетки используют графит. Чтобы получить заданные свойства (определенную электропроводность, повышенную сопротивляемость к истиранию), в щетку добавляют порошки металлов (медь, свинец).
Эффективность и охлаждение улучшаются за счет устранения потерь мощности в поле возбудителя. Влияние температуры зависит от вида материала, используемого в магните. поэтому он вызывает небольшое ослабление потока по мере увеличения тока. в котором обмотка поля соединена последовательно с арматурой. Недостатками являются отсутствие контроля над полем и специальные характеристики скоростной пары. Составные двигатели имеют поле серии в верхней части обмотки шунтирующего поля. Соединенные двигатели обычно соединены таким образом и называются кумулятивным соединением.
На рис. 5 .1. показан внешний вид машины постоянного тока серии П, выпускаемой отечественной промышленностью. Машины этой серии рассчитывают на различную мощность от 0,3 до 200 кВт. Двигатели серии П рассчитаны на напряжение 110 или 220 В, а генераторы - 115 или 230 В.
Рис. 5 .1. Внешний вид машины постоянного тока
В серии двигателей. Обмотка двигателя последовательно. поскольку нет обмотки возбудителя возбуждения, которые не срабатывают, и нет вероятности превышения скорости из-за потери поля. Перегрузки могут вызвать частичное размагничивание, которое изменяет характеристики скорости и момента вращения двигателя. Поле серии подключено таким образом, что его поток добавляется к потоку основного шунтирующего поля. Комбинированный двигатель имеет ограниченный диапазон ослабления поля. Они имеют несколько преимуществ по сравнению с типами намоточного поля. и прямо пропорциональна нагрузке.
Рис. 9.2. Поперечный разрез машины постоянного тока:
1 - сердечник якоря с проводниками обмотки; 2 - катушка обмотки возбуждения; 3 - вал; 4 - главный полюс; 5 - дополнительный полюс; 6 - статор
Поперечный разрез машины постоянного тока схематически изображен на рис. 5 .2, где видны статор, создающий магнитный поток возбуждения, и ротор, в пазах которого размещены проводники обмотки якоря. Между полюсным наконечником и якорем имеется воздушный зазор, исключающий трение ротора о статор (рис. 5 .3, а). Магнитная индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности по закону, который называют трапецеидальным (рис. 5 .3, б).
Не как «мягкий», как серийный движок. пока намагниченность не будет полностью восстановлена. Это называется «неустойчивостью», и двигатель считается неустойчивым. Печатной схемы и мобильной катушки. резонанс стрелки. Постоянный ток к якорю переключается с транзисторами. Последовательность переключения выполнена с возможностью создания вращающегося магнитного потока в воздушном зазоре. которые аналогичны переключателям. физическая форма Ротор бронированного двигателя состоит из цилиндрической оболочки из медных или алюминиевых катушек.
Устройство машины постоянного тока изображено на рис. 5 .4.
Машины постоянного тока обычно имеют принудительное воздушное охлаждение, осуществляемое вентилятором, насаженным на вал якоря. Для мощных машин выработаны системы.водородного, а также водяного охлаждения.
Двигатель может иметь два. как инерция. Серводвигатели легкие. Сервомоторы включают в себя электродвигатели с постоянными магнитами. 05, а транзисторы подают импульсы тока на обмотки якоря. конфигурации этого. скорости и веса. Выбор двигателя может быть таким же простым, как настройка одного на доступное пространство. Даже когда эти двигатели имеют одинаковые номиналы крутящего момента. которая остается под фиксированным углом с магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами ротора. Каждый из этих основных типов имеет свои особенности.
Рис. 5 .3. Схематическое изображение воздушного зазора 1 между полюсным наконечником 2 и якорем 3 (а) и магнитная индукция в воздушном зазоре (б)
Для защиты машины от пыли и влаги конструктивные окна, обеспечивающие доступ к коллектору и щеткам, закрывают съемными стальными лентами или пластинами.
Кроме того, машин с числовым программным управлением или других применений, где запуск и остановка должны выполняться быстро и точно. Эта схема становится все более дорогостоящей и неэффективной по мере увеличения количества обмоток. точно так же, как эти элементы расположены в обычных двигателях с постоянным током. Он имеет лучший пусковой момент. его физические и электрические константы значительно различаются.
В исключительных случаях. если не будут приняты меры для уменьшения приложенного напряжения. в драйверах он противоположен направлению тока и известен как обратная электродвижущая сила. Как якорь двигателя вращается в магнитном поле. чрезмерный ток будет течь в двигателе во время этого запуска. Обычно используются пусковые устройства, состоящие из переменного резистора последовательно. изменение скорости, создаваемой при работе в нагрузке и в вакууме, обеспечивает основу критерия для определения его рабочих характеристик.
Рис. 5 .4. Устройство машины постоянного тока:
1 - коллектор; 2 - щетки; 3 - сердечник якоря; 4 - сердечник главного полюса; 5 - полюсная катушка; 6 - статор; 7 - подшипниковый щит; 8 - вентилятор; 9 - обмотка якоря
Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. В соответствии с законом Ампера на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.
Индуктор имеет относительно небольшое количество витков нити. Магнитный поток вызывает создание пары в токопроводящей арматуре. Двигателями с последовательным возбуждением являются двигатели, в которых индуктор соединен последовательно с арматурой. Если моторное железо удерживается при умеренном насыщении. пропуская через него магнитный поток. что. Так как противоэлектродвижущая сила при нулевой скорости. Обмотка двигателя последовательно.
В серии двигателей. с учетом предыдущего уравнения. Переключающие полюса улучшили переключение динамиков таким образом, что можно использовать гораздо более узкий воздушный зазор, чем в прошлом. как шунт. реакция якоря должна быть достаточно большой, чтобы характеристика скорости поднималась по мере увеличения нагрузки. ни как двигатели. Системы возбуждения турбогенератора Рис. Базовая машина, использующая реакцию арматуры и из которой все остальные, которые работают с одним и тем же принципом, были разработаны. используемые для регулирования напряжения в больших синхронных генераторах электростанций. В качестве трансформаторных машин. одна скорость В общем.
Вращающийся вал якоря используют для привода в действие различных механизмов: подъемных и транспортных средств, станков, швейных машин и т. д.
Исходя из закона сохранения энергии можно считать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем.
Реакция арматуры является тревожным явлением, которое должно каким-то образом компенсироваться. Выше вакуумного напряжения. хотя напряжение дуги изменялось. Генераторы, предназначенные для сварки, должны удовлетворять ряду характеристик, таких как: поддерживать режим короткого замыкания. прикрепленных к щеткам, расположенным под основными полюсами. с чем замыкает генератор. Обмотка возбуждения последовательно со сварочной цепью. При увеличении доступных номинальных мощностей турбогенераторов. Ток короткого замыкания не намного превышает установленный сварочный ток. выход которого подается в поле генератора через щеточки и кольца скольжения. с помощью которого можно изменять магнитное сопротивление, соответствующее основному полю.
Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому ее назвали противо -ЭДС. Именно противо -ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.
Генераторы, используемые для сварки Сварочные генераторы, как правило, представляют собой поперечные генераторы поля. Ток остается без изменений. Обеспечьте приблизительно постоянную интенсивность тока. При пайке паяльник начинает касаться заготовки электродом. а вместе с ним и значение сварочного тока.
Диапазон или диапазон тока, который обеспечивает сварочный генератор, определяет процессы сварки. Результирующий поток в магнитной цепи машины устанавливается комбинированной магнитодвижущей силой всех обмоток в машине. Эта машина возбудителя работает в очень тяжелых условиях переключения для того, что она заслуживает очень эффективной системы эвакуации тепла. когда требуется постоянный ток, даже если клеммы устройства закорочены. к оси основного генератора и составляют первую форму систем возбуждения синхронных машин. и третья серия волнений. или скорее Для турбогенераторов средней мощности положение якоря генератора возбудителя таково, что оно соединено с одним концом ротора машины. расположение кистей.
По закону электромагнитной индукции, противо- ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо -ЭДС.
Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и частота вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря проходит минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна.
Регулирование частоты вращения двигателей
постоянного тока независимого и параллельного возбуждения
Обратимся еще раз к основному уравнению электродвигателя. Выражение для ЭДС двигателя ничем не отличается от выражения для ЭДС генератора. Это и понятно: и в том и в другом случае проводники обмотки пересекают силовые линии магнитного поля. Тот факт, что якорь генератора раскручивается механической, а якорь двигателя - электромагнитной силами, с точки зрения закона электромагнитной индукции не имеет значения.
С практической точки зрения важно представлять условия и способы регулирования частоты вращения двигателя. Выведенная формула позволяет решить эту задачу. Прежде всего отметим, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря стремятся сделать по возможности малым (в реальных машиных оно составляет сотые или тысячные доли ом).
Таким образом, существует два способа плавного изменения частоты вращения двигателя в широких пределах: 1) изменение и напряжения U, подведенного к якорю двигателя;. 2) изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения Iв).
Второй способ регулирования частоты вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями энергии: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери в регулировочном реостате пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменения частоты вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.
Возможность плавного и экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.
Во многих случаях возникает необходимость менять направление вращения якоря электродвигателя. Изменение направления вращения называют реверсированием.
Для реверсирования двигателя постоянного тока следует изменить направление магнитного потока возбуждения или тока якоря. При одновременном изменении направления потока возбуждения и тока якоря за счет изменения полярности напряжения источника питания направление вращения якоря двигателя не меняется.
Реверсирование двигателей осуществляют с помощью переключателей в цепи якоря или в цепи возбуждения.
Выражение для частоты вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока возбуждения частота неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до потока остаточного намагничивания, а двигатель идет «вразнос». Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя. Режим «разноса» является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.
Машина постоянного тока (рисунок 1, а ) состоит из двух основных частей:
1) неподвижной части, предназначенной в основном для создания магнитного потока;
2) вращающейся части, которая называется якорем и в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно – электрической энергии в механическую (электродвигатель). Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.
Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов 3 (рисунок 2), предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов 4 , устанавливаемых между основными и служащих для достижения безыскровой работы щеток 6 на коллекторе (рисунок 1, б ); станины 1 .
Якорь 7 представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря ; уложенной на нем обмотки ; коллектора и щеточного аппарата . В щеткодержателях 5 находятся щетки 6 , обеспечивающие при вращении скользящий контакт с коллектором. На вал 2 двигателя напрессованы вентилятор и балансировочное кольцо.
Рисунок 1 – Конструкция машины постоянного тока а и коллектора б .
Коллектор набирают из медных пластин, изолированных друг от друга и от корпуса 3. На нажимные фланцы 4 надевают прессованные миканитовые манжеты 5. Нажимные фланцы изолированы друг от друга миканитовыми прокладками 2, которые стягивают кольцевой гайкой 6. Секции обмотки якоря припаивают к петушкам 7. Коллектор подвергают термообработке таким образом, что он образует монолитную конструкцию, исключающую биения и вибрации.
Рисунок 2
– Основной полюс.
Основной полюс состоит из набираемого на шпильках сердечника (5) из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 6, служащий для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надевают катушку обмотки возбуждения 1, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 2. Крепление полюсов к станине 4 производится при помощи специальных болтов 3.
Классификация обмоток якорей машин постоянного тока
Независимо от типа якоря (кольцевой или барабанный) мы имеем следующие типы обмоток якоря машин постоянного тока:
а) простая петлевая; б) простая волновая; в) сложная петлевая;
г) сложная волновая.
Простые обмотки образуют всегда только одну замкнутую на себя систему проводников, тогда как сложные обмотки могут образовать и одну и несколько таких систем. В первом случае будем называть сложную обмотку однократнозамкнутой , во втором – многократнозамкнутой .
Режим генератора.
Предположим, что якорь машины (рисунок 3, а ) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки и показано на рисунке 3, а . Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения .
Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС.
, (1)
Рисунок 3 – Работа простейшей
машины постоянного тока в режиме
генератора (а ) и двигателя (б )
где – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – активная длина проводника между полюсом и якорем в месте расположения проводника, т.е. та длина, на протяжениикоторой он расположен в магнитном поле; – линейная скорость движения проводника.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины
. (2)
ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется.
Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря , выраженной в оборотах в секунду:
а в общем случае, когда машина имеет пар полюсов с чередующейся полярностью,
В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря :
Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы:
направление которых определяется по правилу левой руки.
Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 3 а , равен
, (7)
где – диаметр якоря. Как видно из рисунка 3 а , в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.
Режим двигателя.
Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (3.6) и (3.7). При достаточной величине якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рисунок 3, а ) и двигателя (рисунок 3, б ) были одинаковы, то направление действия , а следовательно и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 3, б ).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС , величина которой определяется равенством (3.2). Направление этой ЭДС в двигателе (рисунок 3, б ) такое же, как и в генераторе (рисунок3, а ). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой .
Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:
Принцип обратимости:
Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью .
Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.
Преобразование энергии.
На рис.4 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.
Рисунок 4 – Направления ЭДС тока и моментов в генераторе (а ) и двигателе (б ) постоянного тока.
Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент
, (9)
где – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе машины, – тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.
Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.
В двигателе при установившемся режиме работы
, (10)
где – тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т.п.).
В генераторе является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях и противоположны по направлению.
Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью и равна
представляет собой угловую скорость вращения.
В обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается внутренняя электрическая мощность якоря
Согласно равенствам (4.5) и (4.6), , т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.
Для генератора
(15)
и для двигателя
. (16)
Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.
Согласно этим выражениям, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.
Потери.
Общие положения. При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Мощность потерянной энергии называют потерями мощности или просто потерями.
Потери в электрических машинах подразделяются на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные потери обусловлены различными вторичными явлениями. Во вращающихся электрических машинах основные потери подразделяются на 1) механические потери, 2) магнитные потери (потери в стали) и 3) электрические потери.
К электрическим потерям относятся потери в обмотках, которые называются также потерями в меди, хотя обмотки и не всегда изготовляются из меди, потери в регулировочных реостатах и потери в переходном сопротивлении щеточных контактов.
Механические потери состоят из 1) потерь в подшипниках, 2) потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и 3) вентиляционных потерь, которые включают в себя потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины.
Потери в подшипниках зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и т. д.
Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле
, (17)
где – коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца (
); – удельное (на единицу площади) давление на щетку; – контактная поверхность всех щеток; – окружная скорость коллектора или контактных колец.
Потери на вентиляцию зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию вычисляются приближенно по формуле:
где – количество воздуха, прогоняемого через машину, ;
– окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, .
Общие механические потери
Как следует из изложенного, в каждой данной машине потери зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки. В машинах постоянного тока мощностью 10 - 500 кВт потери составляют около 2 - 0,5% от номинальной мощности машины.
Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали. Для вычисления этих потерь сердечник подразделяется на части, в каждой из которых магнитная индукция постоянна. Например, в машинах постоянного тока вычисляются отдельно потери в сердечнике якоря и в зубцах якоря .
К магнитным потерям относят также такие добавочные потери, которые зависят от величины основного потока машины (потока полюсов) и вызваны зубчатым строением сердечников. Эти потери называют также добавочными потерями холостого хода, так как они существуют в возбужденной машине уже при холостом ходе. К указанным потерям в машинах постоянного тока относятся, прежде всего поверхностные потери в полюсных наконечниках, обусловленные зубчатостью якоря.
Если пазы имеются также в полюсных наконечниках машины постоянного тока (при наличии компенсационной обмотки), то в зубцах якоря и полюсах в результате их взаимного перемещения возникают пульсации магнитного потока. Потоки в зубцах максимальны, когда зубец якоря расположен против зубца полюса, и минимальны, когда против зубца расположен паз. Частота этих пульсаций также велика. При этом возникают пульсационные потери в зубцах и поверхностные потери также на внешней поверхности якоря.
. (21)
К электрическим потерям относят также потери в регулировочных реостатах и потери в переходных сопротивлениях щеточных контактов. Величина потерь в переходных сопротивлениях щеточных контактов для щеток одной полярности вычисляется по формуле
где – падение напряжения на один щеточный контакт.
Добавочные потери . К этой группе относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины.
В машинах постоянного тока одна часть рассматриваемых потерь возникает вследствие искажения кривой магнитного поля в воздушном зазоре при нагрузке под влиянием поперечной реакции якоря. В результате этого магнитный поток распределяется по зубцам и сечению спинки якоря неравномерно: с одного края полюсного наконечника индукция в зубцах и спинке якоря уменьшается, а с другого края увеличивается. Такое неравномерное распределение потока вызывает увеличение магнитных потерь, подобно тому, как неравномерное распределение тока в проводнике вызывает увеличение электрических потерь. Вследствие такого неравномерного распределения потока увеличиваются также поверхностные потери в полюсных наконечниках. При наличии компенсационной обмотки рассмотренная часть добавочных потерь практически отсутствует.
Другая часть добавочных потерь в машинах постоянного тока связана с коммутацией. При изменении во времени потоков рассеяния коммутируемых секций в проводниках обмотки индуктируются вихревые токи. Добавочный ток коммутации также вызывает дополнительные потери.
На практике добавочные потери оценивают на основе опытных данных в виде определенного процента от номинальной мощности. Согласно ГОСТ 11828 – 66, эти потери для машин постоянного тока при номинальной нагрузке принимаются: при отсутствии компенсационной обмотки равными 1,0% и при наличии компенсационной обмотки равными 0,5% от отдаваемой мощности для генератора и проводимой мощности для двигателя. Для других нагрузок эти потери пересчитываются пропорционально квадрату тока нагрузки.
Все виды добавочных потерь, не связанные непосредственно с электрическими процессами в цепях обмоток машины, покрываются за счет механической мощности на валу машины.
Суммарные, или полные, потери представляют собой сумму всех потерь.