Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

Назначение якоря – создавать электромагнитный вращающий момент путем взаимодействия тока в обмотке якоря с магнитным полем полюсов, создаваемым током возбуждения.

Коллектор – полый цилиндр, состоящий из клинообразных медных пластин (в виде «ласточкина хвоста»), изолированных друг от друга и от корпуса. Пластины коллектора изолируются также от вала машины.

Коллектор в собранном виде насаживается на вал якоря. К пластинам коллектора припаивают начала и концы секции обмотки, размещенной в пазах якоря.

На коллекторе устанавливаются неподвижные электро-графи-товые щетки. Вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

Щетки делят замкнутую обмотку якоря на параллельные ветви, число параллельных ветвей равно числу щеток, таким образом, ЭДС на щетках (ЭДС машины) равна ЭДС одной параллельной ветви.

Коллектор является электромеханическим преобразователем и обеспечивает создание постоянного по направлению вращающего момента (для двигателей) путем изменения направления тока в проводниках якорной обмотки, перемещающихся из зоны одного полюса в зону другого.

В генераторах коллектор обеспечивает выпрямление переменной ЭДС, индуктируемой во вращающейся обмотке якоря.

Обозначение ДПТ на электрических схемах и принцип его действия показаны рис. 97 а, б.

Напряжение от источника постоянного тока подается на зажимы неподвижного якоря. Пусть направление тока в якоре I_Я будет таким, как показано на рис. 97, б.

В обмотку возбуждения, находящуюся на полюсах индуктора также подается постоянный ток, который создает магнитное поле, пронизывающее якорь. Если полюса индуктора выполнены из магнитотвердого материала, то обмотки возбуждения на них может и не быть, магнитное поле все равно будет создаваться противоположно намагниченными полюсами (N и S).

За счет взаимодействия магнитного поля полюсов и тока якоря образуются электромагнитные силы F_ЭМ, которые создают вращающий момент

,

где С_М – коэффициент пропорциональности; Ф – поток возбуждения ДПТ; I_Я – ток якоря ДПТ.

Во вращающемся в магнитном поле якоре ДПТ наводится ЭДС, которая противоположна направлению тока якоря, поэтому эта ЭДС называется обратной или противоЭДС

,

где C_E – коэффициент пропорциональности; Ф – поток возбуждения ДПТ; n – частота вращения ДПТ.

Основное уравнение двигателя

U_c = E + I_Я R_Я,

где U_с – напряжение сети; I_Я – ток якоря; R_Я – сопротивление обмотки якоря.

Откуда величина тока якоря

.

Подставив в это выражение значение Е, получим частоту вращения двигателя постоянного тока:

.

Из этого выражения видно, что частота вращения ДПТ зависит от величины подводимого напряжения, тока возбуждения (потока Ф  I_в), сопротивления якорной цепи R_Я и нагрузки на валу I_Я.

13.3. Типы двигателей постоянного тока

По способу соединения обмотки возбуждения и обмотки якоря ДПТ подразделяются на следующие типы:

– ДПТ с независимым возбуждением (рис. 98, а);

– ДПТ с последовательным возбуждением (рис. 98, б);

– ДПТ с параллельным возбуждением (рис. 98, в);

– ДПТ со смешанным возбуждением (рис. 98, г).

У ДПТ с независимым возбуждением обмотка возбуждения и обмотка якоря питаются от разных источников. Обмотка возбуждения обозначается: Н1 – Н2 (рис. 98, а).

Двигатели большой мощности обычно выполняют с независимым возбуждением.

У ДПТ последовательным возбуждением обмотка возбуждения, подсоединенная последовательно к обмотке якоря, называется сериесной (C1 – C2, рис. 98, б).

У двигателей с последовательным возбуждением вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чем у двигателей с параллельным возбуждением, при этом частота вращения двигателя уменьшается. Это свойство определяет широкое применение ДПТ в машиностроительных электровозах, городском транспорте.

Однако пуск двигателя с последовательным возбуждением без нагрузки недопустим, так как частота вращения двигателя может превысить допустимую, а это может привести к аварии – двигатель идет «вразнос».

У ДПТ с параллельным возбуждением обмотка возбуждения, соединенная параллельно с обмоткой якоря, называется шунтовой (Ш1 – Ш2, рис. 98, в).

Двигатели с параллельным возбуждением обеспечивают устойчивую частоту вращения при различных нагрузках и возможность плавного регулирования этой частоты вращения. Поэтому ДПТ с параллельным возбуждением применяются для электропривода, требующего постоянства частоты вращения при различных нагрузках и плавного широкого регулирования ее.

У ДПТ со смешанным возбуждением на полюсе имеются две обмотки возбуждения, одна из которых подсоединяется последовательно к обмотке якоря, а другая – параллельно (рис. 98, г).

Двигатели со смешанным возбуждением устраняют некоторые недостатки, например, такому двигателю не угрожает «разнос» по причине наличия параллельной обмотки возбуждения, которая обеспечивает перевод двигателя электропоезда в режим торможения с отдачей энергии в сеть при его движении по инерции (под уклон).

ДПТ со смешанным возбуждением имеют наибольший пусковой момент и применяются там, где требуются значительные пусковые моменты или возможны кратковременные перегрузки и большие ускорения – например, для пуска компрессоров.

В зависимости от требований параллельная и последовательная обмотки возбуждения могут быть включены «согласно» или «встречно». При «согласном» включении магнитные потоки обмоток направлены одинаково и складываются, при «встречном» – вычитаются.

13.4. Пуск и реверсирование двигателей постоянного тока

Пуск двигателей постоянного тока длится от долей секунд до нескольких десятков секунд. Пусковые качества характеризуются кратностью пускового тока () и пускового момента ().

Пусковой момент

,

где пусковой ток .

Если не принять мер, то пуск ДПТ может сопровождаться недопустимым скачком тока якоря и резким толчком на валу.

Такой скачок вызовет искрообразование под щетками, которое может привести к быстрому разрушению коллектора и ухудшает коммутацию машины.

Для предотвращения этого явления пуск ДПТ осуществляется с помощью пускового реостата R_п ( рис. 99), который можно рассчитать, исходя из условия

.

Скачок пускового тока в этом случае длится недолго, так как при вращении якоря появляющаяся противоЭДС уменьшает ток якоря.

После осуществления пуска пусковой реостат (R_п) должен быть полностью выведен вручную или автоматически (R_п = 0).

Двигатели постоянного тока малой мощности можно пускать и без пускового реоcтaтa, так как они обладают достаточно большим сопротивлением якоря. По сравнению с другими двигателями ДПТ имеют самые лучшие пусковые качества. Они могут развивать пусковой момент M_п = (24)M_ном при пусковом токе I_п = (22,5) I_ном.

Это обеспечивает быстрый разгон механизмов, приводимых двигателями постоянного тока.

Пусковой реостат, разделенный на секции, выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции обмотки якоря к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата.

Пуск производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта на другой и выключения секций.

На рис. 99 показана схема пуска ДПТ с параллельным возбуждением.

В начальный момент пуска пусковой реостат должен быть введен (R_п = max), а реостат в цепи возбуждения выведен (R_р = 0).

Это необходимо для создания наибольшего магнитного потока при пуске. Пусковые реостаты рассчитаны на 46 пусков, поэтому необходимо следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат R_п был полностью выведен.

Реверсирование ДПТ осуществляется путем изменения направления вращающего момента. Это достигается или посредством изменения направления тока якоря, или направления потока полюсов, т. е. тока возбуждения I_в. Обычно реверс ДПТ осуществляется путем переключения концов обмоток якоря.

13.5. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Исходя из формулы частоты вращения ДПТ

,

получаем три способа регулирования частоты вращения:

– реостатное регулирование – осуществляется путем изменения суммарного сопротивления цепи якоря и пускового реостата; это регулирование неэкономично и применяется для двигателей малой мощности;

– полюсное регулирование – осуществляется посредством изменения магнитного потока полюсов Ф с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;

– якорное регулирование – осуществляется путем изменения напряжения, подводимого к якорю двигателя. Применяется в основном для двигателей с независимым возбуждением и требует наличия специального источника регулируемого напряжения, при этом пускового реостата не требуется, так как пуск осуществляется при малом напряжении.

Последний способ широко используется в системах автоматического управления.

14. Электропривод

14.1. Понятие об электроприводе. Назначение и область применения

Электропривод – совокупность устройств, приводящих в движение производственные механизмы и установки при помощи электрических двигателей.

Современный электропривод – это электромеханический комплекс, в который кроме электродвигателей и рабочих машин входят устройства передачи движения от двигателя к машине (например, редуктор), преобразователи электроэнергии, а также системы управления, в простейшем случае представленные аппаратурой управления пуском, остановкой и аппаратурой регулирования работы привода. Кроме того, аппаратура управления защищает электродвигатели от перегрева и отключает их при отклонении условий работы от нормальных.

Решение задач электропривода сводится к анализу работы проектируемого электропривода, технико-экономическому обоснованию выбора типа двигателя, системы управления им, расчету пусковых реостатов (если они есть) и составлению заявки на электрооборудование.

14.2. Механические характеристики и нагрузочные диаграммы

Для реализации заданного технологического процесса необходимо, чтобы вращающий момент двигателя преодолевал момент сопротивления производственного механизма при определенной скорости вращения (M_вр = M_сопр). Выполнение этого требования возможно только при согласовании механической характеристики электродвигателя и механической характеристики рабочей машины.

Механическая характеристика двигателя – это зависимость его частоты вращения от момента на валу, а механическая характеристика производственного механизма (рабочей машины) – это зависимость его частоты вращения от значения нагрузочного момента.

По виду механической характеристики можно оценить элект-ромеханические свойства электродвигателя, т. е. его пригодность в качестве привода той или иной рабочей машины, так как равенство моментов должно быть при определенной частоте вращения рабочей машины.

Такой режим называется установившимся режимом работы. Когда равенство моментов нарушается, агрегат может работать в новом установившемся режиме, но уже при другой частоте вращения, изменение которой допускается в определенных заранее заданных пределах.

Для правильной работы электропривода необходимо построить совместную механическую характеристику двигателя и рабочей машины, которая позволяет определить не только частоту вращения, момент и мощность электропривода, но и диапазон регулирования частоты вращения, а также время перехода от одной частоты вращения к другой при пуске, остановке или работе.

Механические характеристики производственных механизмов используются для построения нагрузочных диаграмм, которые выражают изменение момента и мощности электропривода во времени.

Таким образом, нагрузочная диаграмма – это графическая зависимость момента и мощности от времени работы электропривода.