Электрические машины постоянного тока. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получить как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах, на морских и речных судах. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щелочно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода при эксплуатации, что снижает надежность работы машин. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте – синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Каждая машина постоянного тока может работать как режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических называется обратимостью.

Машины постоянного тока (МПТ) состоят из индуктора, создающего магнитный поток и якоря, в котором наводится э.д.с. (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4

Индуктор состоит из корпуса 1, главных полюсов 2 и обмоток возбуждения 4.

Якорь состоит из вала 5, сердечника 6, обмоток 7 и коллектора.

Щетки 3 служат для подключения потребителя (режим генератора) и подачи напряжения на обмотку якоря (режим двигателя).Машины постоянного тока (МПТ) по способу соединения обмотки возбуждения делятся на машины с последовательным, параллельным, смешанным и независимым возбуждением.

При подключении к сети обмотки возбуждения создается магнитный поток Ф, пронизывающий сердечник якоря. В обмотке якоря протекает ток I_Я, сила взаимодействия которого с магнитным потоком Ф создает электромагнитный момент:

,

где – магнитная постоянная МПТ.

Под действием момента М якорь приходит во вращение и в его обмотке наводится ЭДС:

,

где - электрическая постоянная МПТ ; - число оборотов якоря МПТ, об/мин

Для непрерывного вращения ротора необходимо сохранить направление намагниченности ротора относительно магнитного потока Ф. Это достигается тем, что с помощью коллектора регулярно меняется направление тока в обмотке якоря на противоположное.

Напряжение сети равно:

Число оборотов двигателя определяется из выражения:

Машины постоянного тока с параллельным возбуждением имеют широкие возможности регулирования скорости вращения ротора, они могут обеспечивать постоянную скорость при различных нагрузках или различную скорость при постоянных нагрузках. Это достигается, главным образом, изменением магнитного потока при изменении тока возбуждения с помощью регулировочных реостатов, так как при этом потеря энергии на регулирование минимальны.

При пуске двигателя через обмотку якоря протекает значительный пусковой ток, так как в этот момент времени n = 0, E = 0 и I_я = U / R_я.

Для снижения пускового тока используют пусковые реостаты, ограничивающие ток до безопасной величины.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.):

,

где Р₁ = U (I_я + I_B) – мощность, потребляемая от сети, Вт; - полезная мощность на валу двигателя, Вт; - вращающий момент.

Вращающиеся электрические машины могут работать как в режиме двигателя, так и режиме генератора. В генераторном режиме вращающаяся электрическая машина преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую. В качестве первичного двигателя может служить гидравлическая или паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.

Генератор отдает мощность в нагрузку в том случае, когда ЭДС якоря превышает напряжение сети:

где -переменная э.д.с. якоря, выпрямляемая с помощью коллектора;

n- скорость вращения якоря, Ф - магнитный поток возбуждения.

При холостом ходе напряжение на зажимах генератора .

При замкнутой внешней цепи через нагрузку протекает ток якоря, который создает падение напряжения:

По способу возбуждения генераторы принято подразделять на генераторы с самовозбуждением, когда используется явлением остаточной намагниченности магнитопроводов, и с независимым возбуждением, когда обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока.

Основные свойства генератора определяются следующими зависимостями:

- характеристикой холостого хода при , где - ток возбуждения генератора;

- регулировочной характеристикой при ,

где U_Г – напряжение на выводах генератора.

- внешней характеристикой при , где I_н – ток нагрузки.

4.3.2 Асинхронный двигатель

Асинхронный электрический двигатель (АД) состоит из неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частей.

Статор АД состоит из корпуса 1, сердечника 2, обмотки 3 (рисунок 4.5)

Рисунок 4.5

Сердечник с обмоткой с помощью подшипников крепится к корпусу. Сердечник собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм. На внутренней стороне сердечника имеются пазы, в которые уложены три обмотки статора.

Ротор АД состоит из вала 4, сердечника 5 и обмотки 6. В двигателях мощностью до 100 кВт обмотку ротора выполняют заливкой пазов сердечника ротора расплавленным алюминием под давлением с одновременной отливкой торцевых замыкающих колец и крыльчатки вентилятора.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле с частотой вращения:

,

где - частота переменного напряжения, Гц; - число пар полюсов.

Вращающееся поле статора пересекает стержни обмотки ротора и наводит в них ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута накоротко, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора создает в проводниках обмотки ротора электромагнитные силы F_эм, стремящиеся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_эм, приложенных к стержням, создает на роторе электромагнитный момент М_эм, приводящий его в движение с частотой n₂ называется асинхронной, она всегда меньше частоты вращения поля n₁ за счет инерции ротора.

Разность частот ротора и поля статора характеризуется скольжением:

%.

Скольжение АД может изменяться от нуля (n₂ = n₁), что соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя почти не испытывает противодействующих моментов, до 100 % (n₂ = 0), что соответствует режиму короткого замыкания, когда при включении в сеть противодействующий момент на валу двигателя равен или больше пускового момента.

Число оборотов ротора:

Из этого выражения видно, что n₂ можно регулировать изменением и .

Для реверсирования АД необходимо изменить направление вращения поля статора на противоположное, для этого необходимо поменять местами два любых провода, идущих к зажимам обмоток статора.

Пуск АД с короткозамкнутым ротором может осуществляться непосредственным включением в сеть. Этот способ близок к режиму короткого замыкания и вызывает в статоре ток в 5 - 7 раз больше номинального, за счет этого в АД выделяется большое количество тепла, что может привести к его повреждению. Поэтому непосредственное включение АД в сеть осуществляется с помощью магнитных пускателей, оснащенных тепловыми расцепителями. Они не реагируют на кратковременное повышение тока при запуске и предотвращают перегрев двигателя.