В общем случае мощность на
валу P2, момент М и частота вращения n связаны
соотношением:
Потребляемая двигателем из
сети мощность Р1, величины P2, КПД, U, I связаны
соотношениями:
где
Очевидно, что эти соотношения
справедливы также и для номинального
режима работы двигателя.
5. КПД двигателей постоянного
тока
Коэффициент полезного действия
является важнейшим показателем двигателей
постоянного тока. Чем он больше, тем меньше
мощность Р и ток I, потребляемые двигателем
из сети при одной и той же механической
мощности. В общем виде зависимостьть
такова:
(9)
где
- потери в обмотке якоря;
- потери в обмотке возбуждения;
- потери в магнитопроводе якоря;
- механические потери.
Потери мощности
не зависят,
и
мало зависят от нагрузки двигателя.
Двигатели рассчитываются таким
образом, чтобы максимальное значение
КПД было в области, близкой к номинальной
мощности. Эксплуатация двигателей при
малых нагрузках нежелательна вследствие
малых значений rя. Значения КПД двигателей
с различными способами возбуждения и
мощностью от 1 до 100 кВт при номинальной
нагрузке разные и составляют в среднем
0,8.
6.Характеристики двигателей
постоянного тока
6.1. Рабочие характеристики
Рабочими называются регулировочная,
скоростная, моментная и к.п.д. характеристики.
Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика
представляет зависимость скорости вращения
П от тока Iв возбуждения в случае, если
ток Iа якоря и напряжение U сети остаются
неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const.
До тех пор, пока сталь магнитопривода
машины не насыщена, поток Ф изменяется
пропорционально току возбуждения Iв.
В этом случае регулировочная характеристика
является гиперболической.
По мере насыщения
при больших токах Iв характеристика
приближается к линейной (рис. 2). При малых
значениях тока Iв скорость вращения резко
возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждения
двигателя (Iв = 0) с параллельным возбуждением
скорость его вращения достигает недопустимых
пределов, как говорят: «Двигатель идет
вразнос». Исключение могут составлять
микродвигатели, которые имеют относительно
большой момент М0 холостого хода.
Рис. 2. Регулировочная характеристика
двигателя
В двигателях последовательного
возбуждения Iв = Iа. При малых нагрузках
ток якоря Iа мал и скорость вращения может
быть слишком большой, поэтому пуск и работа
при малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели
так же, как и. в предыдущем случае, могут
составлять исключение.
Скоростные характеристики.
Скоростные характеристики
дают зависимость скорости вращения п
от полезной мощности Р2 на валу двигателя
в случае, если напряжение U сети и сопротивление
rв регулировочного реостата цепи возбуждения
остаются неизменными, т. е. n=f(P2), при U=const
и rв = const.
Рис. 3. Скоростные характеристики
С возрастанием тока якоря при
увеличении механической нагрузки двигателя
параллельного возбуждения одновременно
увеличивается падения напряжения в якоре
и появляется реакция якоря, которая обычно
действует размагничивающим образом.
Первая причина стремится уменьшить
скорость вращения двигателя, вторая —
увеличить. Действие падения напряжения
в якоре обычно оказывает большее влияние.
Поэтому скоростная характеристика двигателя
параллельного возбуждения имеет слегка
падающий характер (кривая 1, рис. 3).
В двигателе последовательного
возбуждения ток якоря является током
возбуждения. В результате скоростная
характеристика двигателя с последовательным
возбуждением имеет характер, близкий
к гиперболическому. При увеличении нагрузки
по мере насыщения магнитной цепи характеристика
приобретает более прямолинейный характер
(кривая 3 на рис. 3).
В компаундном двигателе при
согласном включении обмоток скоростная
характеристика занимает промежуточное
положение между характеристиками двигателя
параллельного и последовательного возбуждения
(кривая 2).
Моментные характеристики.
Моментные характеристики показывают,
как изменяется момент М при изменении
полезной мощности Р2 на валу двигателя,
если напряжение U сети и сопротивление
rв регулировочного реостата в цепи возбуждения
остаются неизменными, т. е. М = f(P2), при
U=const, rв=const.
Полезный момент на валу двигателя
Если скорость вращения двигателя
параллельного возбуждения не изменялась
бы с нагрузкой, то зависимость момента
Ммех от полезной мощности графически
представляла бы прямую линию, проходящую
через начало координат. В действительности
скорость вращения с увеличением нагрузки
падает. Поэтому характеристика полезного
момента несколько загибается кверху
(кривая 2, рис. 4). При этом кривая электромагнитного
момента М проходит выше кривой полезного
момента Ммех на постоянную величину,
равную моменту холостого хода М0 (кривая
1).
Рис. 4. Моментные характеристики
В двигателе последовательного
возбуждения вид моментной характеристики
приближается к параболическому, так как
изменение момента от тока нагрузки происходит,
по закону параболы, пока сталь не насыщена.
По мере насыщения зависимость приобретает
более прямолинейный характер (кривая
4). В компаундном двигателе моментная
характеристика (кривая 3) занимает промежуточное
положение между характеристиками двигателя
параллельного и последовательного возбуждения.
Характеристика изменения коэффициента
полезного действия.
Кривая зависимости к. п. д. от
нагрузки имеет характерный для всех двигателей
вид (рис 5). Кривая проходит через начало
координат и быстро растет при увеличении
полезной мощности до 1/4 номинальной. При
мощности Р2, равной примерно 2/3 номинальной,
к. п. д. обычно достигает максимального
значения. При увеличении нагрузки до
номинальной к. п. д. остается постоянным
или незначительно падает.
Рис. 5. Изменение к. п. д. двигателя
6.2 Механическая характеристика
Важнейшей характеристикой
двигателя является механическая n(M). Она
показывает, как зависит частота вращения
двигателя от развиваемого момента. Если
к обмоткам двигателя подведены номинальные
напряжения и отсутствуют дополнительные
резисторы в его цепях, то двигатель имеет
механическую характеристику, называемую
естественной. На естественной характеристике
находится точка, соответствующая номинальным
данным двигателя (Мн, Ря и т.д.). Если же
напряжение на обмотке якоря меньше номинального,
либо Iв < Iвн, то двигатель будет иметь
различные искусственные механические
характеристики. На этих характеристиках
двигатель работает при пуске, торможении,
реверсе и регулировании частоты вращения.
Преобразовав выражение (3) относительно
частоты вращения, получим уравнение электромеханической
характеристики n(Iя):
(7)
После замены в уравнении (7)
тока Iя согласно формуле (1), получим уравнение
механической характеристики n(М):
(8)
При Ф = соnst, электромеханическая
n(Iя) и механическая n(М) характеристики
двигателя параллельного возбуждения
представляют собой прямые линии. Так
как за счет реакции якоря магнитный поток
немного изменяется, то характеристики
в действительности несколько отличаются
от прямых.
При работе вхолостую (М = 0) двигатель
имеет частоту вращения холостого хода,
определяемую первым членом уравнения
(8). С увеличением нагрузки n уменьшается.
Как следует из уравнения (8), это объясняется
наличием сопротивления якоря rя.
Поскольку rя не велико, частота
вращения двигателя при увеличении момента
изменяется мало, и двигатель имеет жесткую
естественную механическую характеристику
(рис.6, характеристика 1).
Из уравнения (8) следует, что
регулировать частоту вращения при заданной
постоянной нагрузке (М = const) можно тремя
способами:
а) изменением сопротивления
цепи якоря;
б) изменением магнитного потока
двигателя;
в) изменением напряжения на
зажимах якоря.
Рис. 6 Механические характеристики
Для регулирования частоты
вращения первым способом в цепь якоря.
должно быть включено добавочное сопротивление
rд. Тогда сопротивление в уравнении (8)
необходимо заменить на rя + rд.
Как следует из уравнения (8),
частота вращения n связана с сопротивлением
цепи якоря rя + rд при постоянной нагрузке
(М = const) линейной зависимостью, т.е. при
увеличении сопротивления частота вращения
уменьшается. Разным сопротивлениям rд
соответствуют различные искусственные
механические характеристики, одна из
которых приведена на рис.2 (характеристика
2). С помощью характеристики 2 при заданном
моменте М1 можно получить частоту вращения
n2.
Изменение частоты вращения
вторым способом осуществляется с помощью
регулируемого источника напряжения UD2.
Изменяя его напряжение регулятором R2,
можно изменить ток возбуждения IВ и тем
самым магнитный поток двигателя. Как
видно из уравнения (8), при постоянной
нагрузке (М = соnst) частота вращения находится
в сложной зависимости от магнитного потока
Ф.
Анализ уравнения (8) показывает,
что в некотором диапазоне изменения магнитного
потока Ф уменьшение последнего приводит
к увеличению частоты вращения. Именно
этот диапазон изменения потока используют
при регулировании частоты вращения.
Каждому значению магнитного
потока соответствует искусственная механическая
характеристика двигателя, одна из которых
приведена на рис.2 (характеристика 4). С
помощью характеристики 4 при моменте
М1 можно получить частоту вращения n4.
Чтобы регулировать частоту
вращения изменением напряжения на зажимах
якоря, необходимо иметь относительно
мощный регулируемый источник напряжения.
Каждому значению напряжения соответствует
искусственная механическая характеристика
двигателя, одна из которых приведена
на рис.2(характеристика
3). С помощью характеристики 3 при заданном
моменте М1 можно получить частоту вращения
n3.
1.3 Приминение ДПТ
Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах,
где требуется большой диапазон регулирования
скорости, большая точность поддержания
скорости вращения привода, регулирования
скорости вверх от номинальной.
Как устроены электродвигатели постоянного
тока
Работа электрического двигателя постоянного
тока основана на явлении электромагнитной индукции.
Из основ электротехники известно, что
на проводник с током, помещенный в магнитное поле,
действует сила, определяемая по правилу
левой руки:
F = BIL,
где I — ток, протекающий по проводнику,
В — индукция магнитного поля; L — длина
проводника.
При пересечении проводником магнитных
силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила,
которая по отношению к току в проводнике
направлена против него, поэтому она
называется обратной или противодействующей
(противо-э. д. с). Электрическая мощность
в двигателе преобразуется в механическую
и частично тратится на нагревание проводника.
Конструктивно все электрические двигатели постоянного
тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.
Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного
поля машины и состоит из станины, главных
и добавочных полюсов.
Станина служит для крепления основных
и добавочных полюсов и является элементом
магнитной цепи машины.
На главных полюсах расположены обмотки
возбуждения, предназначенные для создания
магнитного поля машины, на добавочных
полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения
условий коммутации.
Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в
пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.
Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от
друга медных пластин. На коллекторе имеются
выступы-петушки, к которым припаяны концы
секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется
с помощью щеток, обеспечивающих скользящий
контакт с коллектором.
Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают
их в определенном положении и обеспечивают
необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели
закреплены на траверсе, связанной с корпусомэлектродвигателя.
Коммутация в электродвигателях постоянного тока
В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности
вращающегося коллектора, последовательно
переходят с одной коллекторной пластины
на другую. При этом происходит переключение
параллельных секций обмотки якоря и изменение
тока в них. Изменение тока происходит
в то время, когда виток обмотки замкнут
щеткой накоротко. Этот процесс переключения
и явления, связанные с ним, называются коммутацией.