Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Конспект лекций Электрические машины и автоматизированный электропривод - файл Progr5.doc


Конспект лекций Электрические машины и автоматизированный электропривод
скачать (2178.3 kb.)

Доступные файлы (6):

Progr5.doc1260kb.23.07.2011 20:52скачать
Progr6.doc2255kb.23.07.2011 21:31скачать
Прог1.rtf2110kb.23.07.2011 18:55скачать
Прог2.rtf4065kb.23.07.2011 19:09скачать
Прог3.rtf6879kb.06.07.2011 23:06скачать
Прог4.doc1888kb.23.07.2011 20:44скачать

содержание
Загрузка...

Progr5.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...


2) увеличением воздушного зазора под главными полюсами, но при этом необходимо увеличивать МДС обмотки возбуждения Fв, а следовательно и габариты машины.

3) повышением магнитного сопротивления Rм на пути магнтного потока реакции якоря, для чего применяется холоднокатанная анизотропная сталь, у которой направление проката совпадает с направлением оси главных полюсов, а именно в этом направлениии магнитная проницаемость стали наибольшая, а значит Rм наименьшее.


    1. ПОТЕРИ И КПД КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ


В ЭМПТ имеют место следующие виды потерь.

Магнитные потери Рм – происходят только в сердечнике якоря, т.к. только этот элемент ЭМПТ подвергается перемагничиванию.

Величина Рм зависит от частоты перемагничивания f, магнитных свойств стали сердечника, толщины листов стали, качества изоляции листов стали, величины магнитной индукции в сердечнике.

^ Механические потери Рмех складываются из потерь от трения щеток о колектор Рк , потерь от трения в подшипниках Рп и потерь на вентиляцию Рв, т.е.
Рмех = Рк + Рп + Рв (251)
В сумме магнитные и механические потери составляют постоянные потери или потери холостого хода Ро . Постоянными они называются потому, что не зависят от нагрузки машины

Ро = Рм + Рмех (252)
В режиме холостого хода ЭДПТ параллельного возбуждения (см. рис. 97) потребляет из сети мощность Р10 , величину которой можно определить следующим образом :

Р10 = U I0 = U Iао + U Iв (253)

где I0 – ток потребляемый двигателем в режиме холостого хода,

Iао – ток в цепи якоря в режиме холостого хода,

Iв - ток в цепи обмотки возбуждения,

U – напряжение сети.
Выражение (253) можно записать по другому:
U Iао + U Iв = Рмех + Рм + Iао2 Rдв + ΔUщ Iао + U Iв (254)
где ΔUщ = 2В – падение напряжения на щеточном контакте.
Поскольку ток Iао мал, то ΔUщ Iао ≈ 0, тогда

Р10 = Ро + U Iв + Iао2 Rдв

Следовательно Ро = Р10 - U Iв - Iао2 Rдв

или Ро = U Iао + U Iв - U Iв - Iао2 Rдв
то есть потери холостого хода могут определяться экспериментально по формуле:
Ро = U Iао - Iао2 Rдв (255)
Кроме постоянных потерь в ЭМПТ имеются переменные потери, т.е. потери зависящие от нагрузки, они чаще называются электрическими потерями.

^ Электрические потери Рэ образуются из-за нагрева обмоток и щеточного контакта при прохождении по ним электрического тока. Электрические потери состоят из:
- потерь в цепи якоря Рэа = Iа2 Rдв ; (256)

- потерь в обмотке возбуждения Рэа = Iв2 Rв = Uв Iв ; (257)

- потерь в щеточном контакте Рэщ = ΔUщ Iа ; (258)
Постоянные и переменные потери (потери холостого хода и электрические потери) называются основными потерями.

Существуют еще добавочные потери Рд – это трудноучитываемые потери (потери из-за пульсаций магнитного потока вследствие зубчатости якоря, потери от вихревых токов в меди обмоток и т.п.)

ГОСТом установлено: в ЭМПТ без компенсационной обмотки Рд = 0,01 Р1 ; в ЭМПТ с компенсационной обмоткой Рд = 0,005 Р1

Р2 UI - ∑Р

КПД для ЭМПТ определяется по формуле η = _____ = __________ ; (259)

Р1 UI
где ∑Р = Рм + Рмех + Рэа + Рэв + Рэщ + Рд – т.е. суммарные потери в машине;
Р1 = UI – входная мощность

η





ηном












Р2




0 Р2ном
Рисунок 110 – Зависимость КПД ЭМПТ от нагрузки.


    1. КОММУТАЦИЯ


Коммутация в общем случае – это все явления и процессы возникающие под щетками при работе коллекторных ЭМ.

Как правило, коммутация приводит к искрению на коллекторе ЭМ.

^ 4.8.1 ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ
1) Механические – из-за слабого давления щеток, биения коллектора, эллиптичности коллектора, его шероховатости, выступания изоляции и др.;

2) Потенциальные – при возникновении напряжения между коллекторными пластинами больше допустимого;

3) Коммутационные – из-за физических процессов происходящих в ЭМПТ при переходе секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.
По ГОСТу искрение на коллекторе оценивается степенью искрения (классом коммутации).

Существуют 5 классов коммутации 1; 1¼ ; 1½ ; 2,3.

Классы коммутации 1; 1¼ ; 1½ допустимы при номинальной нагрузке ЭМПТ.

^ Коммутация в узком смысле – это процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую путем замыкания этой секции щеткой.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией.

Продолжительность процесса коммутации определяется периодом коммутации:

60 Вщ

Тк = _________ ; (260)

к n Вк
где к – число коллекторных пластин,

n – частота вращения якоря;

Вщ – ширина щеток;

Вк - коллекторное деление, т.е. расстояние между серединами соседних

коллекторных пластин.

^ 4.8.2 ПРОЦЕСС КОММУТАЦИИ
Для рассмотрения процесса коммутации примем следующие допущения:

- сопротивление секции обмотки якоря мало по сравнению с сопротивлением перехода щетка-коллектор;

- ширина щетки равна коллекторному делению;

- щетки находятся на геометрической нейтрали.

Процесс коммутации показан на рисунках 111, 112, 113.


n2

Рисунок 111




Рисунок 112



Рисунок 113


В начальный момент коммутации (рис.111) щетка А касается только пластины 1, при этом коммутирующая секция (выделена утолщенными линиями) относится к правой параллельной ветви и ток в ней i равен току параллельной ветви ia.

Ток в первой пластине i1 равен току якоря Ia, ток во второй пластине i2 равен нулю.

Затем в процессе вращения якоря пластина 1 постепенно сбегает со щетки А и на смену ей набегает пластина 2. Коммутирующая секция оказывается замкнутой щеткой и ток в ней постепенно уменьшается. В середине процесса коммутации (t = 0,5 Тк) щетка равномерно перекрывает обе пластины (рис. 112).

После полного перехода щетки А с пластины 1 на пластину 2 (рис. 113) коммутирующая секция перейдет из правой параллельной ветви обмотки якоря в левую ветвь, а ток в коммутирующей секции по величине станет таким же как и в начале коммутации, однако направление его будет противоположным.

Поскольку период коммутации очень мал (Тк = 0,001 – 0,00001 с), то средняя скорость изменения тока в коммутирующей секции очень велика и определяется из формулы:

d i 2 i a

_____ = ________ (261)

d t Тк

Это приводит к возникновению в коммутирующей секции ЭДС самоиндукции

d i

еL = - LС ______ ; (262)

d t
где LС – индуктивность секции ;
Поскольку в каждом пазу сердечника якоря находится два или более пазовых проводника, принадлежащих разным секциям, то в этих соседних с коммутирующей секциях наводится ЭДС взаимоиндукции
d i

ем = - МС ______ ; (263)

d t
где МС – взаимоиндуктивность секций;
Обе ЭДС создают в коммутирующей секции реактивную ЭДС
ер = еL + ем (264)
Реактивная ЭДС препятствует изменению тока в коммутирующей секции и всегда имеет одно направление. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция на геометрической нейтрали, т.е. в зоне коммутации, имеет некоторое значение Вк. Под действием этой индукции Вк в коммутирующей секции наводится ЭДС вращения:
евр = Вк 2 l WcV; (265)
где l – длина пазовых проводников;

Wc – число витков в секции;

V – линейная скорость перемещения секции.
ЭДС вращения может иметь разное направление, в зависимости от полярности внешнего магнитного поля в зоне коммутации. Таким образом в коммутирующей секции действует суммарная ЭДС:

Σ е = ер + ев (266)
Тогда по второму закону Кирхгофа для коммутирующей секции замкнутой щеткой ( рис. 112) получим уравнение:
i1 r1 + I Rc – i2 r2 = Σе ; (267)
где r1 и r2 - переходные сопротивления между щеткой и соответствующей

коллекторной пластиной;

Rc – сопротивление секции.
Если принять, что Rc ≈ 0, то получим:
i1 r1 – i2 r2 = Σе ; (268)
Если скорость вращения якоря мала или, когда ер = - евр , то суммарный ЭДС не будет, т.е. Σе = 0 и в этом случае коммутация будет называться прямолинейной, т.е.
i1 r1 – i2 r2 = 0 (269)
В общем случае i1 = iа + i ; i2 = iа - i , подставив эти значения в (269) получим
( iа + i ) r1 - ( iа - i ) r2 = 0 ;

iа r1 + i r1 - iа r2 + i r2 = 0 ;
iа ( r2 – r1 )

i = ________________ (270)

r2 + r1
Однако сопротивление r2 и r1 изменяются при перемещении щетки от одной пластины к другой,т.е. являются переменными величинами. Установлено, что ток в коммутирующей секции при прямолинейной коммутации определяется по формуле :

2 t

i1 = iа ( 1 - ______ ) (271)

Тк
График изменения тока по (271) имеет вид прямой линии (см. рис. 114)
i


+ia

α




α t

Тк

0.5 Tк







-ia
Рисунок 114 – График прямолинейной коммутации.
При прямолинейной (идеальной) коммутации пластина коллектора выходит из под щетки без разрыва тока, поэтому искрения нет. Действительно искрение зависит от плотности тока под щеткой, а плотность тока зависит от tq α (см. рис.114).

При прямолинейной коммутации плотность тока (угол α на рис. 114) в начале и конце процесса коммутации одинакова.

Если частота вращения якоря большая (скорость изменения тока максимальна) или ер ≠ - евр , то возникает суммарная ЭДС, тогда уравнение тока в коммутирующей секции примет вид:
iа ( r2 – r1 ) Σе

i = ________________ + ________ (272)

r2 + r1 r2 + r1
или i = i пр + iд (273)
где i пр – ток прямой коммутации;

iд - добавочный ток коммутации.

Из-за нестабильности щеточно-коллекторного контакта, технологических отклонений и других причин невозможно строго выполнить условие прямолинейной коммутации (Σе = 0), поэтому график уравнения (272) имеет вид кривой, а коммутация называется криволинейной. При криволинейной коммутации под щетками возникает искрение из-за разных плотностей тока в начале и конце процесса коммутации.

      1. ^ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ


Для получения идеальной, т.е. прямолинейной коммутации, необходимо уравнение (272) привести к виду (270), т.е. уменьшить добавочный ток.
Σе

iд = _____________ (274)

r2 + r1
где в сумму r2 + r1 входит сопротивление щетки.

^ Первый способ – путем выбора щеток с большим переходным сопротивлением, для чего применяются электрографитированные щетки, которые получают путем нагрева заготовок из угля в электропечах до 20000С и тогда уголь переходит в графит, кроме этого для увеличения сопротивления r2 + r1 производится политура коллектора, т.е. на него наносится тонкая оксидная пленка (не смотря на то, что при этом происходит увеличение потерь мощности на контакте щетка-коллектор).

^ Второй способ – путем уменьшения Σе , для чего делают более узкими щетки, чтобы перекрывалось меньшее число коллекторных пластин, а значит будет закорачиваться меньшее число секций. Однако ширина щетки не может быть меньше допустимой ширины, величина которой выбирается из условий механической прочности материала щетки.

^ Третий способ – путем применения добавочных полюсов, которые создают в зоне коммутации (между главными полюсами) магнитное поле наводящее ЭДС евр компенсирующую ЭДС ер , т.е. Σе = ер - евр = 0 (275)
Тогда коммутация становится прямолинейной, см. (272).
Добавочные полюса имеют узкие сердечники, обеспечивающие создание требуемой магнитной индукции Вк . Обмотка добавочных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря, чтобы условие (275) выполнялось при всех режимах работы машины.

^ Четвертый способ – в ЭМПТ мощностью менее 1 кВт добавочные полюса не применяются, а коммутирующее поле Вк в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали за физическую нейтраль. У ГПТ щетки смещают в направлении вращения якоря, а у ЭДПТ щетки смещают против вращения якоря.

При значительных перегрузках ЭМПТ коммутационные и потенциальные причины искрения суммируются и вокруг коллектора образуется мощная электрическая дуга, называемая круговым огнем по коллектору, что может привести к тяжелой аварии.

Следовательно при эксплуатации ЭМПТ необходимо предусматривать меры по недопущению долговременных значительных перегрузок таких машин.

^ 4.9 КОЛЛЕКТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА


      1. Генераторы постоянного тока независимого возбуждения



Рисунок 115
При работе генератора постоянного тока независимого возбуждения (ГПТ НВ) в его обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа , см. (230).

При подключении к генератору нагрузки Rн (рис.115) в цепи якоря возникает ток Iа, а на выводах ГПТ устанавливается напряжение, которое можно определить по 2 закону Кирхгофа:

Еа = Iа Rн + Iа Rн ,

но Iа Rн = U

тогда уравнение напряжений ГПТ примет вид:
U = Еа - Iа Rдв (276)
где Rдв = Rа + Rд + Rко + Rс + Rщ-к - максимально возможное сопротивление цепи

обмотки якоря ;

Rа – сопротивление обмотки якоря ;

Rд - сопротивление обмотки добавочных полюсов (если она есть);

Rко - сопротивление компенсационной обмотки (если она есть);

Rс - сопротивление сериесной обмотки (если она есть)

Rщ-к - сопротивление щеточно-коллекторного контакта.

Если частота вращения якоря постоянна (n2 = const), то вращающий момент приводного двигателя М1, в соответствии с третьим законом Ньютона, уравновешивается суммой противодействующих моментов:

М0 – момент холостого хода,

М – электромагнитный момент.
Следовательно уравнение моментов ГПТ будет иметь вид: М1 = М0 + М (277)

Если (277) умножить на угловую скорость якоря ω, то получим уравнение мощностей: М1 ω = М0 ω + М ω
Р1 = Р0 + Рэм ; (278)

где Р1 – механическая мощность привода ;

Р0 - мощность подводимая к ГПТ в режиме холостого хода ;

Рэм – электромагнитная мощность ГПТ.
Рэм = Еа Iа , и Еа = U + Iа Rдв , см. (276)

Тогда Рэм = U Iа + Iа2 Rдв = Р2 + Рэа ; (279)

где Р2 – полезная мощность ГПТ ;
Рэа – потери мощности на нагрев обмоток и щеточно-коллекторного контакта.

Т.о. уравнение мощностей для ГПТ НВ примет вид :

Р1 = Ро + Р2 + Рэа + Рэв ; (280)
где Рэв – мощность потребляемая обмоткой возбуждения.


      1. ^ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГПТ НВ


4.9.2.1 Характеристика холостого хода
Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения, когда ток нагрузки отсутствует, а частота вращения якоря постоянна,

Еа = U0 = ƒ (Iв), при Iа = 0 ; n2 = const.

График этой характеристики представлен на рисунке 116.
Ea = Ua



Uamax






IB




0


Рисунок 116
Наличие напряжения, когда Iв = 0 объясняется остаточным магнетизмом магнитной системы ГПТ.

Характеристика холостого хода дает возможность судить о магнитных свойствах ГПТ.


        1. Нагрузочная характеристика


Нагрузочная характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения, при постоянной частоте вращения якоря и наличии тока нагрузки (обыччно номинального), т.е. U = ƒ (Iв), при Iа = Iном ; n2 = const.

График этой характеристики изображен на рис. 117

Рисунок 117

Из (276) видно, что когда Iа > 0, то U < Еа , поэтому график нагрузочной характеристики (Н.Х.) располагается ниже графика характеристики холостого хода (х.х.х.), см. рис.117.
При одном и том же токе возбуждения (допустим при Iв ном ) ЭДС якоря при нагрузке (Еа нагр ) будет меньше ЭДС якоря при холостом ходе (Еа хх ), потому что из-за реакции якоря происходит размагничивание магнитной системы ГПТ, т.е. уменьшается магнитный поток возбуждения Ф.
Размагничивающее влияние реакции якоря можно компенсировать увеличением тока возбуждения с Iв1 при х.х. до Iв ном при номинальной нагрузке.
На графике вс = Iв ном - Iв - это ток возбуждения компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря, в'с' < вс , т.к. при уменьшении тока Iв уменьшается степень магнитного насыщения ГПТ.

4.9.2.3 ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (в.х.)
Внешняя характеристика (в.х.) – это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения якоря и постоянном токе возбуждения, т.е. U = ƒ (Iа), при n2 = const ; Iв = const.
График в.х. представлен на рис. 118.
U
Uo=Ea

Uном












Ia

0 Iaном
Рисунок 118

Снижение графика в.х. при увеличении нагрузки происходит из-за реакции якоря и падения напряжения на суммарном сопротивлении цепи якоря.

Жесткость характеристики, т.е. степень ее снижения, оценивается номинальным изменением напряжения:

U0 - Uном

∆ Uном = _____________ 100 % (281)

Uном
Обычно ∆ Uном = 5 – 10 %


        1. РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (р.х.)


Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянной частоте вращения якоря и постоянном напряжении на зажимах генератора, т.е. Iв = ƒ (I), при n2 = const

U = const

График р.х. представлена на рис. 119







Iвном









I

0 Iном

Рисунок 119


Р.х. оценивает как нужно менять ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным.

Достоинства ГПТ НВ:

  1. возможность регулирования напряжения генератора в широких пределах;

2) жесткая внешняя характеристика, т.е. малозависящая от изменения нагрузки.

Недостатком ГПТ НВ является необходимость в постороннем источнике электроэнергии постоянного тока (возбудителе).

      1. ^ ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО

ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электрическая схема генератора постоянного тока параллельного возбуждения (ГПТ ПВ) приведена на рис. 120.

Рисунок 120


В ГПТ ПВ используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения ОВ получает питание от самого генератора. Самовозбуждение ГПТ возможно только при наличии гистерезиса в его магнитной цепи, т.е. когда в ней присутствует остаточный магнетизм.

При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма Фост индуктируется ЭДС Еост = СЕФост n и по обмоткам якоря и возбуждения начинает течь ток Iа (если нагрузка Rн отключена автоматом QF).

Если обмотка возбуждения включена так, что ее МДС Fов направлена согласно с МДС остаточного магнетизма Fост, то магнитный поток возбуждения будет увеличиваться, т.к Ф = Фов + Фост , а тогда увеличится и Еа , а значит и ток.

При этом ГПТ возбуждается и начинает работать с Iв = const и Еа = const , величины которых зависят от суммарного сопротивления Rв = Rрв + Rов .

Таким образом, если ГПТ работает в режиме холостого хода, то в контуре «якорь-ОВ» можно написать уравнение напряжений:

d iв

е = iв Rв + L _____

d t
d iв

или е - iв Rв = L _____ ; (282)

d t

где L – суммарная индуктивность обмотки возбуждения и обмотки якоря.
Все составляющие уравнения (282) могут быть изображены графически, см. рис.121



Рисунок 121
На рисунке прямая ОВ представляет собой график вольт-амперной характеристики цепи возбуждения: Uв = iв Rв = ƒ(iв).

Причем сопротивление цепи возбуждения определяется следующим образом:

Uв

Rв = ________ = tqα (283)

iв

Кривая на рисунке 121 есть не что иное, как график характеристики холостого хода ГПТ ПВ.

d iв

Из (282) видно, что пока е > iв , то е - iв Rв > 0, т.е. L _____ > 0 ,

d t

а значит идет процесс нарастания тока возбуждения iв .

Когда е = iв Rв , то возникает установившийся режим (точка С), поскольку

d iв

L _____ = 0

d t

При изменении сопротивления Rв – изменится угол α, а следовательно изменится Iво и Еао = Uо , т.е. точка С переместится.

Параметры цепи возбуждения подбираются так, чтобы в точке С обеспечивался устойчивый режим самовозбуждения.

^ Условия самовозбуждения ГПТ ПВ:

1) магнитная система ГПТ должна обладать остаточным магнетизмом;

2) присоединение ОВ должно быть таким, чтобы МДС ОВ совпадала по направлению с МДС остаточного магнетизма;

3) угол α должен быть меньше критического значения α кр то есть Rв < Rв крит.

4) частота вращения якоря ГПТ должна быть больше критической (наименьшей, при которой ГПТ возбуждается), т.е. n2 > n2 крит

Нагрузочная и регулировочная характеристики ГПТ ПВ практически не отличаются от аналогичных харакетристик ГПТ НВ.

А вот внешняя характеристика ГПТ ПВ имеет свои особенности, см. рис.122.

Рисунок 122.
Из схемы на рис. 120 видно, что Iа = I +Iв, в то же время из ( 276)
U = Ea - I Rдв – Iа Rдв

или I Rн = Ea - I Rдв - Iв Rдв

Ea - Iв Rдв

Отсюда I = _______________ (284)

Rн + Rдв

Из (284) видно, что при уменьшении сопротивления нагрузки Rн ток I увеличивается до значения Iкр, после чего, если Rн уменьшается постепенно (в этом случае магнитная система ГПТ успевает размагнитится и значит генератор выходит на линейный участок своей магнитной характеристики), тогда Ea уменьшается быстрее (из-за реакции якоря) чем уменьшается Rн и происходит уменьшение тока I при увеличении нагрузки (т.е. при уменьшении Rн ) см. (284) и рис. 122 (участок аb).

Таким образом ток короткого замыкания Iк при постоянном увеличении нагрузки (уменьшении Rн ) не опасен. Этот ток Iк создается в этом случае только из-за ЭДС остаточного магнетизма. Однако на участке аb работа ГПТ неустойчива.

При внезапном коротком замыкании, т.е. при быстром уменьшении Rн , магнитная система ГПТ не успевает размагнитится и ток короткого замыкания превосходит номинальный в 8 – 12 раз, т.е. Iк = (8 –12) Iном . Поэтому возникает большой электромагнитный момент и сильное искрение на коллекторе, а возможно и круговой огонь на коллекторе.

При необходимости иметь внешнюю характеристику с регулируемой жесткостью применяются ^ ГПТ смешаного возбуждения. Регулировка жесткости внешней характеристики в таких ГПТ достигается встречным либо согласным включением последовательной и параллельной обмоток возбуждения, а также изменением числа витков последовательной обмотки.

В ^ ГПТ последовательного возбуждения напряжение генератора сильно изменяется при изменении нагрузки, поэтому для электрического питания такие генераторы не применяются.
^ 4.10 КОЛЛЕКТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


      1. Коллекторные электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения.

Электрическая схема включения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения (ЭДПТ НВ) изображена на рис. 123.



Рисунок 123
Для цепи обмотки якоря ЭДПТ НВ по второму закону Кирхгофа, учитывая указанное на рис. 123 направление обхода контура, можно составить уравнение:

Ea - U = – Iа Rдв (285)

отсюда получим уравнение напряжений ЭДПТ:

U = Ea + Iа Rдв (286)

Решив (286) относительно тока Iа , получим

U - Ea

Iа = ________ (287)

Rдв

Если умножить (286) на Iа , то получится уравнение мощности для цепи якоря:
U Iа = EaIа + Iа 2 Rдв (288)
или Р1 = Рэм + Рэа , (289)

где Р1 – потребляемая мощность;

Рэм – электромагнитная мощность;

Рэа – мощность электрических потерь в цепи обмотки якоря.
Если умножить (230) на Iа , то получим:

РN

EaIа = ________ n Iа ,

60 а

60 ω

но n = _________



РN 60 ω РN

тогда EaIа = ________ Ф _______ Iа = ______ Ф Iа ω

60 а 2π 2πа

или EaIа = М ω = Рэм

из (288) получим U Iа = М ω + Iа 2 Rдв (290)
т.е. с увеличением момента нагрузки Мс будет увеличиваться уравновешивающий его электромагнитный момент двигателя М, а следовательно из (290) увеличится Р1 = U Iа , но т.к. U = const, то увеличение Р1 возможно только при увеличении тока Iа.

Таким образом, увеличение механической нагрузки на двигатель приводит к увеличению тока якоря.

Из (230) можно определить частоту вращения якоря: n = Ea/СеФ,

но из (286) Ea = U - Iа Rдв ,

U - Iа Rдв

тогда n = _____________

СеФ
U Iа Rдв

или n = _______ - _________ (291)

СеФ СеФ
- это аналитическое выражение электромеханической характеристики ЭДПТ НВ,
т.е. n = ƒ(Iа).

Из (291) видно, что регулировать частоту вращения якоря n при постоянной нагрузке можно путем изменения или U, или Ф, или Rдв.

Направление вращения якоря зависит от направления Ф и направления Iа.

Зависимость n = ƒ(М) называется механической характеристикой ЭДПТ, ее аналитическое выражение можно вывести из (291), если заменить ток Iа моментом М, определив Iа из выражения (231):

Iа = М/СмФ и тогда
U М Rдв

n = _______ - _____________ (292)

СеФ СеСмФ2


      1. ПУСК ЭДПТ


В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен, т.е. n = 0, а значит Ea = Се Фn = 0 ;

Обычно Rдв мало и поэтому пусковой ток: Iап = U/Rдв = (10-20) Iа ном

Большое значение пускового тока опасно для ЭДПТ, т.к. может вызвать сильное искрение и даже круговой огонь по коллектору, а также резкое падение напряжения в сети.

В ЭДПТ с выходной мощностью меньше 1 кВт Rдв достаточно велико, поэтому пусковой ток Iап = ( 3 - 5) Iа ном и такие ЭДПТ пускают непосредственным включением в сеть.

В ЭДПТ с мощностью более 1 кВт применяются пусковые реостаты (ПР), которые на время пуска включаются последовательно с обмоткой якоря и служат для ограничения пускового тока. Сопротивление ПР выбирается таким, чтобы Iап < 2 Iа ном

В начальный момент пуска цепь обмотки якоря включается в сеть через максимальное сопротивление ПР, которое по мере разгона ЭДПТ снижается до нуля.

U

Iап = ___________ (293)

Rдв + Rпр

Сопротивление реостата цепи ОВ Rрв на время пуска полностью выводится, чтобы магнитный поток возбуждения был наибольшим, т.к.
М = См Ф Iа
Схемы включения ЭДПТ отличаются от схем включения ГПТ только наличием ПР.


      1. ^ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электрическая схема подключения ЭДПТ ПВ представлена на рисунке 124.
Характерной особенностью ЭДПТ ПВ является то, что ток в ОВ (Iв) не зависит от тока нагрузки I.

Эксплуатационные свойства ЭДПТ определяются его рабочими характеристиками, которые определяются опытным путем при номинальных напряжении и токе возбуждения.

Графики рабочих характеристик показаны на рисунках 125 – 128.

При сильной реакции якоря ЭДПТ оказывается в зоне неустойчивости (пунктирная кривая на рис. 125).

Электродвигатель постоянного тока параллельного возбуждения (ЭДПТ ПВ) является частным случаем ЭДПТ НВ (когда напряжение на обмотке якоря равно напряжению обмотки возбуждения).


Рисунок 124



n










no

∆n

nном



P2

o P2ном
Рисунок 125 – Скоростная характеристика n = ƒ(Р2), U = const , Iв = const
Для выхода из зоны неустойчивости применяется легкая последовательная обмотка на главных полюсах – стабилизирующая обмотка.

Из скоростной характеристики определяется номинальное изменение частоты вращения:

nо - nном

∆ nном = ____________ 100 % (294)

nном
Обычно для ЭДПТ ПВ Δ nном = (2 – 8) %





М I




M = f(P2)



M2 = f(P2)


Р2 I0 Р2




0 0
Рисунок 126 – Моментные характеристики Рисунок 127 – Токовая

(U = const , Iв = const). характеристика

I = ƒ(Р2), U = const , Iв = const


η


ηном









Р2




0 Р2ном
Рисунок 128 – Характеристики КПД η = ƒ(Р2), U = const , Iв = const.
Кроме рабочих характеристик, при анализе работы ЭДПТ применяются электромеханическая и механическая характеристики, графики которых строятся по уравнениям (291) и (292) соответственно.

Обычно эти две характеристики строятся в одной системе координат, т.к. их графики имеют одинаковую форму, см. рис. 129.

n
n0
nном










0 Iном( Мном ) I (M)
Рисунок 129 – Электромеханическая и механическая характеристики ЭДПТ НВ.

Разрыв в цепи обмотки возбуждения при работе ЭДПТ ПВ недопустим, т.к. при этом возникает большая ЭДС самоиндукции, что опасно для изоляции, кроме того происходит недопустимое увеличение частоты вращения якоря (двигатель идет вразнос), причины этого видны из формулы (291).


      1. ^ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электрическая схема включения электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ЭДПТ Пос В) представлена на рис. 130.



Рисунок 130
Поскольку обмотка возбуждения ЭДПТ Пос В включена последовательно с обмоткой якоря, то магнитный поток возбуждения Ф зависит от тока нагрузки.

Ток нагрузки является одновременно и током возбуждения и током якоря.

При минимальных нагрузках магнпитная система ЭДПТ Пос В ненасыщенна и магнитный поток Ф пропорционален току, т.е

Ф = Кф Iа ( 295)

где Кф – коефициент пропорциональности
Тогда из (231) получим:

М = См Кф Iа2 ( 296)


М

Iа = ___________ ( 297)

См Кф

В этом случае аналитическое выражение электромеханической характеристики для ЭДПТ Пос В будет иметь вид:

U Rдв

n = ___________ - ___________ ( 298)

Се Кф Iа Се Кф


(298) получено из ( 291), с учетом ( 295).

График электромеханической, а также скоростной характеристик изображен на рис.131
n М

Рном

nном







I ( P2 ) I ( P2 )

0 0

Rдв { Iном(Рном) Iном(Рном)

Се Кф
Рисунок 131 Рисунок 132 – Моментная
характеристика
Механическая характеристика ЭДПТ Пос В получается из (292) с учетом (295) и (297):
U М Rдв

n = _____________ - _____________________ ( 299)

Се Кф Iа Се См Кф2 Iа2
окончательно аналитическое выражение механической характеристики:
U Rдв

n = ____________________ - ___________ ( 300)

КфМ Се Кф

Cе _________

См
n

nном












М

0

Rдв { Мном Мк

Се Кф

Рисунок 133 – Механическая характеристика ЭДПТ Пос В.
Как видно из графиков на рис. 131 и 133, при уменьшении нагрузки ЭДПТ Пос В частота вращения якоря n резко увеличивается и при нагрузках меньших 0,25 от номинальной, частота вращения может достичь опасных для подшипников значений (двигатель пойдет вразнос).

Поэтому ЭДПТ Пос В мощностью более 10 кВт нельзя применять с ременной передачей.

Поскольку ЭДПТ Пос В не боятся больших уменьшений напряжения сети и лучше выдерживают перегрузки на подъемах, т.к. с увеличением тока момент двигателя увеличивается квадратично, см. (296), а значит UI растет медленнее чем М, то эти двигатели широко применяются на электротранспорте в качестве тяговых:
^ 4.10.5 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Электрическая схема включения электродвигателя постоянного тока смешанного

возбуждения ( ЭДПТ СВ ) изображена на рисунке 134.

Аналитическое выражение электромеханической характеристики ЭДПТ СВ:
U Iа Rдв

n = _______________________ - _______________________ (301)

Се шо ± Фсо) Се шо ± Фсо)
где Фшо - магнитный поток возбуждения шунтовой обмотки;

Фсо - магнитный поток возбуждения сериесной обмотки;

(+) – при согласном включении обмоток возбуждения.

При встречном включении обмоток возбуждения поток Фсо размагничивант магнитную систему двигателя, что ведет к увеличению частоты вращения n при увеличении нагрузки, т.е. работа двигателя становится неустойчивой.




Рисунок 134
По своей форме характеристики ЭДПТ СВ занимают промежуточное положение между характеристиками ЭДПТ ПВ и ЭДПТ Пос В, см.рис. 135.




n


nном







Iк( Мк ) I ( M )




0 Iном( Мном )

Рисунок 135
Преимущество ЭДПТ СВ по сравнению с ЭДПТ Пос В в том, что он может работать вхолостую, но более дорогой, т.к. у него две обмотки возбуждения.


    1. ^ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ


Универсальный коллекторный двигатель (УКД) может работать как от сети постоянного тока, так и от сети однофазного переменного тока. Это возможно потому, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбуждения, т.е. меняется полярность главных полюсов. ЭДПТ ПВ, ЭДПТ Пос В и ЭДПТ СВ также могут работать от сети переменного тока, но при этом попадают в тяжелые условия коммутации. С УКД этого не происходит, т.к. он имеет ряд конструктивных особенностей:

1) его магнитная система полностью шихтованная (чтобы устранить магнитные потери в сердечнике главных полюсов, т.к. в ОВ ток может быть переменным);

2) обмотка возбуждения секционирована, т.е. ее катушки состоят из двух секций и имеют промежуточные выводы. Это необходимо для выравнивания частоты вращения якоря при работе на переменном и постоянном токе. Действительно, при переменном токе появляется индуктивное сопротивление из-за чего характеристики станут менее жесткими, т.е. уменьшится частота вращения при той же нагрузке двигателя по сравнению с питанием от источника постоянного напряжения.

Электрическая схема включения УКД изображена на рис. 136




Рисунок 136
Однако полной идентичности характеристик УКД на постоянном и переменном токе достичь не удается.

УКД устроен принципиально как ЭДПТ Пос В, т.к. параллельная ОВ имеет большее число витков, а значит и большее индуктивное сопротивление.

Разнесение обмотки возбуждения симметрично по обе стороны от обмотки якоря (симметрирование обмотки) применяется для уменьшения радиопомех, создаваемых коллекторными машинами при работе. Другим способом борьбы с радиопомехами является прменение фильтров, в качестве которых чаще всего применяются конденсаторы.


^ 4.12 ТАХОГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Тахогенераторы применяются для измерения частоты вращения вала по значению выходного напряжения. Обычно это ГПТ малой мощности с независимым возбуждением или с возбуждением постоянными магнитами, см.рис. 137.





Рисунок 137


К выводам тахогенератора подключается измерительный прибор с большим внутренним сопротивлением и со шкалой проградуированной в единицах частоты вращения.
Uвых = Еа = Се Фn = Се' n (302)
где Се' = Се Ф – постоянный коэффициент, т.к. ток возбуждения постоянен.
Точность работы тахогенератора определяется его выходной характеристикой Uвых = ƒ(n), график котрой изображен на рис. 138.
Uвых идеальная




реальная


0 n




nmin
Рисунок 138
Криволинейность реальной выходной характеристики объясняется реакцией якоря, чтобы уменьшить реакцию якоря нужно уменьшить ток якоря для чего и подключается прибор с большим внутренним сопротивлением.

^ Зона неустойчивости (nmin) возникает из-за падения напряжения в щеточном контакте (∆Uщ):

∆ Uщ

nmin = _________ (303)

Се Ф


^ 4.13 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Основные требования к исполнительным двигателям постоянного тока (ИДПТ) такие же как и к асинхронным ИД, т.е.

  • отсутствие самохода;

  • прямолинейность характеристик;

  • минимальная инерционность, т.е. высокое быстродействие;

  • напряжение трогания должно быть минимальным;

  • широкий диапазон регулирования частоты вращения якоря;

В ИДПТ обмотки якоря и главных полюсов питаются от двух независимых источников тока.

Одна из них (ее называют условно обмоткой возбуждения) подключается постоянно к источнику постоянного напряжения, а на другую (ее называют обмоткой управления – ОУ) подается напряжение управления Uу но только тогда, когда необходимо вращение или поворот вала.

В зависимости от того, на какую обмотку подается сигнал управления, различается два типа исполнительных двигателей: с якорным (рис.139) и полюсным (рис.140) управлением.



Рисунок 139 Рисунок 140
ИД обычно работают в переходном режиме; для них характерны частые пуски, остановки и реверсы.

Для соблюдения требования инерционности применяются ИДПТ с гладким (беспазовым) якорем, представляющим собой полый стакан из проводников обмотки залитых пластмассой, на дне – коллектор. Внутри этого стакана массивный сердечник (внутренний статор). Достоинством таких ИД является малоинерционность, малая индуктивность обмотки якоря, что улучшает коммутацию.

Недостаток – большой зазор между ротором и статором, а значит и завышенные габариты.


    1. ^ БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


Бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) отличаются от ЭДПТ тем, что у них щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами поступающими с бесконтактного датчика положения ротора (ДПР). В качестве ДПР могут применяться индуктивные датчики, герконовые датчики, датчики Холла.

Структурная схема БДПТ показана на рис. 141, а электрическая схема БДПТ с датчиками Холла на рис. 142.



БК – блок коммутатора

ДПР – датчик положения ротора

Д - двигатель
Рисунок 141 – Структурная схема БДПТ.
Действие датчика Холла основано на эффекте Холла, т.е. появлении ЭДС в направлении перпендикулярном току, протекающему через полупроводник помещенный в магнитное поле, из-за отклонения движущихся носителей заряда магнитным полем.

Рисунок 142
Обмотка якоря (рабочая обмотка) БДПТ распологается на явно выраженных полюсах сердечника статора и состоит из четырех фазных обмоток w1, w2, w3, w4 (рис.142). Датчики Холла ДХ1 и ДХ2 устанавливаются в пазах полюсных наконечников двух смежных полюсов.

Каждая фазная обмотка состоит в свою очередь из двух катушек, расположенных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последовательно, как показано на рис. 143. Причем, если по какой-либо из фазных обмоток статора ток течет от начала Н к концу К, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.

Если в зоне северного полюса N ротора находится датчик ДХ1 (рис.142), то на выходе этого датчика появляется ЭДС, причем более низкий потенциал ЭДС на клемме 3 датчика, в результате чего открывается транзистор VТ2 блока коммутатора и в фазной обмотке w2 появляется ток i2, протекающий от Н2 к К2. При этом полюс статора 2 (рис.143) становится южным S, а полюс 4 – северным N.

Возникают магнитные силы взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора, ротор поворачивается против часовой стрелки на угол α ≈ 450.

После поворота ротора на 450 в зоне его южного полюса S окажется датчик ДХ2, на выходе 4 которого появится отрицательный потенциал, из-за чего откроется транзистор VТ3, через него на фазную обмотку w3 потечет ток i3 от Н3 к К3 и полюсы 3 и1 приобретут полярность S и N соответственно. При этом VТ2 еще будет открыт и полюса 2 и 4 имеют прежнюю полярность.



Рисунок 143
В этом случае магнитный поток статора будет создаваться совместным действием МДС обмоток w2 и w3 . Ротор, продолжая вращение, займет положение по оси полюсов 2 – 4.

В этом случае датчик ДХ1 окажется в межполюсном пространстве ротора, а датчик ДХ2 будет оставаться в зоне полюса S ротора.

В результате этого отрицательный потенциал на выходе 3 ДХ1 исчезнет и VТ2 закроется, однако VТ3 будет оставаться открытым и магнитный поток статора будет создаваться лишь обмоткой w3 . После пересечения ротором оси полюсов 2 – 4 датчик ДХ1 окажется в зоне полюса S ротора и откроется VТ4 ( VТ3 будет оставаться открытым). Далее поочередно открываются остальные транзисторы и ротор в конце цикла поворачивается на 3600. Реверс БДПТ осуществляется изменением полярности напряжения U1 в тoковой цепи датчиков Холла.


    1. ^ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ


Электромашинный усилитель (ЭМУ) – это электрическая машина, работающая в генераторном режиме и предназначена для усиления электрических сигналов. ЭМУ применяются в системах автоматики и представляют собой генераторы постоянного или переменного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления.

Отношение выходной мощности к мощности управления называется коэффициентом усиления по мощности.

Простейшим ЭМУ является обычный ГПТ НВ, у которого, как известно, мощность, подаваемая на обмотку возбуждения (управления), во много раз меньше выходной мощности, получаемой от обмотки якоря. Усиление мощности в этой машине происходит за счет механической энергии, поступающей от приводного двигателя (ПД), что является характерным и для всех других ЭМУ. Однако в ГПТ НВ нельзя получить очень большие коэффициенты усиления, необходимые в современных автоматических системах. Наиболее распространенными в автоматике являются ЭМУ поперечного поля. В отличие от ГПТ НВ в этом ЭМУ основным рабочим потоком является магнитный поток создаваемый током обмотки якоря – поперечный поток реакции якоря.

Принцип действия ЭМУ рассмотрим по схеме изображенной на рисунке 144.


Скачать файл (2178.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru