Министерствообразования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПОЮжно-Уральский государственный университет
Филиал в г.Златоусте
Реферат
Двигателипостоянного тока
ЗД-431.583.270102
Выполнил: Шарипова Ю.Р.
Группа: ЗД-431
Проверил: Румянцев.Е.
Содержание
1. Введение
2. Устройствои принцип действия двигателей постоянного тока
3. Пускдвигателей
4.Технические данные двигателей
5. Кпддвигателей постоянного тока
6Характеристики двигателя постоянного тока
6.1 Рабочиехарактеристики
6.2Механическая характеристика
7. Списокиспользуемой литературы
1.Введение
Электрическиемашины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.
Значительноераспространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценнымикачествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами,сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании иторможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.
Электродвигателипостоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводовразличных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотенкиловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами имеханизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянноготока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.
Взависимости от схемы питания, обмотки возбуждения машины постоянного токаразделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным исмешанным возбуждением).
Ежегодныйвыпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменноготока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.
Вначалесоздавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степенибыли вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного иэкономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного токасохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для приводаметаллургических станков, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. Всистемах автоматики машины постоянного тока широко используются в качествеисполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжныхсамозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинныхусилителей.
2. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока
Устройство машинпостоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано нарис.1. К стальному корпусу 1 статора машины прикреплены главные 2 идополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3,на дополнительных — обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждениясоздает магнитный поток Ф машины.
/>
Рис.1
На валу 10 двигателязакреплен цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмоткаякоря 7. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 9. К нему жеприжимаются пружинами неподвижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателяколлектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин.С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешнейэлектрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразованияпостоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению токв проводниках обмотки якоря.
Дополнительные полюса с расположеннойна них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмоткудополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и наэлектрических схемах часто не изображают.
Для уменьшения потерьмощности магнитопровод якоря выполнен из отдельных стальных листов. Все обмоткиизготовлены из изолированного провода.Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машиныпостоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. Приэтом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов икомплектов щеток.
Если двигатель включен всеть постоянного напряжения, то при взаимодействии магнитного поля, созданногообмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент,действующий на якорь:
/> (1)
/> (2)
где КМ — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф — магнитный потокодного полюса; IЯ — ток якоря.
Если момент двигателя приn = 0 превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, то якорь начнетвращаться. При увеличении частоты вращения n возрастает индуцируемая в якореЭДС. Это приводит к уменьшению тока якоря:
/> (3)
где rЯ — сопротивление якоря.
Следствием уменьшениятока IЯ является уменьшение момента двигателя. При равенствемоментов двигателя и нагрузки частота вращения перестает изменяться.
Направление моментадвигателя и, следовательно, направление вращения якоря зависят от направлениямагнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Чтобы изменитьнаправление вращения двигателя, следует изменить направление тока якоря либотока возбуждения.
3.Пуск двигателей
Из формулы (3) следует,что в первое мгновение после включения двигателя в сеть постоянного напряжения,т.е. когда /> и />,
/>
Так как сопротивление rЯневелико, то ток якоря может в 10…30 раз превышать номинальный ток двигателя,что недопустимо, поскольку приведет к сильному искрению и разрушениюколлектора. Кроме того, при таком токе возникает недопустимо большой моментдвигателя, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.
Чтобы уменьшить пусковойток в цепи якоря, включают пусковой резистор, сопротивление которого по мереувеличения частоты вращения двигателя уменьшают до нуля. Если пуск двигателяавтоматизирован, то пусковой резистор выполняют из нескольких ступеней, которыевыключают последовательно по мере увеличения частоты вращения.
Пусковой ток якоря
/>
По мере разгона двигателяв обмотке якоря возрастает ЭДС, а как следует из формулы (3), это приводит куменьшению тока якоря IЯ. Поэтому по мере увеличения частоты вращениядвигателя сопротивление в цепи якоря уменьшают. Чтобы при сравнительнонебольшом пусковом токе получить большой пусковой момент, пуск двигателяосуществляют с наибольшим магнитным потоком. Следовательно, ток возбуждения припуске должен быть максимально допустимым, т.е. номинальным.
4.Техническиеданные двигателей
В паспорте двигателя исправочной литературе на двигатели постоянного тока указаны следующиетехнические данные: номинальные напряжение Uи, мощность Pн,частота вращения nн, ток Iн, КПД.
Под номинальным Uнпонимают напряжение, на которое рассчитаны обмотка якоря и коллектор, а также вбольшинстве случаев и параллельная обмотка возбуждения. С учетом номинальногонапряжения выбирают электроизоляционные материалы двигателя.
Номинальный ток Iн– максимально допустимый ток (потребляемый из сети), при котором двигательнагревается до наибольшей допустимой температуры, работая в том режиме(длительном, повторно-кратковременном, кратковременном), на который рассчитан:
/>
где Iян — токякоря при номинальной нагрузке; Iвн – ток обмотки возбуждения приноминальном напряжении.
Следует отметить, что токвозбуждения Iвн двигателя параллельного возбуждения сравнительномал, поэтому при номинальной нагрузке обычно принимают
/>
Номинальная мощность Рн — это мощность, развиваемая двигателем на валу при работе с номинальнойнагрузкой (моментом) и при номинальной частоте вращения nн.
Частота вращения nн,и КПД соответствуют работе двигателя с током Iн, напряжением Uнбез дополнительных резисторов в цепях двигателя.
В общем случае мощностьна валу P2, момент М и частота вращения n связаны соотношением:
/>
Потребляемая двигателемиз сети мощность Р1, величины P2, КПД, U, I связанысоотношениями:
/>
/>
где />
Очевидно, что этисоотношения справедливы также и для номинального режима работы двигателя.
5.КПД двигателей постоянного тока
Коэффициент полезногодействия является важнейшим показателем двигателей постоянного тока. Чем онбольше, тем меньше мощность Р и ток I, потребляемые двигателем из сети приодной и той же механической мощности. В общем виде зависимостьть /> такова:
/> (9)
где /> – потери вобмотке якоря; /> – потери в обмоткевозбуждения; /> – потери в магнитопроводеякоря; /> -механические потери.
Потери мощности /> независят, /> и /> мало зависятот нагрузки двигателя.
Двигатели рассчитываютсятаким образом, чтобы максимальное значение КПД было в области, близкой кноминальной мощности. Эксплуатация двигателей при малых нагрузках нежелательнавследствие малых значений rя. Значения КПД двигателей с различнымиспособами возбуждения и мощностью от 1 до 100 кВт при номинальной нагрузкеразные и составляют в среднем 0,8.
6.Характеристикидвигателей постоянного тока
6.1.Рабочие характеристики
Рабочиминазываются регулировочная, скоростная, моментная и к.п.д. характеристики.
Регулировочнаяхарактеристика
Регулировочнаяхарактеристика представляет зависимость скорости вращения П от тока Iввозбуждения в случае, если ток Iа якоря и напряжение U сети остаютсянеизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const.
Дотех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяетсяпропорционально току возбуждения Iв. В этом случае регулировочнаяхарактеристика является гиперболической. По мере насыщения при больших токах Iвхарактеристика приближается к линейной (рис. 2). При малых значениях тока Iвскорость вращения резко возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждениядвигателя (Iв = 0) с параллельным возбуждением скорость его вращения достигаетнедопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос». Исключение могутсоставлять микродвигатели, которые имеют относительно большой момент М0холостого хода.
/>
Рис. 2. Регулировочнаяхарактеристика двигателя
Вдвигателях последовательного возбуждения Iв = Iа. При малых нагрузках ток якоряIа мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому пуск и работапри малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущемслучае, могут составлять исключение.
Скоростныехарактеристики.
Скоростныехарактеристики дают зависимость скорости вращения п от полезной мощности Р2 навалу двигателя в случае, если напряжение U сети и сопротивление rврегулировочного реостата цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. n=f(P2),при U=const и rв = const.
/>
Рис. 3. Скоростныехарактеристики
Свозрастанием тока якоря при увеличении механической нагрузки двигателяпараллельного возбуждения одновременно увеличивается падения напряжения в якореи появляется реакция якоря, которая обычно действует размагничивающим образом.Первая причина стремится уменьшить скорость вращения двигателя, вторая —увеличить. Действие падения напряжения в якоре обычно оказывает большеевлияние. Поэтому скоростная характеристика двигателя параллельного возбужденияимеет слегка падающий характер (кривая 1, рис. 3).
Вдвигателе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения. Врезультате скоростная характеристика двигателя с последовательным возбуждениемимеет характер, близкий к гиперболическому. При увеличении нагрузки по меренасыщения магнитной цепи характеристика приобретает более прямолинейныйхарактер (кривая 3 на рис. 3).
Вкомпаундном двигателе при согласном включении обмоток скоростная характеристиказанимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельногои последовательного возбуждения (кривая 2).
Моментныехарактеристики.
Моментныехарактеристики показывают, как изменяется момент М при изменении полезноймощности Р2 на валу двигателя, если напряжение U сети и сопротивление rврегулировочного реостата в цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. М =f(P2), при U=const, rв=const.
Полезныймомент на валу двигателя
/>
Еслискорость вращения двигателя параллельного возбуждения не изменялась бы снагрузкой, то зависимость момента Ммех от полезной мощности графическипредставляла бы прямую линию, проходящую через начало координат. Вдействительности скорость вращения с увеличением нагрузки падает. Поэтомухарактеристика полезного момента несколько загибается кверху (кривая 2, рис.4). При этом кривая электромагнитного момента М проходит выше кривой полезногомомента Ммех на постоянную величину, равную моменту холостого хода М0 (кривая1).
/>
Рис. 4. Моментныехарактеристики
Вдвигателе последовательного возбуждения вид моментной характеристикиприближается к параболическому, так как изменение момента от тока нагрузкипроисходит, по закону параболы, пока сталь не насыщена. По мере насыщениязависимость приобретает более прямолинейный характер (кривая 4). В компаундномдвигателе моментная характеристика (кривая 3) занимает промежуточное положениемежду характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.
Характеристикаизменения коэффициента полезного действия.
Криваязависимости к. п. д. от нагрузки имеет характерный для всех двигателей вид (рис5). Кривая проходит через начало координат и быстро растет при увеличенииполезной мощности до 1/4 номинальной. При мощности Р2, равной примерно 2/3номинальной, к. п. д. обычно достигает максимального значения. При увеличениинагрузки до номинальной к. п. д. остается постоянным или незначительно падает.
/>
Рис. 5. Изменение к. п.д. двигателя
6.2Механическая характеристика
Важнейшей характеристикойдвигателя является механическая n(M). Она показывает, как зависит частотавращения двигателя от развиваемого момента. Если к обмоткам двигателя подведеныноминальные напряжения и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях, тодвигатель имеет механическую характеристику, называемую естественной. Наестественной характеристике находится точка, соответствующая номинальным даннымдвигателя (Мн, Ря и т.д.). Если же напряжение на обмоткеякоря меньше номинального, либо Iв
Преобразовав выражение(3) относительно частоты вращения, получим уравнение электромеханическойхарактеристики n(Iя):
/> (7)
После замены в уравнении(7) тока Iя согласно формуле (1), получим уравнение механическойхарактеристики n(М):
/> (8)
При Ф = соnst,электромеханическая n(Iя) и механическая n(М) характеристикидвигателя параллельного возбуждения представляют собой прямые линии. Так как засчет реакции якоря магнитный поток немного изменяется, то характеристики вдействительности несколько отличаются от прямых.
При работе вхолостую (М =0) двигатель имеет частоту вращения холостого хода, определяемую первым членомуравнения (8). С увеличением нагрузки n уменьшается. Как следует из уравнения(8), это объясняется наличием сопротивления якоря rя.
Поскольку rяне велико, частота вращения двигателя при увеличении момента изменяется мало, идвигатель 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) изменениемсопротивления цепи якоря;
б) изменением магнитногопотока двигателя;
в) изменением напряженияна зажимах якоря.
/>
Рис. 6 Механическиехарактеристики
Для регулирования частотывращения первым способом в цепь якоря. должно быть включено добавочноесопротивление rд. Тогда сопротивление в уравнении (8) необходимозаменить на rя + rд.
Как следует из уравнения(8), частота вращения n связана с сопротивлением цепи якоря rя + rдпри постоянной нагрузке (М = const) линейной зависимостью, т.е. при увеличениисопротивления частота вращения уменьшается. Разным сопротивлениям rдсоответствуют различные искусственные механические характеристики, одна изкоторых приведена на рис.2 (характеристика 2). С помощью характеристики 2 призаданном моменте М1 можно получить частоту вращения n2.
Изменение частотывращения вторым способом осуществляется с помощью регулируемого источниканапряжения UD2. Изменяя его напряжение регулятором R2, можно изменить токвозбуждения IВ и тем самым магнитный поток двигателя. Как видно изуравнения (8), при постоянной нагрузке (М = соnst) частота вращения находится всложной зависимости от магнитного потока Ф. Анализ уравнения (8) показывает,что в некотором диапазоне изменения магнитного потока Ф уменьшение последнегоприводит к увеличению частоты вращения. Именно этот диапазон изменения потокаиспользуют при регулировании частоты вращения.
Каждому значениюмагнитного потока соответствует искусственная механическая характеристикадвигателя, одна из которых приведена на рис.2 (характеристика 4). С помощьюхарактеристики 4 при моменте М1 можно получить частоту вращения n4.
Чтобы регулироватьчастоту вращения изменением напряжения на зажимах якоря, необходимо иметьотносительно мощный регулируемый источник напряжения. Каждому значениюнапряжения соответствует искусственная механическая характеристика двигателя,одна из которых приведена на рис.2(характеристика 3). С помощьюхарактеристики 3 при заданном моменте М1 можно получить частоту вращения n3.
Списокиспользуемой литературы
1.Кацман М.М. Электрические машины. -М.: Высш. шк., 1993.
2.Копылов И.П. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1986