Машины постоянного тока. Назначение и области применения МПТ

Назначение и области применения МПТ
Электрические машины постоянного тока
Как звенья САР; усилители электрических сигналов управления; тахогенераторы; питания электролитических ванн; зарядки аккумуляторов; высококачественной сварки;
входят в состав металлургического, автомобильного, судового и самолетного электрооборудования.

Принцип действия машины постоянного тока
Рассмотрим простейший генератор постоянного тока. Он содержит главные полюса, которые представлены в виде постоянных магнитов и рамка расположенная между полюсами, вращается в первичном двигателе.
При вращении рамки в магнитном поле в активных сторонах ее будет наводится ЭДС. Направление ЭДС в активных сторонах рамки определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления ЭДС в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля
Т.к. рассмотренное ЭДС подходит к щетке А, то А – «+», а щетка В – « - ».
При определении направления ЭДС по правилу правой руки ладонь правой руки располагают в магнитном поле так, чтобы линии поля были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90°, располагают в направлении движения проводника; тогда остальные пальцы руки, вытянутые в плоскости ладони, покажут направление наведенной ЭДС.

Построим рисунок генератора для момента времени t1+Δt, когда рамка повернулась на 180элº.
При анализе представленных рисунков следует отметить:
При вращении рамки в постоянном магнитном поле с постоянной скоростью в рамке наводится переменное ЭДС, т.е. в момент времени t е направлено от «b» к «а»,
а во второй момент вращения t1+Δt e направлено от «d» к «с».
2. Временная диаграмма ЭДС имеет следующий вид.

В рассматриваемом случае мы получили генератор переменного тока. Чтобы получить генератор постоянного тока необходимо рамку подсоединить к двум полукольцам.
На представленной временной диаграмме видно, хотя ЭДС имеет одно и то же направление во внешней цепи, но мгновенное значение меняется от max до 0.
Если проанализировать представленные рисунки, то в момент времени t1 щетка А - «+», а В - « – ». во внешней цепи будет протекать ток одного и того же направления.

Чтобы уменьшить глубину пульсации ЭДС на щетках, необходимо взять еще одну рамку, плоскость которой относится плоскости 1-ой рамки сдвинута на 90 эл.градусов.
При сравнении ЭДС витка 11' и ЭДС 22' следует отметить, что ЭДС витка 11' много больше ЭДС витка 22', т.к. активные стороны витка 22' не пересекают силовые линии основного магнитного поля, а скользят вдоль силовых линий.
Если построить временную диаграмму е11' и е22', то следует отметить, что эти ЭДС за счет сдвига рамок в пространстве сдвинуты во времени на 90ºэл., т.к. р=1, а αэл=αгеом.
Как видно из временной диаграммы пульсация напряжения на щетках существенно снижается,
если отношение ( ), то пульсация < к.
к – количество коллекторных пластин.

Генераторы: Рамка вращается в магнитном
поле постоянного магнита за счет энергии
другого источника. В проводах рамки
возникает э.д.с. и индукционный ток различного направления. Концы проводов рамки соединены с коллектором, с которого снимается через щетки ток постоянного направления (если включена нагрузка).

Двигатели: Через коллектор и щетки
в рамку подается постоянный ток, который взаимодействует с постоянным
магнитным полем машины и создает
вращающий момент на валу машины.
Электрические машины постоянного
тока взаимообратимы, т.е. могут
работать как режиме двигателя, так
и генератора.

Преимущества МПТ
ГПТ
Жесткая внешняя характеристика,
Хорошие регулировочные свойства,
Возможность использования в
автоматических линиях
ДПТ
-Лучшие механические характеристики,
-Лучшие регулировочные свойства,
-Высокая перегрузочная способность

Общие недостатки МПТ
Сложность конструкции,
Невозможность работы в агрессивных средах,
Необходимость частых ревизий,
Меньший срок службы,
Наличие радиопомех.

Состав машин постоянного тока
ИНДУКТОР: корпус – станина, главные и вспомогательные полюса с полюсными наконечниками, обмотка возбуждения, помещенная на главные полюса.
ЯКОРЬ –РОТОР: магнитопровод, обмотка якоря (секции)
КОЛЛЕКТОР
ЩЕТКИ (Щеточный узел)

Устройство МПТ

Принцип действия МПТ
N
S

Генератор ПТ
Первичный двигатель развивает вращающий момент М1, вращая ротор генератора с частотой n.
Мощность механической энергии, поступающей от ПД

Если к обмотке возбуждения подведено напряжение UВ, то в ней возникает ток IВ, создающий МДС wВIB. МДС wВIB возбуждает в машине магнитный поток возбуждения Ф.
При вращении проводников якоря в магнитном поле, возбуждаемом МДС главных полюсов машины, в них наводятся ЭДС.

Сумма ЭДС всех проводников одной параллельной ветви обмотки якоря определяет ЭДС якоря
где - постоянный коэффициент
р – число пар полюсов,
N – число проводников обмотки якоря,
а – число пар параллельных ветвей

Электромагнитная мощность генератора
Мощность электрической энергии, снимаемой с его зажимов

Двигатель ПТ
Если через щетки и коллектор на обмотку якоря возбужденной машины подать напряжение U, то в результате в проводниках обмотки якоря появятся токи.
Взаимодействие проводников с током обмотки якоря и магнитного поля возбуждения Ф создает электромагнитный момент М, который определяет момент вращающий М2 на валу двигателя.

Мощность, подводимой к двигателю электрической энергии
Мощность механической энергии, снимаемой с вала двигателя

Уравнения электрического состояния МПТ
в режиме генератора
в режиме двигателя

Способы возбуждения генераторов

Рабочие характеристики МПТ зависят от способа возбуждения главного магнитного поля. В большинстве машин главное магнитное поле возбуждается при помощи тока возбуждения, проходящего по обмотке возбуждения.
Обмотка возбуждения может быть независимой от цепи якоря, но чаще соединяется параллельно, либо последовательно, либо смешанно.

При любом способе включения обмотки возбуждения мощность, затрачиваемая в цепи обмотки возбуждения относительно мала, поэтому потери при регулировании тока незначительны, что дает возможность экономично управлять напряжением генераторов и скоростью двигателей.

Независимость тока возбуждения от напряжения генератора дает возможность регулировать в широких пределах магнитный поток генератора, а следовательно, и его напряжение.
Генератор независимого возбуждения

Обмотка возбуждения машины подключается к независимому источнику питания, поэтому на ток возбуждения не оказывает влияние напряжение на зажимах якоря.

Характеристика хх,
снимается при разомкнутой цепи нагрузки (I=0) и постоянной частоте вращения (n=const)
Нисходящая ветвь несколько отличается от восходящей вследствие влияния гистерезиса. После выключения тока возбуждения ЭДС индуцируется потоком остаточной индукции. В верхней части характеристика хх заметно загибается вследствие насыщения стали магнитной цепи машины.
Е=f(IB)

Внешняя характеристика
определяется при неизменном токе возбуждения и частоты вращения.
Если бы ЭДС якоря была строго постоянна, то внешняя характеристика изображалась бы прямой линией. Но из-за влияния реакции якоря напряжение с ростом нагрузки уменьшается, а кривая внешней характеристики загибается в сторону оси тока.
U=f(IЯ)

Регулировочная характеристика
показывает как надо менять ток возбуждения, чтобы сохранять постоянным напряжение генератора
В большей своей части кривая почти прямолинейна, но при больших токах она загибается в сторону от оси абсцисс из-за влияния насыщения магнитной цепи машины.
IB=f(IЯ)

Генераторы самовозбуждения.
Генераторы с параллельным возбуждением
Применяют для получения постоянного тока. Для них не требуется дополнительного источника питания цепи возбуждения, что упрощает обслуживание машины, напряжение на зажимах генератора мало изменяется при колебаниях нагрузки.

Цепь возбуждения машины присоединяется параллельно нагрузке. Для возбуждения главного магнитного потока используется процесс самовозбуждения, возникающий благодаря остаточной намагниченности станины.

Характеристики холостого хода и регулировочная этого генератора практически не отличаются от характеристик машины с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (2) проходит ниже характеристики при независимом возбуждении (1).

По 2 закону Кирхгофа
но , поэтому
Так как падение напряжения невелико, то им можно пренебречь
Тогда ток

При уменьшении сопротивления нагрузки напряжение снижается и ток сначала возрастает за счет увеличения падения напряжения на якоре и за счет уменьшения ЭДС.
При некотором сопротивлении нагрузки ток достигает максимального значения, магнитная цепь окажется ненасыщенной. Поэтому при дальнейшем уменьшении сопротивлении нагрузки ЭДС будет уменьшаться быстрее знаменателя и ток будет падать.

Ток, при котором начинается размагничивание называется критическим. Ветвь, лежащая ниже ее перегиба, соответствует неустойчивому режиму.
В условиях устойчивого режима изменение напряжения генератора параллельного возбуждения составляет 8-15%.

Ток, при котором начинается размагничивание называется критическим. Ветвь, лежащая ниже ее перегиба, соответствует неустойчивому режиму.
В условиях устойчивого режима изменение напряжения генератора параллельного возбуждения составляет 8-15%.

Генератор с последовательными возбуждением

Генератор смешанного возбуждения
Применяют в установках, где необходимо избежать значительного изменения напряжения при отключениях или подключениях отдельных потребителей.

2 катушки: одна из которых входит в обмотку возбуждения и соединяется последовательно, вторая – в обмотку, включаемую параллельно якорю.
Главное м.п. возбуждается одной из этих обмоток, воздействие второй дополнительное.

В большинстве машин смешанного возбуждения МДС двух обмоток складываются (согласное включение), реже МДС имеют противоположное направление (встречное включение).

По 2 закону Кирхгофа
но , поэтому
Так как падение напряжения невелико, то им можно пренебречь
Тогда ток

Числа витков последовательной обмотки можно выбрать так, чтобы напряжение с ростом нагрузки оставалось практически неизменным (кривая 1). При этом включение обмоток должно быть согласным.
При встречном включении обмоток напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко падает (кривая 2). Снижение напряжения объясняется увеличением степени насыщения м.ц.

Способы возбуждения двигателей

Двигатель параллельного возбуждения
Частоту вращения можно регулировать путем изменения потока Ф или напряжения U.

Изменение нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной вызывает у большинства ДПТ ПВ изменение частоты вращения на 3-8%. Такая механическая характеристика называется жесткой.

При регулировании Ф изменением IB (реостатом rш) уменьшение Ф понижает ЭДС и вращающий момент М.
Согласно
уменьшение ЭДС вызывает увеличение IЯ и возрастание вращающего момента М, в результате чего восстанавливается равновесие моментов при повышенной частоте и возросшем токе якоря. С ростом нагрузки на валу уменьшается влияние тока возбуждения на скорость двигателя.

Двигатель последовательного возбуждения
Главный магнитный поток двигателя изменяется пропорционально току якоря, пока магнитная цепь не насыщена.

При увеличении нагрузки двигателя возрастают падение напряжения в сопротивлении якоря и магнитный поток. Снижается скорость. Механическая характеристика получается мягкой.

Иногда желательна промежуточная форма механической характеристики между мягкой и жесткой. Такой характеристикой обладает двигатель смешанного возбуждения. В этом двигателе одна из обмоток является основной, дающей не менее 70% намагничивающей силы, вторая дополнительной. Двигатель имеет мягкую механическую характеристику.

Регулирование скорости вращения двигателей
изменением сопротивления цепи якоря
изменением величины магнитного потока

Потери мощности и КПД

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью ДПТ и механической в электрическую с помощью ГПТ сопровождается потерями энергии, чему соответствуют определенные потери мощности .

В МПТ виды потерь: