Двигатель постоянного тока независимого возбуждения принцип работы

Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) отличает от других двигателей наличие специального механического коммутатора – коллектора. Несмотря на то, что из-за этого ДПТ менее надежны и дороже двигателей переменного тока, имеют большие габариты, они находят применение, когда их особые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, по перегрузочной способности и экономичности, по возможности получения характеристик специального вида, и т.д.

В настоящее время ДПТ применяют в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков, роботов, на транспорте и т.д. ДПТ небольшой мощности используют в различных автоматических устройствах.

Устройство и принцип действия ДПТ

Внешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1, а его поперечный разрез в упрощенном виде – на рис. 2. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы 2 имеют полюсные наконечники, служащие для равномерного распределения магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных – обмотки дополнительных полюсов 5.

Рис. 1. Внешний вид двигателя постоянного тока

Рис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение): 1 – корпус; 2 – главные полюсы; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительные полюсы; 5 – обмотка дополнительных полюсов; 6 – якорь; 7 – обмотка якоря; 8 – щетки; 9 – коллектор; 10 – вал.

В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается обмотка якоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8.

Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля, показанного на рис. 2 условно с помощью двух силовых линий, изображенных пунктиром. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и на электрических схемах часто не изображают. На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными полюсами. В зависимости от мощности и напряжения машины могут иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов.

У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания с напряжениями и . Как правило, . В общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы r_д и r_р (см. рис.3). Их назначение будет пояснено далее.

Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготавливают на одинаковые напряжения и . В этом случае цепи обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением . Такие ДПТ называют двигателями параллельного возбуждения. Если мощность источника питания значительно превышает мощность двигателя, то процессы в якорной обмотке и в обмотке возбуждения протекают независимо. Поэтому такие двигатели являются частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства одинаковы.

Рис. 3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого возбуждения: 1 – цепь обмотки якоря; 2 – цепь обмотки возбуждения.

При подключении двигателя к источнику питания в обмотке якоря протекает ток I_я, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент, действующий на якорь

, (1)

где k – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф – магнитный поток одного полюса.

При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки М_с якорь начинает вращаться с угловой скоростью w и в нем наводится ЭДС

(2)

У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности напряжения источника U, поэтому с ростом скорости w ток I_я уменьшается

(3)

где r_я – сопротивление якорной цепи двигателя при r_д = 0.

Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента. При равенстве моментов и скорость вращения якоря перестает изменяться. Чтобы изменить направление вращения двигателя следует изменить полярность напряжения . Это приведет к изменению направления тока и направления момента . Двигатель начнет замедляться, а затем разгонится в обратную сторону.

Пуск двигателя

В первое мгновение при пуске скорость двигателя w = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0. Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению пусковой ток якоря , как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи r_я (при r_д=0)

(4)

Значение сопротивления относительно невелико (обычно в пределах 1 Ом), поэтому если напряжение близко по значению к номинальному напряжению, значение пускового тока может в (10–30) раз превышать номинальное значение тока двигателя . Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения пускового тока является увеличение суммарного сопротивления якорной цепи ДПТ при неизменном значении напряжения U. Для этого последовательно с якорем включают дополнительный пусковой реостат (на рис. 3 не показан), который обычно выполняют в виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостата выключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные потери мощности.

Более экономичным способом снижения пускового тока является пуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре U по мере разгона двигателя и увеличения ЭДС Е. Как следует из выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U, при котором ток на протяжении всего времени пуска не будет превышать допустимого значения. В лабораторной установке, используемой при выполнении данной работы, используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока.

Дата добавления: 2016-06-29 ; просмотров: 7450 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Обмотки возбуждения и якоря этого двигателя питаются от разных источников (рис. 2.3,а). Где U_B и I_B – напряжение источника питания и ток обмотки возбуждения; U и I_Я – напряжение источника питания и ток якоря. Функцию обмотки возбуждения у таких двигателей может выполнять и постоянный магнит (рис. 2.3,б).

Для двигателя с независимым возбуждением величинаС_М Ф = const, поэтому вид электромеханической и механической характеристики в соответствии с (2.4) и (2.5) будет один и тот же (рис. 2.3).

Характерные точки характеристик

1. ПриI_Я = 0 и М = 0; ω = ω_хх (ω_хх – скорость холостого хода двигателя). В режиме холостого хода механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует.

2. При ω = 0; I_Я = I_П и М = М_П (I_П и М_П – пусковой ток и пусковой момент двигателя). В литературе их иногда называют как I_КЗ и М_КЗ (током и моментом короткого замыкания), т.к. режим короткого замыкания для электродвигателя соответствует неподвижному состоянию якоря, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус.

2.2.1. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основное преимущество двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока – это относительная легкость регулирования частоты вращения. Известно несколько способов регулирования скорости, которые можно получить из анализа зависимостей (2.4) или (2.5). Регулирование осуществляют: путем изменения сопротивления обмотки якоря, точнее включением последовательно с ней добавочного сопротивления; изменением потока возбуждения или напряжения питания якоря.

Первый способ отличают небольшие затраты на его осуществление, но при эксплуатации, из-за больших потерь мощности на добавочном сопротивлении, его целесообразно применять только для маломощных двигателей и там, где не предъявляется больших требований к стабильности скорости, т.к. этот способ снижает жесткость механической характеристики двигателя.

На практике изменение магнитного потока возбуждения возможно только в сторону его уменьшения, т.к. при увеличении потока, требуется повысить ток возбуждения выше номинального, что приведет к перегреву обмотки возбуждения и двигателя в целом. Кроме того, двигатель рассчитан и сконструирован так, что его магнитная система близка к насыщению, поэтому увеличение тока возбуждения не приведет к заметному росту потока возбуждения. Однако, уменьшение потока возбуждения из (2.4) приводит к росту скорости двигателя. На практике же в большинстве случаев требуется ее снижать, что в данном способе невозможно.

Поэтому лучшим способом является регулирование скорости путем изменения напряжения питания якоря. В этом способе якорь двигателя подключают к регулируемому источнику постоянного тока, в качестве которого обычно служит управляемый выпрямитель УВ рис. 2.5. Управляемый выпрямитель обычно питается переменным трехфазным напряжением. Величиной выходного постоянного напряжения U управляют, например, путем изменения величины управляющего напряжения U_У, что может осуществлять оператор или система автоматического регулирования. Регулировочные механические характеристики при этом имеют вид, показанный на рис. 2.6. Они имеют вид прямых с одинаковым наклоном к оси абсцисс, т.е. жесткость (наклон) характеристики не меняется с изменением скорости вращения.

Реверс двигателя (изменение направления вращения якоря) осуществляют, меняя полярность источника питания якорной цепи или цепи возбуждения.