Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Тогда с учетом формул (2.4) и (2.23) коэффициент усиления первой ступени ЭМУ

поперечного поля выразится

Из выражения (2.24, б) следует, что коэффициент усиления ЭМУ поперечного поля

пропорционален квадрату скорости вращения, произведению постоянных времени

обмоток управления и якоря и отношению м. д. с, создаваемых токами входа и выхода.

Влияние некоторых факторов на коэффициент усиления и быстродействие.

Сопротивление r

цепи якоря, которое определяет постоянную времени T

, зависит от

переходного сопротивления контакта щеток q — q. Поэтому в случае применения щеток с

большим переходным сопротивлением, а также при ухудшении переходного контакта от

щеток к коллектору коэффициент усиления ЭМУ становится меньше.

Секции обмотки якоря, находящиеся в процессе коммутации под щетками q — q, создают

поле, которое будучи направлено встречно м. д. с.

обмотки управления, ослабляет его. В результате действия коммутационных токов

коэффициент усиления снижается. Для уменьшения реакции коммутационных токов

ширину щеток выбирают не более 1—1,5 ширины коллекторной пластины, поэтому

одновременно коммутирует лишь одна или две секции.

Магнитодвижущая сила F

вых

пропорциональна току I

вых

. Вследствие этого, согласно (2.24,

б), коэффициент усиления зависит от тока I

вых

. При полной компенсации продольной

реакции якоря эта зависимость близка к линейной (кривая 2 на рис. 2.51).

В процессе работы режим ЭМУ может изменяться. При этом в маг-нитопроводе

возникают вихревые токи, которые препятствуют из-

Рис. 2.51 Зависимость коэффициента усиления от выходного тока ЭМУ поперечного поля: 1 — при

перекомпенсации продольной реакции якоря, 2 — при полной компенсации; 3 — при недокомпенсации

менению потока, в результате чего быстродействие ЭМУ снижается. Для уменьшения

вихревых токов всю магнитную систему ЭМУ собирают из пакетов лакированных листов

электротехнической стали.

Часто для уменьшения постоянной времени Т

в цепь обмотки управления вводят

добавочное сопротивление к

д.у.

(см. рис. 2.44 и 2.47). При уменьшении постоянных

времени быстродействие ЭМУ улучшается. Коэффициенты усиления k

и k

пропорциональны постоянным времени Т

и T

. Поэтому с улучшением быстродействия

коэффициент усиления ЭМУ становится меньше.

Влияние коэффициента усиления на устойчивость работы ЭМУ поперечного поля.

Как и во всякой машине постоянного тока в ЭМУ при сдвиге щеток q — q с

геометрической нейтрали появляется продольная реакция тока I

, направление действия

которой совпадает с осью обмоток управления. Магнитодвижущая сила обмоток

управления весьма мала, ввиду чего даже при незначительном сдвиге щеток продольный

поток первой ступени существенно изменяется. Как и в любом генераторе, м. д с.

продольной реакции якоря от тока I

при сдвиге щеток против вращения усиливает поток

обмоток управления. При этом коэффициент усиления k

возрастает, но ЭМУ может

самовозбудиться и потерять управление. Чтобы сохранить устойчивой работу ЭМУ,

щетки обычно сдвигают на небольшой угол по направлению вращения якоря, при этом

коэффициент усиления уменьшается.

Регулируя сопротивление реостата r

(см. рис. 2.47), можно изменять м. д. с.

компенсационной обмотки КО. Магнитодвижущие силы обмоток управления и

компенсационной направлены согласно. Поэтому при большей степени компенсации

коэффициент усиления ЭМУ увеличивается. В случае перекомпенсации наблюдается

стремление ЭМУ к самовозбуждению. Во избежание этого сопротивление r

настраивают

таким образом, чтобы была некоторая недокомпенсация. При этом коэффициент усиления

несколько уменьшается. Отсюда следует, что сдвигать щетки и регулировать ток в

компенсационной обмотке надо таким образом, чтобы коэффициент усиления несколько

снижался. При этом работа ЭМУ поперечного поля становится надежной и устойчивой.

Характеристики ЭМУ поперечного поля. При I

вых

= 0 зависимость выходной э. д. с. от

тока обмотки управления, т. е. E

вых

= f(I

вх

) называется результирующей характеристикой

холостого хода ЭМУ. Начальная часть этой характеристики нелинейна (рис. 2.52). При

весьма малых значениях э. д. с. E

вых

крутизна характеристики небольшая, затем

увеличивается и заканчивается прямолинейным участком, это объясняется увеличением

сопротивления поперечных щеток q — q при малых значениях тока. Для получения

линейной зависимости между выходными и входными сигналами, а также для получения

большего коэффициента усиления, номинальное напряжение ЭМУ выбирается на

прямолинейной части результирующей характеристики холостого хода.

Зависимость выходного напряжения от выходного тока, т. е. U

вых

= f(I

вых

) называется

внешней характеристикой ЭМУ. В случае полной компенсации продольной реакции якоря

тока I

вых

напряжение U

вых

уменьшается с увеличением тока I

вых

за счет падения

напряжения в цепи якоря (кривая 1 на рис. 2.53). При недокомпенсации внешняя

характеристика располагается ниже

Рис. 2.52. Результирующая характеристика холостого хода ЭМУ поперечного поля

Рис. 2.53. Внешние характеристики ЭМУ поперечного поля

(кривая 2). При перекомпенсации наблюдается склонность ЭМУ к самовозбуждению. Это

выражается в том, что с ростом тока прогрессивно увеличивается напряжение выхода

(кривая 5).

В случае насыщения магнитной системы, т. е. когда ЭМУ работает на криволинейном

участке результирующей характеристики холостого хода, внешние характеристики

становятся нелинейными (на рис. 2.53 они показаны пунктирными линиями 2' и 3').

ВОПРОСЫ

1. Может ли обычный генератор с самовозбуждением использоваться как ЭМУ продольного поля? Как

выбирается величина сопротивления цепи обмотки самовозбуждения ЭМУ продольного поля?

2. Каким образом в одноякорном ЭМУ поперечного поля совмещаются две ступени усиления? В каком

режиме работает генератор, эквивалентный первой ступени усиления ЭМУ? Какие щетки ЭМУ

принадлежат первой ступени усиления? Какой обмоткой создается поток возбуждения второй ступени

усиления?

4. От каких факторов зависит коэффициент усиления ЭМУ? Какое назначение в ЭМУ поперечного поля

имеет компенсационная обмотка?

4. Какие средства применяют для того, чтобы работа ЭМУ поперечного поля была устойчивой? В какую

сторону сдвигают щетки ЭМУ? Какую применяют степень компенсации продольной реакции якоря? Как

при этом изменяется коэффициент усиления ЭМУ?



§ 2.7. ДВИГАТЕЛИ

Назначение. Двигатели постоянного тока в основном используются в приводах,

требующих регулирования скорости вращения в широком диапазоне. Двигатели имеют

большой пусковой момент и могут быть выполнены практически на любую допустимую

по механическим соображениям скорость вращения. Их достоинством является

возможность экономичного и плавного регулирования.

Недостатки двигателя постоянного тока по сравнению с другими типами двигателей

связаны с применением коллектора. Искрение, сопровождаемое подгоранием коллектора,

и непостоянство щеточного контакта приводит к нестабильности характеристик и

является источником радиопомех. Щеточная пыль загрязняет двитель, что требует

систематического ухода.

В системах автоматического регулирования микродвигатели постоянного тока широко

используются в качестве исполнительных двигателей.

Уравнение напряжения и моментов. Если к щеткам машины постоянного тока подвести

напряжение U от внешней сети, то по обмотке якоря пойдет ток I

. В результате

взаимодействия проводников с током якоря и магнитного потока машины возникает

электромагнитная сила f

(рис. 2.54). Магнитный поток в основном проводит по зубцам, и

только незначительная его часть по пазам, поэтому сила f

действует не на находящийся в

пазу проводник, а на сталь зубцов якоря. Действие электромагнитных сил, создаваемых

всей обмоткой якоря, вызывает вращающий момент, стремящийся повернуть якорь.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают магнитный поток машины, в

результате чего в обмотке якоря двигателя (так же как и генератора) наводится э. д. с.

вращения. В двигательном режиме э. д. с. направлена противоположно току якоря.

Поэтому ее называют противо э.д.с.

Согласно второму закону Кирхгофа

Рис. 2.54. Напряжение и э. д. с. проводника обмотки якоря в двигательном режиме

Выражение (2.25) называют уравнением напряжений двигателя. В переходных режимах

уравнение принимает вид

Уравнение (2.25, а) показывает, что в двигательном режиме в любой момент времени

напряжение сети уравновешивается противо э. д. с. и падениями напряжения в якоре.

Вследствие того, что ток в двигательном режиме имеет направление, противоположное

тому, какое он имел в генераторном режиме, электромагнитный момент также меняет

направление действия. В генераторном режиме электромагнитный момент является

тормозным, в двигательном — вращающим. При вращении якоря в случае отсутствия

нагрузочного момента на якорь действует момент сопротивления вращению M

, который

называется моментом холостого хода.

При нагрузке на вал двигателя действует механический момент М

мех

, тормозящий

вращение. Оба эти момента уравновешиваются электромагнитным моментом М

двигателя:

Это уравнение показывает, что электромагнитный момент двигателя всегда

уравновешивается моментами нагрузки, холостого хода и динамическим. Выражения

(2.26), (2.26, а) и (2.26, б) называются уравнениями равновесия моментов двигателя.

Условия статической устойчивости. Если двигатель работает с постоянной скоростью

вращения, то динамический момент M

равен нулю. Иначе говоря, при работе двигателя с

постоянной скоростью вращения необходимо соблюдение равенства (2.26, а). При

изменении одного из моментов начинается переходный электромеханический процесс, в

результате чего меняется скорость вращения.

Для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы

Это условие выполняется для случая изменения моментов М и М

ст

, представленных

кривыми на рис. 2.55, а, и не выполняется

для кривых, представленных на рис. 2.55, 6. Действительно, при случайном уменьшении

скорости вращения, например, от n до п

равенство (2.26, б) нарушается, и согласно

кривым моментов (рис. 2.55, а) М>М

ст

. Это приводит к увеличению скорости, пока не

наступит равновесие М=М

ст

. Из графика следует, что процесс вернется в точку

пересечения кривых, т. е. установится прежняя скорость п. Аналогично этому при

случайном повышении скорости, например до значения n

согласно кривым рис. 2.55, а,

М>М

ст

. Вследствие этого скорость вращения начинает уменьшаться до тех пор, пока не

наступит равновесие М = М

ст

и установится прежняя

Рис. 2.55. Характеристики момента: а — при устойчивой работе; б — при неустойчивой работе

скорость вращения п. Если же соотношение моментов определяется кривыми рис. 2.55, б,

то при случайном уменьшении скорости, например до n

, М<М

ст

. Вследствие этого будет

продолжаться дальнейшее уменьшение скорости, что в свою очередь приводит к

добавочной разности между моментами, в результате чего машина остановится. При

случайном увеличении скорости вращения, например до п

, М>М

ст

, и скорость вращения

прогрессивно увеличивается. В этих двух случаях устойчивая работа двигателя

невозможна.

Пуск. Для создания максимального момента при пуске двигателя сопротивление в цепи

параллельной обмотки возбуждения должно быть полностью выведено. Двигатель может

быть включен прямо в сеть, однако при этом возникает большой пусковой ток. В начале

пуска Е = 0, поэтому согласно выражению (2.25, а) пусковой ток

Вследствие большого значения пускового тока может возникнуть круговой огонь на

коллекторе, осложнится работа защитной и измерительной аппаратуры, возникнет

большой ударный момент на валу и большое падение напряжения в сети. Для ограничения

тока последовательно с якорем включают пусковой реостат

(рис. 2.56), имеющий сопротивление r

. В этом случае начальное значение пускового тока

В первый момент времени ручка передвижного контакта реостата должна соприкасаться с

зажимом 1. Сопротивление r

реостата выбирается таким образом, чтобы наибольший ток

нб

≤2I

. По мере разгона двигателя пропорционально скорости вращения n

Рис. 2.56. Включение пускового реостата: а — двигатель с параллельным возбуждением; б — двигатель с

последовательным возбуждением

увеличивается противо э. д. с. Е, в результате чего уменьшается пусковой ток. Его

значение, согласно (2.25, а), в этом случае определяется выражением

На рис. 2.57 время разгона двигателя при положении 1 ручки реостата определяется

отрезком 01. В течение этого промежутка времени скорость вращения п и

пропорциональная ей противо э. д. с. Е увеличиваются по кривой 01' до значен

ия,

определяемого ординатой точки 1'. Так как противо э. д. с. возрастает, то ток I

уменьшается со значения I

нб

до I

нм

(кривая 0"1").

Когда ток двигателя снизится до наименьшего значения I

нм

, ручку пускового реостата

переключают из положения 1 в положение 2. Сопротивление реостата при соединении

регулировочной ручки с зажимом 2 (см. рис. 2.56) подобрано таким образом, чтобы ток в

первый момент, после переключения увеличивался до значения I

нб

. По мере разгона

двигателя э. д. с. увеличивается по кривой 1""2 (рис. 2.57), а ток уменьшается по кривой

1"2". После

того как ток уменьшится до значения I

нм

, ручку реостата переклечают в положение 3.

Время, в течение которого ручка реостата находится в положении 2, определяется

отрезком 1—2. Обычно реостат имеет всего две-четыре ступени. После выведения

сопротивления последней ступени реостата наступает установившийся режим.

Рис. 2.57. Изменение тока, скорости вращения и э. д. с. двигателя при реостатном пуске

Микродвигатель обычно включают прямо в сеть без пусковых реостатов.

Способы регулирования скорости и изменения направления вращения. Подставляя в

(2.28) выражение Е по (2.4, а) и решая уравнение относительно скорости вращения,

получаем

Из (2.29) следует, что скорость вращения двигателя можно регулировать следующими

способами:

1) изменением тока возбуждения, в результате чего изменяется поток Ф;

2) изменением величины добавочного сопротивления r

в цепи якоря;

3) изменением напряжения U сети.

Согласно правилу левой руки для изменения направления вращения двигателя

необходимо изменить направление тока в якоре или тока возбуждения. При

одновременном изменении направления обоих токов направление вращения двигателя не

изменяется.

Регулирование скорости вращения изменением тока возбуждения. Изменяя

сопротивление r

реостата в цепи возбуждения, можно изменять ток I

возбуждения (рис.

2.58). Для удобства анализа примем, что при этом напряжение U сети остается

неизменным.

Рис. 2.58. Регулирование реостатом тока в обмотке возбуждения: а — двигатель с параллельным

возбуждением; б — двигатель с последовательным возбуждением

тиво э. д. с, в результате ток I

спадает и момент М уменьшается. Процесс увеличения

скорости вращения двигателя и уменьшения момента происходит до тех пор, пока момент

М не становится равным моменту нагрузки М

ст

, после чего переходный процесс

заканчивается.

На рис. 2.59 представлен случай, когда моменты в начале и в конце процесса равны, т. е.

= М

— М

ст

. Момент двигателя в первоначальном и в конечном установившемся

режимах один и тот же (М = С

Ф = const), а поток Ф в конечном режиме уменьшается,

поэтому при новом установившемся режиме I

а2

а1

Этот способ является вполне экономичным, так как регулирование производится малым

током I

, и потери в реостате цепи воз-

100