Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока - принцип действия и устройство
Устройство простейшего электродвигателя постоянного тока . На рис. 1-1
представлена простейший электродвигатель постоянного тока, а на рис. 12 дано его схематическое изображение в осевом направлении. Неподвижная
часть двигателя, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого
стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора
является создание в электродвигателе основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис.
1-1 простейшего электродвигателя имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).
Вращающаяся часть электродвигателя состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и
коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и
обмотки, укрепленной на сердечнике якоря.
Обмотка якоря в показанном на рис. 1-1 и 1-2
простейшем электродвигателе имеет один
виток. Концы витка соединены с
изолированными от вала медными пластинами
коллектора, число которых в рассматриваемом
случае равно двум. На коллектор налегают две
неподвижные щетки 4, с помощью которых
обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Основной магнитный поток в нормальных
электродвигателях постоянного тока
создается обмоткой возбуждения, которая
расположена на сердечниках полюсов и
питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному
полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также
изготовляются из ферромагнитных материалов.
Режим генератора. Рассмотрим сначала работу электродвигателя в режиме генератора.
Рис. 1-1. Простейший электродвигатель постоянного тока
Рис. 1-2. Работа простейшего электродвигателя
постоянного тока в режиме Генератора (а) и двигателя (б).
Предположим, что якорь электродвигателя (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой
стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется Э. Д. С., направление которой может быть
определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток
полюсов предполагается неизменным, то эта Э. Д. С. индуктируется только вследствие вращения якоря
и называется Э. Д. С. вращения.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые Э. Д. С., которые по контуру
витка складываются.
Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки
Частота Э. Д. С. f в двухполюсном электродвигателе равна скорости вращения якоря n, выраженной в
оборотах в секунду:
f = n,
а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью:
f = pn
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который
преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к
обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки
якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент. Величины
силы и момента определяются как и для генератора. При достаточной величине Мэм якорь
электродвигателя придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм при
этом является движущим и действует в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 1-2,
а) и двигателя (рис. 1-2, б) были одинаковы, то направление действия а следовательно, и
направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 1-2, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в
переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждый электродвигателя
постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство
присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.
Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно, при
неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только
изменение направления тока в обмотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже
автоматически.
Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в электродвигателях
переменного тока.
5.1. Принцип действия и преобразование энергии в
машинах постоянного тока
Принцип действия электрической машины постоянного тока может быть рассмотрен на
примере простейшего генератора постоянного тока, функциональная схема которого
показана на
.
Рис. 5-1а. Простейшая машина постоянного тока.
Она представляет собой рамку, содержащую один или w витков, и вращающуюся с
частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или
электромагнитом.
По закону электромагнитной индукции при изменении потокосцепления в проводниках
возникает ЭДС
,
где Ψ- потокосцепление, w- число витков, B- магнитная индукция, S- сечение, через
которое проходит поток при взаимодействии с обмоткой. ЭДС возникает, если меняется
во времени хотя бы одна из величин, стоящих в числителе формулы
.В
трансформаторах и машинах переменного тока изменяется магнитная индукция, а в
машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления
обмоток якоря с полем возбуждения из-за вращения ротора.
Если проводник перемещается в магнитном поле в плоскости, перпендикулярной силовым
линиям, как это бывает в линейных двигателях, то
,
где l- длина проводника в поле, v- линейная скорость перемещения проводника.
Тогда согласно
.
При вращении с частотой ω
,
где D- диаметр ротора, как показано на
.
Рис. 5-1б. ЭДС, возникающая при вращении якоря машины постоянного тока.
В этом случае согласно
получим
,
т.е. в обмотке якоря индуцируется ЭДС, изменяющаяся по периодическому закону с
частотой
(см.
).
Рис. 5-1в. ЭДС, возникающая при вращении якоря машины постоянного тока.
Чтобы во внешней цепи ток протекал в одном направлении, он должен быть выпрямлен.
Для этого служит специальный электромеханический выпрямитель - коллектор (К),
расположенный на валу машины. В простейшем случае, как на
,
используются две пластины с наложенными на них щетками. Последние так должны быть
расположены в пространстве, чтобы коммутация происходила в моменты периода ЭДС
через ноль. При этом ЭДС, снимаемая со щеток, будет иметь вид, показанный на
сплошной линией, пульсирующая ЭДС. С увеличением количества рамок
(секций) и соответственно пластин коллектора пульсации уменьшаются. Так, на
, пунктирной линией показана ЭДС при четырех коллекторных пластинах,
а при восьми коллекторных пластинах пульсация напряжения на щетках не превышает 1%
от среднего, поэтому ток, протекающий во внешней цепи, можно считать практически
постоянным.
Рис. 5-1г. Возникающая ЭДС.
Магнитное поле, создаваемое в машине постоянного тока, состоит из двух составляющих
- поля возбуждения, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом (см.
) и поля якоря (реакции) якоря, создаваемого током якоря, протекающим в
обмотках якоря, расположенных на роторе (см.
).
а)
б)
Рис. 5-2а,б. Картина магнитного поля в машине постоянного тока.
Поле возбуждения неподвижно относительно статора, а поле реакции якоря из-за
синхронной коммутации обмоток якоря вращается относительно ротора с той же частотой
ω, с какой вращается сам ротор, но в обратную сторону, и таким образом также
неподвижно относительно статора.
Направление потока реакции якоря совпадает с линией, на которой размещены щетки
машины. При этом результирующая картина магнитного поля машины приобретает вид,
представленный на
.
Рис. 5-2в. Картина магнитного поля в машине постоянного тока.
Происходит искажение поля возбуждения и отклонения так называемой физической
нейтрали от геометрической нейтрали на угол α. Чем больше нагружена машина, тем
больше ток якоря, происходит большее искажение поля, натяжение магнитных силовых
линий и увеличение угла α.
Таким образом, по принципу действия машина постоянного тока является обращенной
синхронной машиной с синхронным коммутатором, в которой создается вращающееся
магнитное поле не относительно статора, а относительно ротора, причем благодаря
наличию коллектора (синхронного коммутатора) это поле вращается синхронно с
ротором, но в обратную сторону, а при увеличении нагрузки происходит фазовый
разворот этого поля относительно поля статора на угол α.
Весьма важен в машине постоянного тока процесс коммутации. При коммутации ток в
коммутируемой секции обмотки якоря ik меняет направление на обратное (см.
).
а)
б)
в)
Рис. 5-3а,б,в. Коммутация секций обмотки якоря.
При отсутствии ЭДС в коммутируемой секции изменение тока ik происходит по
линейному закону - линия 1 на
(линейная коммутация). Эквивалентная
схема линейной коммутации показана на
, где rc- сопротивление секции, а
r1 и r2- сопротивления щеточных контактов, которые обратно пропорциональны площади
щеточного контакта и меняются при повороте коллектора так, что токи i1 и i2 изменяются
линейно за время коммутации, которое обычно составляет единицы миллисекунд.
В реальных условиях в короткозамкунотой секции существует ЭДС вращения, вызванная
реакцией якоря, и ЭДС самоиндукции, которые приводят к задержке спада тока ik-
замедленная коммутация (кривая 2 на
).
Это приводит к усилению искрения на сбегающем крае щеточного контакта, которое
может оказаться опасным для машины. Для улучшения условий коммутации в больших
машинах создаются дополнительные полюса, компенсирующая ЭДС самоиндукции и
компенсационные обмотки, нейтрализующие реакцию якоря. В нереверсивных машинах
малой мощности производится смещение щеток на физическую нейтраль.
Чрезмерно большой поток добавочных полюсов также нежелателен. При прекомпенсации
возникает так называемая ускоренная коммутация, (кривая 3 на
которой появляется искрение под набегающим краем щетки.
), при
Рассмотрим электромеханическое преобразование энергии в машине постоянного тока на
примере двигателя с возбуждением от постоянного магнита, схема которого приведена на
.
Рис. 5-4а. Двигатель постоянного тока.
Эквивалентная схема якорной цепи показана на
, где RЯ- активное
сопротивление обмоток якоря, LЯ- индуктивность обмоток, EЯ- среднее значение ЭДС
вращения.
Рис. 5-4б. Эквивалентная схема двигателя постоянного тока.
При достаточно большом количестве секций обмоток якоря и соответствующем ему
количестве пластин коллектора ЭДС вращения EЯ практически не имеет пульсаций и не
зависит от положения ротора, а только от скорости его вращения. Поэтому ее можно
вычислять не по
, а по
, приняв
;
, где Nобщее число проводников якоря, 2·a- число параллельных ветвей обмотки, D- диаметр
якоря.
Магнитную индукцию B можно выразить через поток возбуждения ФВ:
,
где S- площадь полюсного наконечника.
,
где p- число пар полюсов машины.
Подставляя все эти выражения в формулу
, получим
,
т.е. ЭДС вращения зависит от конструктивных параметров, потока возбуждения и частоты
вращения. Обозначив совокупность конструктивных параметров в
коэффициент KЭМ, получим выражение для ЭДС вращения в следующем виде:
через
.
При неизменном потоке возбуждения, как это принято в данном случае при возбуждении
от постоянного магнита, вводят понятие электромагнитного коэффициента
,
который может быть определен по номинальным данным электрической машины. Тогда
формула
будет иметь вид:
.
Пользуясь эквивалентной схемой
, можно построить энергетическую
диаграмму двигателя. В установившемся режиме для эквивалентной схемы имеем
электрические уравнения
где P1=U·IЯ- мощность потребляемая из сети, PЭП=IЯ2·RЯ- электрические потери в обмотке
якоря,PЭМ=EЯ·IЯ - электромагнитная мощность, содержащаяся в магнитном поле.
Электромагнитную мощность, исходя из закона сохранения энергии, можно представить
через электромагнитный момент M:
.
Откуда, учитывая выражения
.
Согласно диаграмме на
мощность, поступающая на вал P2, будет меньше
электромагнитной мощности на величину потерь в стали PMAT и механических потерь
PMEX. Вращающий момент (момент на валу) будет соответственно меньше
электромагнитного момента
Рис. 5-4в. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока.
из-за этих потерь, так как
,
откуда
.
5.2. Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока различаются по характеру возбуждения. Двигатели могут
быть независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (см.
). Свойства двигателей в значительной мере определяются их системой
возбуждения.
Рис. 5-5а,б,в,г. Возбуждение ДПТ.
Поскольку в автоматике применяются в основном двигатели независимого возбуждения,
будем в дальнейшем рассматривать двигатели этого типа (
).
Различают статические и динамические режимы работы двигателей. В статическом
режиме ω=const; IЯ=const; UДВ=const и он описывается так называемыми механическими
характеристиками
.
В статическом режиме двигатель независимого возбуждения описывается следующей
системой уравнений:
где первое уравнение - уравнение якорной цепи, второе и третье -
и
, четвертое - механическое уравнение, пятое - уравнение цепи
возбуждения.
Из первых четырех уравнений
характеристики:
получим уравнение механической
Поскольку применяемые в системах автоматического управления двигатели являются
управляемыми, различают два типа управления двигателями постоянного тока - якорное
управление и полюсное управление.
При якорном управлении производится изменение напряжения, подаваемого в якорную
цепь без изменения возбуждения. При полюсном управлении, наоборот, меняется поле
возбуждения путем изменения тока в обмотках главных полюсов iB. Для расширения
диапазона управления применяют также комбинированное управление.
При полюсном управлении ФB=const, поэтому уравнение механической характеристики
согласно
будет иметь вид:
Графически эта характеристика при фиксированном напряжении на двигателе
представляет собой прямую, пересекающую координатные оси в точках ω0 и MК.З. (см.
), где ω0- частота вращения холостого хода, а MК.З.- момент короткого
замыкания, когда ротор двигателя неподвижен.
Рис. 5-6а. Статическая характеристика ДПТ.
Электрическая машина работает в режиме двигателя при 0<M<MК.З., при M>MК.З.
происходит вращение двигателя в противоположную сторону под действием внешнего
момента - машина работает в режиме тормоза (режим противовключения), при ω>ω0
машина работает в режиме генератора на сеть, имеющую напряжение UH.
Рис. 5-6б. Статическая характеристика ДПТ.
Механические характеристики при различных напряжениях питания двигателя выглядят,
как семейство прямых, показанных на
. Часто их строят в функции тока
якоря IЯ, тогда аналитическое выражение для механических характеристик примет вид:
,
откуда видно, что падение скорости при нагрузке двигателя зависит исключительно от
сопротивления якорной цепи RЯ.
Кроме механических, существуют регулировочные характеристики. Для якорного
управления это зависимость частоты вращения от напряжения питания UДВ. Вид этих
характеристик показан на
, где UТР- напряжение трогания двигателя.
Регулировочная характеристика для полюсного управления может быть получена из
при UДВ=const.
Рис. 5-6в. Статическая характеристика ДПТ.
Вид этих характеристик при различных нагрузках показан на
.
Рис. 5-6г. Статическая характеристика ДПТ.
Для холостого хода, когда M=0, эта характеристика имеет вид гиперболы
Двигатель постоянного тока как динамическая система описывается следующими
уравнениями в операторной форме:
На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как
динамической системы (
).
Рис. 5-7а. Структурная схема ДПТ.
Из структурной схему получим передаточные функции двигателя:
где
- коэффициент передачи,
- постоянная времени якоря,
- электромеханическая постоянная времени.
Пользуясь формулой Хевисайда, по передаточным функциям можно построить
переходные процессы, например при пуске двигателя, как это показано на
.
Рис. 5-7б. Переходный процесс при пуске ДПТ.
При TM»TЯ, как это обычно бывает, получим выражения для тока и скорости при пуске:
Для анализа динамики двигателя постоянного тока при полюсном управлении
рассматривают уравнения, аналогичные уравнениям
в отклонениях, так
как регулировочная характеристика при полюсном управлении является нелинейной.
Производят линеаризацию системы для малых отклонений относительно каких-то
нулевых значений, представив переменные в следующем виде:
;
Тогда на основании уравнений
(при TЯ=0).
;
;
;
можно написать уравнения в отклонениях
На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как
динамической системы при полюсном управлении (
).
Рис. 5-8а. Структурная схема ДПТ при полюсном управлении.
С помощью этой схемы получим передаточную функцию для ДПТ при полюсном
управлении
По этой передаточной функции, пользуясь формулой Хевисайда, можно получить кривые
переходного процесса в двигателе при ступенчатом изменении напряжения возбуждения,
показанные на
.
Рис. 5-8б. Переходный процесс при пуске ДПТ при полюсном управлении.