Характеристики двигуна постійного струму

Зміст

1. Введення

2. Пристрій і принцип дії двигунів постійного струму

3. Пуск двигунів

4. Технічні дані двигунів

5. Ккд двигунів постійного струму

6 Характеристики двигуна постійного  струму

6.1 Робочі характеристики

6.2 Механічна характеристика

7. Список використаної літератури

1.Вступ

Електричні машини постійного струму широко застосовуються в різних галузях промисловості.

Значного поширення електродвигунів постійного струму пояснюється їх цінними якостями: високими пусковим, гальмівних та перевантажувальним моментами, порівняно високим швидкодією, що важливо при реверсуванні і гальмуванні, можливістю широкого і плавного регулювання частоти обертання.

Електродвигуни постійного струму використовують для регульованих приводів, наприклад, для приводів різних верстатів і механізмів. Потужності цих електродвигунів досягають сотень кіловат. У зв'язку з автоматизацією управління виробничими процесами і механізмами розширюється область застосування малопотужних двигунів постійного струму загального застосування потужністю від одиниць до сотень ват.

У залежності від схеми живлення, обмотки збудження машини постійного струму поділяються на кілька типів (з незалежним, паралельним, послідовним і змішаним збудженням).

Щорічний випуск машин постійного струму в РФ значно менше випуску машин змінного струму, що обумовлено дорожнечею двигунів постійного струму.

Спочатку створювалися машини постійного струму. Надалі вони значною мірою були витіснені машинами змінного струму. Завдяки можливості плавного і економічного регулювання швидкості обертання двигуни постійного струму зберігають своє домінуюче значення на транспорті, для приводу металургійних верстатів, в кранових і підйомно-транспортних механізмах. У системах автоматики машини постійного струму широко використовуються в якості виконавчих двигунів, двигунів для приводу стрічкопротяжних самозапісивающіх механізмів, як тахогенератором та електромашинних підсилювачів.

2. Пристрій і принцип дії двигунів постійного струму

Пристрій машин постійного струму (генераторів і двигунів) у спрощеному вигляді показано на рис.1. До сталевого корпусу 1 статора машини прикріплені головні 2 і додаткові 4 полюси. На головних полюсах розташована обмотка збудження 3, на додаткових - обмотка додаткових полюсів 5. Обмотка збудження створює магнітний потік Ф машини.

Рис.1

На валу 10 двигуна закріплений циліндричний магнітопровід 6, у пазах якого розташована обмотка якоря 7. Секції обмотки якоря приєднані до колектора 9. До нього ж притискаються пружинами нерухомі щітки 8. Закріплений на валу двигуна колектор складається з ряду ізольованих від нього і один від одного мідних пластин. За допомогою колектора, і щіток здійснюється з'єднання обмотки якоря з зовнішньої електричної ланцюгом. У двигунів вони, крім того, служать для перетворення постійного по напрямку струму зовнішньої ланцюга в змінюється по напрямку струм у провідниках обмотки якоря.

Додаткові полюси з розташованої на них обмоткою зменшують іскріння між щітками й колектором машини. Обмотку додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою якоря і на електричних схемах часто не зображують.

Для зменшення втрат потужності магнітопровід якоря виконаний з окремих сталевих листів. Всі обмотки виготовлені з ізольованого проводу. Крім двигунів, що мають два головних полюси, існують машини постійного струму з чотирма і б * льшим кількістю головних полюсів. При цьому відповідно збільшується кількість додаткових полюсів і комплектів щіток.

Якщо двигун включений в мережу постійної напруги, то при взаємодії магнітного поля, створеного обмоткою збудження, і струму в провідниках якоря виникає обертаючий момент, що діє на якір:

(1)

(2)

 

де К М - коефіцієнт, що залежить від конструктивних параметрів машини, Ф - магнітний потік одного полюса; I Я - струм якоря.

Якщо момент двигуна при n = 0 перевищує гальмуючий момент, яким навантажений двигун, то якір почне обертатися. При збільшенні частоти обертання n зростає индуцируемая в якорі ЕРС. Це призводить до зменшення струму якоря:

(3)

де r Я - опір якоря.

Наслідком зменшення струму I Я є зменшення моменту двигуна. При рівності моментів двигуна і навантаження частота обертання перестає змінюватися.

Напрямок моменту двигуна і, отже, напрямок обертання якоря залежать від напрямку магнітного потоку і струму в провідниках обмотки якоря. Щоб змінити напрямок обертання двигуна, слід змінити напрямок струму якоря або струму збудження.

3. Пуск двигунів

З формули (3) випливає, що в першу мить після включення двигуна в мережу постійної напруги, тобто коли і ,

 

Так як опір r Я невелика, то струм якоря може в 10 ... 30 разів перевищувати номінальний струм двигуна, що неприпустимо, оскільки призведе до сильного іскріння і руйнування колектора. Крім того, при такому струмі виникає неприпустимо великий момент двигуна, а при частих пусках можливий перегрів обмотки якоря.

Щоб зменшити пусковий струм в ланцюзі якоря, включають пусковий резистор, опір якого в міру збільшення частоти обертання двигуна зменшують до нуля. Якщо пуск двигуна автоматизований, то пусковий резистор виконують з декількох ступенів, які вимикають послідовно в міру збільшення частоти обертання.

Пусковий струм якоря

У міру розгону двигуна в обмотці якоря зростає ЕРС, а як випливає з формули (3), це призводить до зменшення струму якоря I Я. Тому в міру збільшення частоти обертання двигуна опір в ланцюзі якоря зменшують. Щоб при порівняно невеликому пусковому струмі отримати великий пусковий момент, пуск двигуна здійснюють з найбільшим магнітним потоком. Отже, струм порушення при пуску повинен бути максимально допустимим, тобто номінальним.

4.Техніческіе дані двигунів

У паспорті двигуна та довідкової літератури на двигуни постійного струму вказані наступні технічні дані: номінальні напруга U і, потужність P н, частота обертання n н, струм I н, ККД.

Під номінальним U н розуміють напругу, на яку розраховані обмотка якоря і колектор, а також у більшості випадків і паралельна обмотка збудження. З урахуванням номінального напруги вибирають електроізоляційні матеріали двигуна.

Номінальний струм I н - максимально допустимий струм (споживаний з мережі), при якому двигун нагрівається до найбільшої допустимої температури, працюючи в тому режимі (тривалому, повторно-короткочасному, короткочасному), на який розрахований:

де I ян - струм якоря при номінальному навантаженні; I вн - струм обмотки збудження при номінальній напрузі.

Слід зазначити, що струм збудження I вн двигуна паралельного збудження порівняно малий, тому при номінальному навантаженні зазвичай приймають

Номінальна потужність Р н - це потужність, що розвивається двигуном на валу при роботі з номінальним навантаженням (моментом) і при номінальній частоті обертання n н.

Частота обертання n н, і ККД відповідають роботі двигуна зі струмом I н, напругою U н без додаткових резисторів у ланцюгах двигуна.

У загальному випадку потужність на валу P 2, момент М і частота обертання n пов'язані співвідношенням:

Споживана двигуном з мережі потужність Р 1, величини P 2, ККД, U, I зв'язані співвідношеннями:

 

де

Очевидно, що ці співвідношення справедливі також і для номінального режиму роботи двигуна.

 

5. ККД двигунів постійного струму

Коефіцієнт корисної дії є найважливішим показником двигунів постійного струму. Чим він більший, тим нижча вихідна потужність Р і струм I, споживані двигуном з мережі при одній і тій же механічної потужності. У загальному вигляді завісімостьть така:

(9)

де - Втрати в обмотці якоря; - Втрати в обмотці збудження; - Втрати в муздрамтеатрі якоря; - Механічні втрати.

Втрати потужності не залежать, і мало залежать від навантаження двигуна.

Двигуни розраховуються таким чином, щоб максимальне значення ККД було в області, близької до номінальної потужності. Експлуатація двигунів при малих навантаженнях небажана внаслідок малих значень r я. Значення ККД двигунів з різними способами збудження і потужністю від 1 до 100 кВт при номінальному навантаженні різні і складають у середньому 0,8.

 

6.Характеристика двигунів  постійного струму

6.1. Робочі характеристики

Робочими називаються регулювальна, швидкісна, моментная і к.к.д. характеристики.

Регулювальна характеристика

Регулювальна характеристика представляє залежність швидкості обертання П від струму Iв порушення у випадку, якщо струм Iа якоря і напруга U мережі залишаються незмінними, тобто n = f (Iв) при Ia = const та U = const.

До тих пір, поки сталь магнітопрівода машини не насичена, потік Ф змінюється пропорційно току збудження Iв. У цьому випадку регулювальна характеристика є гіперболічної. У міру насичення при великих струмах Iв характеристика наближається до лінійної (рис. 2). При малих значеннях струму Iв швидкість обертання різко зростає. Тому при обриві ланцюга збудження двигуна (Iв = 0) з паралельним порушенням швидкість його обертання досягає неприпустимих меж, як кажуть: «Двигун йде в рознос». Виняток можуть становити мікродвигуни, які мають відносно великий момент М0 холостого ходу.

Рис. 2. Регулювальна характеристика двигуна

У двигунах послідовного збудження Iв = Iа. При малих навантаженнях струм якоря Iа малий і швидкість обертання може бути дуже великою, тому пуск і робота при малих навантаженнях неприпустимі. Мікродвигуни так само, як і. в попередньому випадку, можуть становити виняток.

Швидкісні характеристики.

Швидкісні характеристики дають залежність швидкості обертання п від корисної потужності Р2 на валу двигуна в разі, якщо напруга U мережі і опір rв регулювального реостата ланцюга порушення залишаються незмінними, тобто n = f (P2), при U = const і rв = const .

Рис. 3. Швидкісні характеристики

Із зростанням струму якоря при збільшенні механічного навантаження двигуна паралельного збудження водночас збільшується падіння напруги в якорі і з'являється реакція якоря, яка зазвичай діє розмагнічувальних чином. Перша причина прагне зменшити швидкість обертання двигуна, друга - збільшити. Дія падіння напруги в якорі зазвичай надає більший вплив. Тому швидкісна характеристика двигуна паралельного збудження має злегка падаючий характер (крива 1, рис. 3).

У двигуні послідовного збудження струм якоря є струмом збудження. У результаті швидкісна характеристика двигуна з послідовним збудженням має характер, близький до гіперболічному. При збільшенні навантаження в міру насичення магнітного кола характеристика набуває більш прямолінійний характер (крива 3 на рис. 3).

У компаундними двигуні при згодному включенні обмоток швидкісна характеристика займає проміжне положення між характеристиками двигуна паралельного та послідовного збудження (крива 2).

Моментні характеристики.

Моментні характеристики показують, як змінюється момент М при зміні корисної потужності Р2 на валу двигуна, якщо напруга U мережі і опір rв регулювального реостата в колі збудження залишаються незмінними, тобто М = f (P2), при U = const, rв = const.

Корисний момент на валу двигуна

Якщо швидкість обертання двигуна паралельного збудження не змінювалася б з навантаженням, то залежність моменту Ммех від корисної потужності графічно представляла б пряму лінію, що проходить через початок координат. Насправді швидкість обертання зі збільшенням навантаження падає. Тому характеристика корисного моменту кілька загинається догори (крива 2, рис. 4). При цьому крива електромагнітного моменту М проходить вище кривої корисного моменту Ммех на постійну величину, рівну моменту холостого ходу М0 (крива 1).

Рис. 4. Моментні характеристики

У двигуні послідовного збудження вид моментної характеристики наближається до параболическому, так як зміна моменту від струму навантаження відбувається, за законом параболи, поки сталь не насичена. У міру насичення залежність набуває більш прямолінійний характер (крива 4). У компаундними двигуні моментная характеристика (крива 3) займає проміжне положення між характеристиками двигуна паралельного та послідовного збудження.

Характеристика зміни коефіцієнта корисної дії.

Крива залежності к. п. д. від навантаження має характерний для всіх двигунів вигляд (рис 5). Крива проходить через початок координат і швидко зростає при збільшенні корисної потужності до 1 / 4 номінальної. При потужності Р2, що дорівнює приблизно 2 / 3 номінальної, к. п. д. зазвичай досягає максимального значення. При збільшенні навантаження до номінальної к. п. д. залишається постійним або незначно падає.

Рис. 5. Зміна к. п. д. двигуна

6.2 Механічна характеристика

Найважливішою характеристикою двигуна є механічна n (M). Вона показує, як залежить частота обертання двигуна від развиваемого моменту. Якщо до обмоток двигуна підведені номінальні напруги і відсутні додаткові резистори в його ланцюгах, то двигун має механічну характеристику, звану природною. На природній характеристиці знаходиться точка, відповідна номінальним даними двигуна (М н, Р я і т.д.). Якщо ж напруга на обмотці якоря менше номінального, або I в <I вн, то двигун буде мати різні штучні механічні характеристики. На цих характеристиках двигун працює при пуску, гальмуванні, реверсі і регулювання частоти обертання.

Перетворивши вираз (3) щодо частоти обертання, отримаємо рівняння електромеханічної характеристики n (I я):

(7)

Після заміни в рівнянні (7) струму I я згідно з формулою (1), отримаємо рівняння механічної характеристики n (М):

(8)

При Ф = соnst, електромеханічна n (I я) і механічна n (М) характеристики двигуна паралельного збудження представляють собою прямі лінії. Так як за рахунок реакції якоря магнітний потік трохи змінюється, то характеристики в дійсності дещо відрізняються від прямих.

При роботі вхолосту (М = 0) двигун має частоту обертання холостого ходу, яка визначається першим членом рівняння (8). Зі збільшенням навантаження n зменшується. Як випливає з рівняння (8), це пояснюється наявністю опору якоря r я.

Оскільки r я не велика, частота обертання двигуна при збільшенні моменту змінюється мало, і двигун має жорстку природну механічну характеристику (рис.6, характеристика 1).

З рівняння (8) випливає, що регулювати частоту обертання при заданій постійній навантаженні (М = const) можна трьома способами:

а) зміною опору кола якоря;

б) зміною магнітного потоку двигуна;