Электрические машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из статора (рис. 18, а), якоря (рис. 18, б) и щеточно-коллекторного узла (рис.18, в). На статоре 1 укреплены главные 2 и дополнительные полюсы 3 с обмотками. Обмотка главных полюсов 4 называется обмоткой возбуждения и служит для создания основного магнитного поля, постоянного во времени и неподвижного в пространстве. Дополнительные полюсы со своей обмоткой 5 устанавливаются между главными и служат для уменьшения искрения между коллектором и щетками. На якоре располагается рабочая обмотка машины постоянного тока, поэтому цепь якоря – это главная цепь машины.

Щеточно-коллекторный узел соединяет вращающуюся обмотку якоря 6 с внешней электрической цепью. Кроме того, в генераторе он является механическим выпрямителем, преобразующим переменный ток якоря в постоянный ток внешней цепи. В двигателях с помощью коллектора 7 и щеток 8 осуществляется обратное преобразование, обеспечивающее постоянное направление вращающего момента.

Рис. 18

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме двигателя. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения (ОВ) двигатели постоянного тока делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. В двигателях параллельного возбуждения обмотка возбуждения присоединяется параллельно к обмотке якоря.

Рис. 19. Схема двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

На рис. 19. ОВ – обмотка возбуждения двигателя; RП – пусковой реостат, включенный в цепь якоря для уменьшения пускового тока двигателя; RВ – реостат для регулирования частоты вращения двигателя.

Если к двигателю подвести постоянное напряжение U от какого-нибудь источника, то оно вызовет ток I_В в цепи возбуждения и ток I_Я в цепи якоря. Ток, поступающий в двигатель от источника в, Iв .

Ток возбуждения создает магнитное поле с потоком . При взаимодействии тока якоря с магнитным полем возникают силы Ампера и вращающий момент М, пропорциональный току якоря и магнитному потоку

,                                  (30)

где  – постоянная для данной машины величина. Она называется конструктивным коэффициентом момента.

Под действием момента якорь начинает вращаться в магнитном поле. Проводники якоря пересекают магнитное поле, в них, в соответствии с законом электромагнитной индукции, наводится ЭДС , пропорциональная магнитному потоку и частоте вращения якоря :

,                                       (31)

где С_Е – постоянная для данной машины величина. Она называется конструктивным коэффициентом ЭДС. ЭДС направлена противоположно направлению тока якоря и называется противо- ЭДС. Приложенное к зажимам якоря двигателя напряжение U равно сумме противо-ЭДС и падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря:

                                     (32)

Механические свойства двигателя определяются его механической характеристикой . Она показывает влияние механической нагрузки на валу двигателя на частоту вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей.

Чтобы получить уравнение механической характеристики, в формулу (32) подставим значение ЭДС Е из выражения (31)

,

.                                       (33)

Из этой формулы (33), записанной для номинального режима, можно определить произведение , постоянное для двигателя параллельного возбуждения.

Выразим ток I_Я из формулы (30) и подставим его в формулу (33), предварительно поделив почленно числитель на знаменатель

; , 

.                          (34)

Полученное выражение (34) представляет собой уравнение естественной механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Из него можно получить частоту вращения якоря в режиме идеального холостого хода, когда момент М=0.

Мощность, развиваемая на валу двигателя постоянного тока

, кВт.                                           (35)

Пример 6. Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, работая в номинальном режиме, отдает полезную мощность на валу Р=30 кВт, развивает при этом номинальный момент Мн=191 Нм. Двигатель потребляет из сети номинальный ток I=79,5 А, ток в обмотке возбуждения Iв=2,5 А. Потребляемая мощность из сети равна Р₁=35 кВт.

Определить: частоту вращения якоря n, ток якоря Iя, коэффициент полезного действия .

Решение:

Номинальный ток двигателя в, отсюда находим ток якоря

в =79,5-2,5=77А.

Номинальное напряжение .

Частота вращения якоря по формуле (35)

.

Коэффициент полезного действия - .

Электроника

Выпрямители

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменных напряжения и тока в постоянные напряжение и ток.

Однофазные выпрямители

Простейший однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединен диод VD (элемент с односторонней проводимостью) и нагрузочное устройство реостат Rн (рис. 20, а).

В этой схеме диод пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды входного напряжения u₁.

Рис. 20. Схема (а) и временные диаграммы (б) однополупериодного выпрямителя

В интервале времени  и , когда потенциал точки а выше потенциала точки в, диод открыт, и в нем появляется ток i_а , а в нагрузочном резисторе ток i_Ни напряжение u_Н. Причем i_а = i_Н.

В интервале времени  и , потенциал точки а ниже потенциала точки в и диод закрыт, ток i_а  и ток в нагрузочном резисторе i_Н отсутствует (рис. 20, б).

Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение других выпрямительных схем, является пульсирующим, т.е. постоянным по направлению и переменным по величине.

Постоянная составляющая (среднее значение) выпрямленного напряжения при идеальном вентиле

,

где U- напряжение питания.

Среднее значение тока, проходящего через вентиль и нагрузку

.

Рассмотренная схема дает очень высокий коэффициент пульсации (К_П=1,57). Обычно от выпрямителя требуется значительно более сглаженное напряжение. Снижение коэффициента пульсации может быть получено за счет применения более совершенных схем выпрямления или сглаживающих фильтров.

Одной из схем однофазного выпрямителя, которая дает меньшие пульсации, является двухполупериодная трансформаторная схема с выводом средней точки (рис. 21, а). Она содержит два однополупериодных выпрямителя, рассмотренных ранее, включенных на общий приемник постоянного тока.

В каждый из полупериодов напряжения u_ав  работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки 0 (интервалы времени  и ) диод VD1открыт, а диод VD2 закрыт, т.к. потенциалы точки в ниже потенциала точки 0. В эти периоды времени в нагрузочном резисторе Rн появляется ток.

В интервале времени  и потенциал точки в выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки 0. Диод VD2 открыт, а диод VD1 закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе Rн имеет то же направление, что и в предыдущие интервалы времени. При одинаковых значениях U_2а и U_2в токи I_a1 и I_a2 будут равны. Напряжение на нагрузке также сохраняет неизменное направление (рис. 21, б).

Рис. 21. Схема однофазного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (а) и временные диаграммы напряжений (б)

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.22).

Рис. 22. Схема однофазного мостового выпрямителя

Он состоит из трансформатора и четырех диодов (вентилей) подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной диагонали моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный реостат Rн, каждая пара диодов VD1 – VD3 и VD2 – VD4 работает поочередно.

Диоды VD1, VD3 открыты в интервале времени  и , когда потенциал точки а выше потенциала точки в, при этом в нагрузочном реостате появляется ток i_Н , в эти интервалы времени диоды VD2, VD4 закрыты.

В интервале времени  и потенциал точки в выше потенциала точки а диоды VD2, VD4 открыты, а диоды VD1, VD3 закрыты. Во все интервалы времени ток через нагрузочный реостат Rн и напряжение на нем u_Н имеют одно и то же направление (рис. 21. б).

Среднее значение выпрямленного напряжения при идеальных диодах и трансформаторе двухполупериодных выпрямителей:      

.

Ток нагрузки                        .                                       

В схеме рис. 21, а два диода, а в схеме рис. 22, б диоды работают попарно, то среднее значение тока через каждый диод в 2 раза меньше тока нагрузки, т.е.

.

Трехфазные выпрямители

Значительно меньшие пульсации имеют трехфазные выпрямители. Существует два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом (рис. 23) и мостовой (рис. 24).

Рис. 23. Схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом.

В выпрямителе с нейтральным выводом диоды работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, тот из них, к которому приложено наибольшее фазное напряжение. Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Трехфазный мостовой выпрямитель содержит мост из шести диодов (рис.24). В этом выпрямителе в каждый момент времени ток в нагрузке и двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее линейное напряжение. Пульсации в последнем выпрямителе очень хорошо сглажены и равны 5% от значения постоянной составляющей (К_П =0,05).

 Среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного мостового выпрямителя                     .                                                

Рис. 24. Схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) трехфазного мостового выпрямителя

Ток нагрузки                .                                                     

В выпрямителе с нейтральным выводом каждый вентиль работает один раз за период в течение 1/3 периода. В мостовом выпрямителе вентили работают попарно также один раз за период в течение 1/3 периода. Поэтому в этих схемах среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, т.е.                           .                                                

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Задача 1. Для разветвленной цепи (рис. 25, табл. 1), пользуясь законами Кирхгофа, определить токи во всех ветвях.

                Рис. 25

Таблица 1.

Исходные данные к задаче  1

Задача 2.В цепь переменно-го тока (рис. 26, табл. 2) последова-тельно включены резистор с активным сопротивлением R и конденсатор емкостью С. К цепи подведено переменное напряжение частотой 50 Гц. Определить показания измерительных прибо-ров, включенных в цепь, реактив-ную мощность цепи; построить векторную диаграмму и треу-гольник сопротивлений.

Рис. 26.

Таблица 2.

Исходные данные к задаче 2

Задача 3. В трехфазную трехпроводную цепь с симметричным линейным напряжением U_л включены звездой сопротивления  и  (рис. 27, табл. 3). Определить фазные и линейные токи, активную мощность всей цепи и каждой фазы в отдельности. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

Таблица 3.

Исходные данные к задаче 3

Задача 4. Для заданной схемы выпрямителя определить среднее значение тока через каждый из вентилей схемы при напряжении питания 220 В. Значение сопротивления активной нагрузки на выходе выпрямителя приведено в табл. 4. Начертить схему выпрямителя. 

Таблица 4.

Исходные данные к задаче 4

О б о з н а ч е н и я: А- однофазная однополупериодная; Б- однофазная с выводом средней точки трансформатора; В- однофазная мостовая; Г- трехфазная с нейтральным выводом; Д- трехфазная мостовая.

Задача 5. В табл. 5 приведены паспортные данные трехфазного трансформатора: номинальная мощность S_Н, номинальное напряжение , потери мощности  холостого хода и короткого замыкания Р_Х и Р_К. Схема соединений обмоток трансформатора «звезда/звезда». Определить номинальные токи трансформатора и КПД трансформатора при нагрузках 50, 100, 125% от номинальной.   Коэффициент мощности нагрузки соsj =0.8.

Таблица 5.

Исходные данные к задаче 5

Величина	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
SН, кВА	25	40	63	100	100	160	250	250	400	630
, кВ
РХ, Вт	105	150	220	310	365	460	660	780	920	1420
РК, Вт	600	800	1300	2000	1970	2700	3700	3600	5400	7500

Задача 6. Для асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, паспортные данные которого приведены в табл. 6, определить ток, потребляемый двигателем из сети, номинальную частоту вращения, номинальный, максимальный и пусковой моменты, а также пусковой ток.

Таблица 6.

Исходные данные к задаче  6

Задача 7. Известны номинальные данные двигателя постоянного тока параллельного возбуждения: мощность Р_Н, напряжение U_Н, число оборотов n_Н и ток I_Н. Кроме того, известны сопротивления обмоток якоря и дополнительных полюсов в нагретом состоянии R_Я и обмотки возбуждения R_В (табл. 7). Определить вращающий момент двигателя при номинальном режиме и частоту вращения якоря двигателя в режиме идеального холостого хода. Начертить схему двигателя.

Таблица 7.

Исходные данные к задаче 7

Библиографический список

1. Иванов И.И. Электротехника /Иванов И.И., Соловьев Г.И, Равдоник В.С.– С П б.: Лань., 2005-375с.

2. Кононенко В.В. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов – Изд.2-е. /Кононенко В.В. [и др.] – Ростов н/Д: Феникс., 2005. - 752 с.

3. Касаткин А.С. Электротехника /Касаткин А.С., Немцов М.В. – М.: Высшая школа, 2000. – 541 с.

4. Иванов И.И. Электротехника: Основные положения, примеры и задачи. С.-Петербург. госуд. технич. универст.: Лань, 1999. - 191 с.

5. Электротехника и электроника. В 3-х кн. Кн 3. Электрические измерения и основы электроники. /Под редакцией В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998 - 432 с.

6. Электротехника и электроника в 3-х кн. Кн 2. Электромагнитные устройства и электрические машины /Под редакцией В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1997. - 272 с.

7. Электротехника и электроника в 3-х кн. Кн.1 Электрические и магнитные цепи /Под редакцией В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1996. - 288 с.

8. Рекус Г.Г. Сборник задач по электротехнике и основам электроники /Рекус Г.Г., Белоусов А.И. – М.: Высшая школа, 1991. – 415 с.

9. Волынский Б.А. Электротехника /Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. – М.: Энергоатомиздат, 1987. - 526 с.

10. Сборник задач по электротехнике и основам электроники /Под редакцией В.Г. Герасимова.-М.: Высшая школа, 1987-252 с.

11. ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Основные понятия. Термины и определения /Введен c 2003-07-01 – М.: Изд-во стандартов, 2003 - 270 с.

12. ГОСТ 2.710-81 Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. /Введен c 1981-07-01 – М.: Изд-во стандартов, 1985 - 14 с.

13. СТО ИрГТУ 005 – 2007. – Изд –во ИрГТУ, 2007.- 50с.