Принцип действия двигателей постоянного тока

Для правильного понимания принципа действия двигателей постоянного тока рассмотрим рис. 3.1, где схематично изображен поперечный разрез машины с основными элементами, участвующими в процессе преобразования энергии.

Рис. 3.1

При подключении машины к сети постоянного тока в обмотке возбуждения, расположенной на главных полюсах машины, будет протекать ток, который создаст магнитный поток в магнитной цепи, состоящей из статора, главных полюсов, воздушного зазора и ротора машины. Величина магнитного потока, как указывалось ранее, зависит от конструкции и материала магнитопровода, а также от силы тока возбуждения. В воздушном зазоре машины будет создано магнитное поле, представленное магнитными силовыми линиями. Обмотка якоря также подключена к сети постоянного тока, и по её проводникам протекает ток. Она представлена на рисунке проводниками, распределенными по поверхности якоря в воздушном зазоре. Направление тока в проводниках показано на рисунке. На каждый проводник якорной обмотки действует механическая сила, пропорциональная индукции магнитного поля, длине проводника и силе тока , где B_x – индукция магнитного поля в месте расположения проводника; l – длина проводника,
i – сила тока проводника.

Направления сил f_x, действующих на проводники, находящиеся под северным и южным полюсами, показаны на рисунке стрелками. Направления сил можно принять совпадающими с направлениями касательных к поверхности якоря в местах расположения проводников.

Суммарное взаимодействие всех проводников обмотки якоря с магнитным полем машины создает механический момент на валу двигателя , где М – механический момент на валу двигателя; С _м ­­- постоянная, зависящая от конструкции машины;
I _я – ток якоря, – магнитный поток.

Под действием механического момента якорь машины начинает вращаться со скоростью n. Одновременно в каждом проводнике якоря, перемещающемся в магнитном поле машины, наводится ЭДС . Суммарная электродвижущая сила всей якорной обмотки может быть определена из уравнения , где Е – ЭДС обмотки якоря; С_е – постоянная, зависящая от конструкции машины; n – частота вращения якоря; – магнитный поток машины; n – линейная скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направления электродвижущих сил проводников на рис. 3.1 показаны точками и крестиками, расположенными рядом с проводниками. Следует обратить внимание на несовпадение направлений токов и ЭДС проводников. Поэтому ЭДС якоря в двигателях называют иногда противоЭДС, подчеркивая то, что электродвижущая сила обмотки якоря противодействует приложенному напряжению и току якоря (рис. 3.2).

 

 

Рис. 3.2

 

На рисунке – ЭДС внешнего источника питания, – внутреннее сопротивление источника. Слева представлена электрическая схема цепи питания якоря двигателя постоянного тока; справа - эквивалентная схема замещения всей цепи якоря. С электрической точки зрения якорь двигателя представляет собой ЭДС , направление которой не совпадает с направлением тока обмотки якоря, и резистора , сопротивление которого равно сопротивлению провода обмотки якоря. Примечание: на рисунке цепь обмотки возбуждения не показана.

3.2. Основные уравнения двигателя
постоянного тока

Основными формулами, описывающими процесс преобразования энергии в двигателях постоянного тока, являются:

- уравнение механического момента на валу

;

- уравнение противоЭДС машины

и уравнение электрического равновесия двигателя постоянного тока, выражающее связь между приложенным напряжением, противоЭДС, током якоря и сопротивлением якорной цепи машины.

.

3.3. Потери и коэффициент полезного действия
двигателей постоянного тока

Эффективность работы двигателя постоянного тока, как и других устройств, определяется коэффициентом полезного действия, величина которого зависит от потерь электрической энергии в элементах двигателя.

Рис. 3.3

На рис. 3.3 изображена электрическая схема двигателя с параллельным возбуждением.

Реостат , включенный последовательно с обмоткой возбуждения, необходим для регулирования силы тока возбуждения. При работе двигателя в номинальном режиме сопротивление цепи возбуждения определяется сопротивлением проводов обмотки возбуждения
и сопротивлением реостата.

В общем случае ток, протекающий в этой цепи, нагревает обмотку и провод регулировочного реостата. Таким образом, мы имеем дело с рассеиванием электрической энергии в этой цепи. Если сопротивление обмотки возбуждения обозначить R _ов, а сопро­тивление регулировочного реостата , то полное сопротивление цепи возбуждения R _вопределится из уравнения ,
а потери энергии в этой цепи можно вычислить по формуле вычисления мощности или .

Другая часть энергии теряется в якоре. Не вся электрическая энергия, потребляемая якорем, преобразуется в механическую энергию прежде всего потому, что обмотка якоря обладает электрическим сопротивлением. Сопротивление проводников обмотки якоря в реальных машинах достаточно мало, но и это малое сопротивление играет существенную роль в эффективности работы двигателя.

Электрическая энергия подводится к якорю с помощью ще­точно-коллекторного устройства. Сопротивление коллекторных пластин, выполненных из меди, чрезвычайно мало, но сопро­тив­ление щеток и сопротивление контакта щетки - коллекторные пластины значительно. Прохождение тока по этим элементам приводит к дополнительным потерям электрической энергии. Общее со­противление цепи якоря R _я, таким образом, равно сумме сопротивлений щеток R _щ, перехода щетки - коллекторные пластины R _к
и проводов обмотки R _о. Следовательно, .

Потери в этих сопротивлениях называют потерями в цепи якоря.

Барабан якоря изготавливают из листовой электротехнической стали, которая является проводящим материалом. При работе двигателя якорь вращается в неподвижном магнитном поле, и это приводит к тому, что сталь якоря постоянно перемагничивается с частотой кратной частоте вращения якоря. По причине изменения индукции магнитного поля и направления намагничивания стали, в якоре возникают вихревые токи. Оба явления связаны с потерями энергии, т. е. с превращением электрической энергии в тепловую энергию, которая приводит к нагреву двигателя. Потери на перемагничивание и на вихревые токи называют потерями в стали. Индукция магнитного поля в статоре и главных полюсах не изменяется во времени, поэтому потери в магнитопроводах этих частей машины практически отсутствуют.

Механическая часть конструкции машины вносит свою долю
в потери энергии. В основном говорят о потерях в подшипниках, потерях, связанных с трением щеток о коллектор, и потерях в вентиляторе. Все эти потери связаны с преобразованием механической энергии в тепловую энергию. Мощность потерь, равная сумме мощностей потерь в подшипниках, трения щеток о коллектор, вентилятора называют механическими потерями Р _мех.

Таким образом, потребляемая двигателем из сети электрическая энергия преобразуется:

- в механическую выходную энергию,

- в тепловую энергию цепи обмотки возбуждения,

- в тепловую энергию электрической цепи якоря,

- в тепловую энергию потерь в стали,

- в тепловую энергию механических потерь.

Энергетическое равновесие в двигателе постоянного тока описывается следующим уравнением:

,

где Р ₁ – мощность, потребляемая двигателем из сети;

Р ₂ – мощность полезная на выходе двигателя;

Р _я – мощность электрических потерь в цепи якоря;

Р _с – мощность потерь в магнитопроводе или в стали машины;

Р _мех – мощность механических потерь;

Р _в – мощность потерь в цепи обмотки возбуждения.

Коэффициент полезного действия двигателя определяется традиционной формулой

.

Суммарная мощность потерь двигателей определяется экспериментально путем прямых измерений потребляемой мощности Р ₁ и выходной мощности Р ₂. Для этого двигатель подключается к сети постоянного тока с номинальным напряжением. Затем он нагружается тормозным моментом при номинальной частоте вращения. Входная мощность двигателя определится произведением тока двигателя на напряжение сети , а выходная мощность определяется произведением механического момента на валу на угловую частоту вращения, выраженную в радианах в секунду .

В том случае, когда испытателя интересуют величина мощностей отдельных видов потерь, проводятся следующие измерения:

1) измеряется сопротивление обмотки возбуждения при номинальном токе обмотки;

2) измеряется сопротивление якорной цепи при номинальном токе якоря;

3) измеряется механическая мощность на валу отключенной от сети машины, якорь которой приводится во вращение другим посторонним двигателем;

4) измерение мощности потерь магнитопровода (при известных значениях других видов потерь) производится путем измерения мощности, потребляемой двигателем в режиме холостого хода Р ₁₀. Мощность потерь в стали в этом случае определится из формулы .