Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

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 Bx – индукция магнитного поля в месте расположения проводника; l – длина проводника,
i – сила тока проводника.

Направления сил fx , 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; См ­­- постоянная, зависящая от конструкции машины;
Iя – 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; Се – 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 Rов, а сопро­тивление регулировочного реостата , то полное сопротивление цепи возбуждения Rв определится 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 Rя, таким образом, равно сумме сопротивлений щеток Rщ, перехода щетки - коллекторные пластины Rк
и проводов обмотки Rо. 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 Рмех.

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 Р1 – мощность, потребляемая двигателем из сети;

Р2 – мощность полезная на выходе двигателя;

Ря – мощность электрических потерь в цепи якоря;

Рс – мощность потерь в магнитопроводе или в стали машины;

Рмех – мощность механических потерь;

Рв – мощность потерь в цепи обмотки возбуждения.

Коэффициент полезного действия двигателя определяется традиционной формулой

.

Суммарная мощность потерь двигателей определяется экспериментально путем прямых измерений потребляемой мощности Р1 и выходной мощности Р2. 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 Р10 . Мощность потерь в стали в этом случае определится из формулы .







Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 1534. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.007 сек.) русская версия | украинская версия