Механические и рабочие характеристики ДПТ.

Ответ: Схема включения двигателя независимого возбуждения показана на рис. 5.19.

Рис. 5.19.

В цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление R_д, например пусковой реостат. Для регулирования тока возбуждения в цепь обмотки возбуждения может быть включен регулировочный реостат R_р. У двигателя параллельного возбуждения обмотки якоря и возбуждения подключены к одному источнику питания, и напряжение на них одинаковое. Следовательно, двигатель параллельного возбуждения можно рассматривать как двигатель независимого возбуждения при U_я= U_в. Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной. Уравнения электромеханической ω=f(I _я) и механической ω=f(M _эм.) характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа: U _я=E _я+I _я)(R _я+R _д), (5.35) где R _я – активное сопротивление якоря. Преобразуя (5.35) с учетом (5.6), получим уравнение электромеханической характеристики ω=(U _я-I _я(R _я+R _д))/kФ. (5.36). В соответствии с (5.10) ток якоря I _я=M _эм./kФ и выражение (5.36) преобразуется в уравнение механической характеристики: ω=U_я/ kФ – ( R _я+ R _д)/( kФ) ²)M_эм. . (5.37) Это уравнение можно представить в виде ω= ω _о.ид.- Δ ω, где ω _о.ид.=U_я/kФ (5.38) ω _о.ид - угловая скорость идеального холостого хода ( при I_я=0 и, соответственно, М_эм.=0 ); Δ ω= М_эм.[(R_я+R_д)/(kФ)²]– уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.
Семейство механических характеристик при номинальном напряжении на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря изображено на рис. 5.20,а.

Рис.5.20

Механические характеристики двигателей принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и линейности.
Естественная механическая характеристика, соответствующая (5.37) при R_д=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика линейная; отклонение от линейного закона может быть вызвано реакцией якоря, приводящей к изменению потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря (прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики устойчивые, так как dω/dM_эм.<0, и обеспечивают саморегулирование двигателя, т.е. он автоматически приспосабливается к изменяющейся нагрузке. Увеличение статического момента сопротивления на валу двигателя приводит к уменьшению угловой скорости и ЭДС якоря. Ток якоря, выражение для которого можно записать на основании (5.35), I_я= (U_я-E_я)/(R _я+ R _д)=(U_я -kωФ;)/( R _я R _д ), (5.39) возрастает. Соответственно растет электромагнитный момент вплоть до нового значения момента сопротивления (переход из точки А в точку В на механической характеристике).
По аналогии на основании (5.37) может быть построено семейство искусственных характеристик при различных значениях U_я или Ф. Анализ таких характеристик будет проделан в разделе исполнительных двигателей постоянного тока (§ 5.7).

Рабочие характеристики двигателя – это зависимости угловой скорости ω, электромагнитного М_эм. и полезного М₂ моментов и кпд η от полезной механической мощности на валу двигателя P₂=M₂ω при номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений (рис. 5.20,б).
Однако у рассматриваемых двигателей рабочие характеристики построены не в функции полезной мощности двигателя P₂, а в функции тока якоря I_я. Объясняется это тем, что в двигателях постоянного тока электрическая мощность, идущая на преобразование в механическую, поступает через цепь якоря. Ток якоря двигателей независимого и параллельного возбуждения, у которых скорость слабо зависит от нагрузки, практически прямо пропорционален мощности P₂. Уравнения же рабочих характеристик через ток I_я получить гораздо проще. Характеристики ω= f(I_я) и M_эм.=а(I_я) могут быть построены соответственно на основании уравнений (5.36) и (5.10). Без учета реакции якоря эти характеристики линейные, у реальных машин под действием реакции якоря (изменение Ф) характеристики могут оказаться нелинейными. Полезная составляющая момента двигателя M₂ меньше электромагнитного момента на значение момента холостого хода M₀=(ΔP_мех.+ΔP_м)/ ω, где ΔP_мех. – механические потери мощности (трение); Δ P_м– магнитные потери. Характеристики полезного момента M₂ и КПД η начинаются из точки реального холостого хода, которому соответствует ток якоря I_яо (рис. 5.20,б). Кривая КПД имеет типичный для всех электрических машин характер, т.к. в двигателе имеются постоянные потери (ΔP_мех.+ΔP_м+U_вI_в), практически не зависящие от нагрузки (тока якоря), и переменные потери в якоре I _{2 я} R_я .

Коммутация.

Ответ: Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации. Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока. При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Рис. 1.13

Токi в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iадо – Iа(рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции . роме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где B_П– индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации i_К, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления е_Lи зависит значение и направление тока i_К. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря. Еслие_Lи направлены навстречу друг другу и равны, то е_L+ =0и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1–2t/Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается. Однако практически е_L+ ≠ 0. В этом случае ток i_К алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации: В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями: Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы е_L + = 0 ; Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В); Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток. Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы е_L + = 0или было несколько больше нуля. Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.