Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.
В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.
Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока
Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь , подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат . Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения) . Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.
Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.
Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.
Схемы включения двигателя постоянного тока
Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.
Независимое возбуждение
Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.
Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.
Параллельное возбуждение
Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.
Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.
Последовательное возбуждение
Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.
Смешанное возбуждение
При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.
Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения
В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: i в = I а = I . Поэтому поток Ф δ изменяется в широких пределах и можно написать, что
  | (3) |
 | (4) |
Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При k Ф = const вид кривой n = f (I ) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P 2 = (0,2 – 0,25) P н.
Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения n = f (M ) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1 ).
Поскольку у двигателей параллельного возбуждения M ∼ I , а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M ∼ I ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) I н, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при R а = 0)
n ∼ U / I ∼ U / √M .
Поэтому у двигателей параллельного возбуждения
P 2 = Ω × M = 2π × n × M ∼ M ,
а у двигателей последовательного возбуждения
P 2 = 2π × n × M ∼ √M .
Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M ст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
  |
| Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а ), шунтирования якоря (б ) и включения сопротивления в цепь якоря (в ) |
Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f (I ) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) E а и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.
Регулирование скорости посредством ослабления поля
Регулирование n посредством ослабления поля производится либо путем шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением R ш.в (рисунок 2, а ), либо уменьшением числа включенных в работу витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть предусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.
Так как сопротивление обмотки возбуждения R в и падение напряжения на нем малы, то R ш.в также должно быть мало. Потери в сопротивлении R ш.в поэтому малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, и такой способ регулирования широко применяется на практике.
При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения со значения I уменьшается до
и скорость n соответственно увеличивается. Выражения для скоростной и механических характеристик при этом получим, если в равенствах (2) и (3) заменим k Ф на k Ф k о.в, где
представляет собой коэффициент ослабления возбуждения. При регулировании скорости изменение числа витков обмотки возбуждения
k о.в = w в.раб / w в.полн.
На рисунке 3 показаны (кривые 1 , 2 , 3 ) характеристики n = f (M ) для этого случая регулирования скорости при нескольких значениях k о.в (значению k о.в = 1 соответствует естественная характеристика 1 , k о.в = 0,6 – кривая 2 , k о.в = 0,3 – кривая 3 ). Характеристики даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда k Ф = const и R а* = 0,1.
 |
| Рисунок 3. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при разных способах регулирования скорости вращения |
Регулирование скорости путем шунтирования якоря
При шунтировании якоря (рисунок 2, б ) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R в × I мало и поэтому можно принять R в ≈ 0, то сопротивление R ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.
Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.
На рисунке 3 кривая 4 n = f (M ) при
I ш.а ≈ U / R ш.а = 0,5 I н.
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря (рисунок 2, в ). Этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения. Так как одновременно при этом значительно уменьшается к. п. д., то такой способ регулирования находит ограниченное применение.
Выражения для скоростной и механической характеристик в этом случае получим, если в равенствах (2) и (3) заменим R а на R а + R ра. Характеристика n = f (M) для такого способа регулирования скорости при R ра* = 0,5 изображена на рисунке 3 в виде кривой 5 .
 |
| Рисунок 4. Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения |
Регулирование скорости изменением напряжения
Этим способом можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранение высокого к. п. д. Рассматриваемый способ регулирования широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного включения в сеть на последовательное (рисунок 4). На рисунке 3 кривая 6 представляет собой характеристику n = f (M ) для этого случая при U = 0,5U н.
17.Характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. 1. В этом двигателе имеются две обмотки возбуждения – параллельная (шунтовая, ШО), подключенная параллельно цепи якоря, и последовательная (сериесная,СО), подключенная последовательно цепи якоря. Эти обмотки по магнитному потоку могут быть включены согласно или встречно.
Рис. 1 - Схема электродвигателя смешанного возбуждения.
При согласном включении обмоток возбуждения их МДС складываются и результирующий поток Ф примерно равен сумме потоков, создаваемых обеими обмотками. При встречном включении результирующий поток равен разности потоков параллельной и последовательной обмоток. В соответствии с этим, свойства и характеристики электродвигателя смешанного возбуждения зависят от способа включения обмоток и от соотношения их МДС.
Скоростная характеристика n=f (Ia) при U=Uн и Iв=const (здесь Iв - ток в параллельной обмотке).
С увеличением нагрузки результирующий магнитный поток при согласном включении обмоток возрастает, но в меньшей степени, чем у двигателя последовательного возбуждения, поэтому скоростная характеристика в этом случае оказывается более мягкой, чем у двигателя параллельного возбуждения, но более жесткой, чем у двигателя последовательного возбуждения.
Соотношение между МДС обмоток может меняться в широких пределах. Двигатели со слабой последовательной обмоткой имеют слабо падающую скоростную характеристику (кривая 1, рис. 2).
Рис.
2 - Скоростные характеристики двигателя
смешанного возбуждения.
Чем больше доля последовательной обмотки в создании МДС, тем ближе скоростная характеристика приближается к характеристике двигателя последовательного возбуждения. На рис.2 линия 3 изображает одну из промежуточных характеристик двигателя смешанного возбуждения и для сравнения дана характеристика двигателя последовательного возбуждения (кривая 2).
При встречном включении последовательной обмотки с увеличением нагрузки результирующий магнитный поток уменьшается, что приводит к увеличению скорости двигателя (кривая 4). При такой скоростной характеристике работа двигателя может оказаться неустойчивой, т.к. поток последовательной обмотки может значительно уменьшить результирующий магнитный поток. Поэтому двигатели со встречным включением обмоток не применяются.
Механическая характеристика n=f (М) при U=Uн и Iв=const. двигателя смешанного возбуждения показана на рис.3 (линия 2).
Рис. 3 - Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Она располагается между механическими характеристиками двигателей параллельного (кривая 1) и последовательного (кривая 3) возбуждения. Подбирая соответствующим образом МДС обеих обмоток, можно получить электродвигатель с характеристикой, близкой к характеристике двигателя параллельного или последовательного возбуждения.
Область применения двигателей последовательного, параллельного и смешанного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях параллельного возбуждения.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях смешанного возбуждения.
Двигатель смешанного возбуждения
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис. 29.12, а). Частота вращения этого двигателя
, (29.17)
где и - потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.
Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.
На рис. 29.12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в - механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последовательного возбуждения последние имеют более пологий вид.
Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики
Следует отметить, что по своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.
Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вращения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что несколько ограничивает его применение. Двигатели смешанноговозбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовыеподъемники, насосы, компрессоры).
49. Пусковые и перегрузочные свойства двигателей постоянного тока.
Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.
Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).
Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.
При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет
где Uс - напряжение сети.
После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(Mн) и n = f2 (Iя) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока
Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения
где E1 - ЭДС в точке А характеристики; r1-сопротивление выключаемой секции.
Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 -6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.
При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается - двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.
В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.
Пуск и Остановка МПТ
Прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.
Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.
При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата.
Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.
В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.
Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.
Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.
Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а.
Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я - с возвратом энергии в сеть; б - при противовключении; в - динамическое торможение
Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc< Е, а также при спуске грузов в подъемнике и в других случаях.
Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением
где Imах - наибольший допустимый ток.
Торможение связано с большими потерями энергии.
Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.
Схемы включения двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения: а - схема включения двигателя, б - схема включения при динамическом торможении, в - схема для противовключения.
Переходные процессы в МПТ
В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).
После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.
Изменения энергии магнитного и электрического полей не могут происходить мгновенно, и, следовательно, не могут мгновенно протекать процессы в момент коммутации. В самом деле, скачкообразное (мгновенное) изменение энергии в индуктивном и емкостном элементе приводит к необходимости иметь бесконечно большие мощности p = dW/dt, что практически невозможно, ибо в реальных электрических цепях бесконечно большой мощности не существует.
Таким образом, переходные процессы не могут протекать мгновенно, так как невозможно в принципе мгновенно изменять энергию, накопленную в электромагнитном поле цепи. Теоретически переходные процессы заканчиваются за время t→∞. Практически же переходные процессы являются быстропротекающими, и их длительность обычно составляет доли секунды. Так как энергия магнитного W М и электрического полей W Э описывается выражениями
то ток в индуктивности и напряжение на емкости не могут изменяться мгновенно. На этом основаны законы коммутации.
Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде i L (0 -) = i L (0 +), считая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0.
Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться: U C (0 -) = U C (0 +).
Следовательно, наличие ветви, содержащей индуктивность, в цепи, включаемой под напряжение, равносильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как i L (0 -) = i L (0 +). Наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как U C (0 -) = U C (0 +).
Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.
В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.
В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах существуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические поля.
Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств
52. Магнитогидродинамические машины постоянного тока. Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей законы физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах при их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины находят применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы применения в будущем. Ниже рассматриваются принципы устройства и действия МГД машин постоянного тока.
Электромагнитные насосы для жидких металлов
Рисунок 1. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока
В насосе постоянного тока (рисунок 1) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электромагнита 1 и с помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидкому металлу в данном случае подводится кондуктивным путем, то такие насосы называются также кондукционными.
При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов ("реакция якоря"), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насосах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины ("компенсационная обмотка"), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рисунке 1 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1 – 2 витка.
Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и так далее). В противном случае более подходящими являются индукционные насосы переменного тока.
Насосы описанного типа стали находить применение около 1950 года в исследовактельских целях и в таких установках с ядерными реакторами, в которых для отвода тепла из реакторов используются жидкометаллические носители: натрий, калий, их сплавы, висмут и другие. Температура жидкого металла в насосах при этом составляет 200 – 600 °С, а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выполненных насосов для натрия имеет следующие расчетные данные: температура 800 °С, напор 3,9 кгс/см², расход 3670 м³/ч, полезная гидравлическая мощность 390 кВт, потребляемый ток 250 кА, напряжение 2,5 В, потребляемая мощность 625 кВт, коэффициент полезного действия 62,5 %. Другие характерные данные этого насоса: сечение канала 53 × 15,2 см, скорость течения в канале 12,4 м/с, активная длина канала 76 см.
Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.
Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные установки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым коэффициентом полезного действия. Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы, смотрите статью "Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока".
Плазменные ракетные двигатели
Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, то есть высокотемпературного (2000 – 4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/с. Такие двигатели не будут обладать большой силой тяги и поэтому будут пригодны для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что массовый расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получать с помощью ядерных реакторов. Для плазменных двигателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.
Магнитогидродинамические генераторы
МГД машины, как и всякие электрические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рисунке 1, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое возбуждение. Генерируемый ток снимается с электродов.
На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и тому подобного. Электродвижущая сила на электродах при этом пропорциональна скорости движения или расходу жидкости.
МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных электрических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного на рисунке 1, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/с проводящую плазму. Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных металлов.
Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000 – 4000 °С относительно мала (удельное сопротивление около 1 Ом × см = 0,01 Ом × м = 104 Ом × мм² / м, то есть примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генераторах (порядка 1 млн. кВт) возможно получение приемлемых технико-экономических показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллическим рабочим телом.
При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого напряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в переменный ток.
53. Униполярные машины. Первыйлярный генератор изобрел Майкл Фарадей. Суть эффекта, открытого Фарадеем, заключается в том, что при вращении диска в поперечном магнитном поле, на электроны в диске действует сила Лоренца, которая смещает их к центру или к периферии, в зависимости от направления поля и вращения. Благодаря этому, возникает электродвижущая сила, и через токосъемные щетки, касающиеся оси и периферии диска, можно снимать значительный ток и мощность, хотя напряжение небольшое (обычно, доли Вольта). Позднее, было обнаружено, что относительное вращение диска и магнита не является необходимым условием. Два магнита и токопроводящий диск между ними, вращающиеся вместе, также показывают наличие эффекта униполярной индукции. Магнит, сделанный из электропроводящего материала, при вращении, также может работать, в качестве униполярного генератора: он сам является и диском с которого щетками снимаются электроны, и он же является источником магнитного поля. В связи с этим, принципы униполярной индукции развиваются в рамках концепции движения свободных заряженных частиц относительно магнитного поля, а не относительно магнитов. Магнитное поле, в таком случае, считается неподвижным.
Споры о таких машинах шли долго. Понять, что поле есть свойство «пустого» пространства, физики, отрицающие существование эфира, не могли. Это правильно, поскольку «пространство не пустое», в нем есть эфир, и именно он обеспечивает среду существования магнитного поля, относительно которого вращаются и магниты, и диск. Магнитное поле можно понимать, как замкнутый поток эфира. Поэтому, относительное вращение диска и магнита не является обязательным условием.
В работах Тесла, как мы уже отмечали, были сделаны усовершенствования схемы (увеличен размер магнитов, а диск сегментирован), что позволяет создавать самовращающиеся униполярные машины Тесла.
В рассматриваемых двигателях обмотка возбуждения выполняется с малым числом витков, но рассчитана на большие токи. Все особенности этих двигателей связаны с тем, что обмотка возбуждения включается (см. рис. 5.2,в) последовательно с обмоткой якоря, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый поток Ф пропорционален току якоря:
где а =/(/ я) - нелинейный коэффициент (рис. 5.12).
Нелинейность а связана с формой кривой намагничивания двигателя и размагничивающим действием реакции якоря. Эти факторы проявляются при / я > , / ян (/ ян - номинальный ток якоря). При меньших токах а можно считать величиной постоянной, а при / я > 2/ я н двигатель насыщается и поток мало зависит от тока якоря.
Рис. 5.12.
Основные уравнения двигателя последовательного возбуждения в отличие от уравнений двигателей независимого возбуждения нелинейны, что связано, в первую очередь, с произведением переменных:
При изменении тока в якорной цепи изменяется магнитный поток Ф, наводя в массивных частях магнитопровода машины вихревые токи. Влияние вихревых токов может быть учтено в модели двигателя в виде эквивалентного короткозамкнутого контура, описываемого уравнением
а уравнение для цепи якоря имеет вид:
где w B , w B т - число витков обмотки возбуждения и эквивалентное число витков вихревых токов.
В установившемся режиме
Из (5.22) и (5.26) получим выражения для механической и электромеханической характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения:
В первом приближении механическую характеристику двигателя последовательного возбуждения, без учета насыщения магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересекающей ось ординат. Если положить Л я ц = /? я + /? в = 0, то характеристика не будет пересекать и ось абсцисс. Такую характеристику называют идеальной. Реальная естественная характеристика двигателя пересекает ось абсцисс и вследствие насыщения магнитопровода при моментах больше М н спрямляется (рис. 5.13).
Рис. 5.13.
Характерной особенностью характеристик двигателя последовательного возбуждения является отсутствие точки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость возрастает, что может привести к неконтролируемому разгону двигателя. Оставлять такой двигатель без нагрузки нельзя.
Важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является большая перегрузочная способность на низких скоростях. При перегрузке по току в 2-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0...3,5М н. Это обстоятельство определило широкое использование двигателей последовательного возбуждения в качестве привода электрических транспортных средств, для которых максимальные моменты необходимы при трогании с места.
Изменение направления вращения двигателей последовательного возбуждения не может быть достигнуто изменением полярности питания цепи якоря. В двигателях последовательного возбуждения при реверсировании нужно изменять направление тока в одной части якорной цепи: либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения (рис. 5.14).
Рис. 5.14.
Искусственные механические характеристики для регулирования скорости и момента могут быть получены тремя способами:
- введением добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя;
- изменением питающего двигатель напряжения;
- шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлением. При введении добавочного сопротивления в цепь якоря жесткость механических характеристик уменьшается и уменьшается пусковой момент. Этот способ используют при пуске двигателей последовательного возбуждения, получающих питание от источников с нерегулируемым напряжением (от контактных проводов и др.) В этом случае (рис. 5.15) необходимое значение пускового момента достигается последовательным закорачиванием секций пускового резистора посредством контакторов К1-КЗ.
Рис. 5.15. Реостатные механические характеристики двигателя последовательного возбуждения: /? 1до -R iao -сопротивления ступеней добавочного резистора в цепи якоря
Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение питающего напряжения. Механические характеристики двигателя смещаются вниз параллельно естественной характеристике (рис. 5.16). По форме эти характеристики подобны реостатным механическим характеристикам (см. рис. 5.15), однако, существует принципиальная разница - при регулировании изменением напряжения отсутствуют потери в добавочных резисторах и регулирование производится плавно.
Рис. 5.1
Двигатели последовательного возбуждения при использовании в качестве привода мобильных агрегатов во многих случаях получают питание от контактной сети или других источников питания с постоянным значением напряжения, подаваемого на двигатель, в этом случае регулирование производится посредством широтно-импульсного регулятора напряжения (см. § 3.4). Такая схема показана на рис. 5.17.
Рис. 5.17.
Независимое регулирование потока возбуждения двигателя последовательного возбуждения возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлением (рис. 5.18,а). В этом случае ток возбуждения в = я + / ш, т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от нагрузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения. Механические характеристики (рис. 5.18,6) приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат, что позволяет получить устойчивую пониженную скорость при малых нагрузках на валу двигателя. Существенный недостаток схемы - это большие потери энергии в шунтирующем сопротивлении.
Рис. 5.18.
Для двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением характерны два тормозных режима: динамического торможения и противовключения.
Режим динамического торможения возможен в двух случаях. В первом - якорная обмотка замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети или другого источника через добавочное сопротивление. Характеристики двигателя в этом случае подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения, (см. рис. 5.9).
Во втором случае, схема которого показана на рис. 5.19, двигатель при отключении контактов КМ и замыкании контактов КВ работает как генератор с самовозбуждением. При переходе из двигательного режима в тормозной необходимо сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избежание размагничивания машины, так как при этом машина переходит в режим самовозбуждения. Механические характеристики такого режима представлены на рис. 5.20. Существует граничная скорость со ф, ниже которой самовозбуждение машины не происходит.
Рис.5.19.
Рис. 5.20.
В режиме противовключения в цепь якоря включают добавочное сопротивление. На рис. 5.21 приведены механические характеристики двигателя для двух вариантов противовключения. Характеристика 1 получается, если при работе двигателя в направлении «вперед» В (точка с) изменить направление тока в обмотке возбуждения и ввести в цепь якоря добавочное сопротивление. Двигатель переходит в режим противовключения (точка а) с тормозным моментом М торм.
Рис.5.21.
Если привод работает в режиме спуска груза, когда задача привода подтормаживать механизм подъема при работе в направлении «назад» Н, то двигатель включают в направлении «вперед» В, но с большим добавочным сопротивлением в цепи якоря. Работе привода соответствует точка b на механической характеристике 2. Работа в режиме противовключения сопряжена с большими потерями энергии.
Динамические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения описывает система уравнений, вытекающих из (5.22), (5.23), (5.25) при переходе к операторной форме записи:
В структурной схеме (рис. 5.22) коэффициент а = Д/ я) отражает кривую насыщения машины (см. рис. 5.12). Влиянием вихревых токов пренебрегаем.
Рис. 5.22.
Определить передаточные функции двигателя последовательного возбуждения аналитическим путем достаточно сложно, поэтому анализ переходных процессов производят методом компьютерного моделирования на основе схемы, приведенной на рис. 5.22.
Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения: независимую и последовательную. Вследствие этого их статические и динамические характеристики сочетают характерные свойства двух рассматриваемых ранее видов двигателей постоянного тока. К какому из видов больше принадлежит тот или иной двигатель смешанного возбуждения зависит от соотношения намагничивающих сил, создаваемых каждой из обмоток: в/ п.в = в / п.в я> где в’ п. в - число витков обмотки независимого и последовательного возбуждения.
Исходные уравнения двигателя смешанного возбуждения:
где / в, R B , w b - ток, сопротивление и число витков обмотки независимого возбуждения; L m - взаимная индуктивность обмоток возбуждения.
Уравнения установившегося режима:
Откуда уравнение электромеханической характеристики можно записать в виде:
В большинстве случаев обмотка последовательного возбуждения выполняется на 30...40% МД С, тогда скорость идеального холостого хода превышает номинальную скорость двигателя примерно в 1,5 раза.
