Описание промышленных двигателей

двигатель промышленный ток Двигатели постоянного тока (далее ДПТ) находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

Электромагнитное возбуждение обеспечивается одной или несколькими обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения относительно обмотки якоря различают независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение.

С независимым возбуждением от отдельного источника тока обычно выполняются мощные двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования тока возбуждения. [1]

1. Устройство ДПТ и принцип действия

двигатель постоянный параллельный смешанный

Конструктивное выполнение машин постоянного тока достаточно разнообразно, но все они включают в себя следующие основные узлы:

1. Статор (неподвижная часть).

2. Ротор (якорь, подвижная часть).

3. Подшипниковые щиты.

4. Вентилятор.

5. Щеткодержатель (траверс).

Рис. 2

При протекании тока Iв по катушкам обмоток возбуждения 1, расположенным на главных полюсах 2 (рис.2), создается магнитный поток возбуждения в магнитной цепи двигателя. Если подключить цепь якоря к источнику постоянного тока, то на проводники якоря 3 с током Ia, находящиеся в основном магнитном поле, будут действовать электромагнитные силы F (силы Ампера) и электромагнитный момент М, под действием которого якорь может вращаться, преодолевая момент сопротивления рабочего механизма. Направление действия электромагнитных сил можно определить, например, по правилу левой руки. Чтобы момент сил проводников якоря имел неизменное направление в процессе вращения, необходимо изменять направление тока в этих проводниках после перехода их через линию геометрической нейтрали ГН, на которой индукция поля возбуждения равна нулю. Это достигается с помощью неподвижных щёток 4 и закрепленных на роторе сегментов (пластин) коллектора 5, соединённых с проводниками якоря.

Для увеличения момента и уменьшения его пульсации на роторе устраивают достаточно много контуров (обмотку якоря), присоединенных к коллекторным пластинам. При вращении якоря в проводниках его обмотки наводится ЭДС. Она направлена навстречу току якоря.

Таким образом, в двигателе постоянного тока энергия источника постоянного тока, подводимая к якорной цепи, преобразуется в механическую энергию на валу (отдаваемую рабочему механизму) и частично в потери (в сопротивлениях цепи, на трение, в стали сердечника якоря и др.).

Чтобы уменьшить искрение на коллекторе под щётками, в двигателе устраивают дополнительные полюсы 6 с обмоткой 7, по которой пропускают якорный ток.

Для изменения направления вращения (реверса) якоря необходимо изменить направление движущего электромагнитного момента и, следовательно, электромагнитных сил. Это достигается изменением направления токов якоря или возбуждения.

Чтобы обеспечить достаточно сильное магнитное поле, устраивают магнитопровод, по которому и проходит основной поток.

Рассмотрим некоторые общие положения для ДПТ.

Первичная мощность является электрической и потребляется из питающей сети. За счет этой мощности покрываются потери на возбуждения и электрические потери в цепи якоря. Оставшаяся часть составляет электромагнитную мощность якоря, которая превращается в механическую мощность. Потери магнитные, добавочные и механические покрываются за счет механической мощности, а остальная её часть представляет собой полезную механическую мощность на валу. [2]

Электромагнитный момент двигателя, который является движущим и действует в сторону вращения, расходуется на уравновешивание тормозящих моментов:

1) Момента М0, соответствующего магнитным, механическим и добавочным потерям;

2) Мв — момента нагрузки на валу, создаваемого рабочей машиной или механизмом;

3) Мдин — динамического момента.

В двигателях направление ЭДС якоря Еа противоположно направлению тока якоря, и поэтому Еа называется также противоэлектродвижущей силой якоря. Уравнение напряжения для цепи якоря двигателя можно записать следующим образом:

U = Ea+RaIa (Ra — полное сопротивление цепи якоря).

В режиме двигателя всегда U > Ea. [1]

Характеристики двигателей. Свойства всех двигателей (в том числе и ДПТ) определяются по совокупности следующих видов их характеристик: а) пусковых, б) рабочих и механических, в) тормозных, г) регулировочных.

Пусковые характеристики определяют собой пусковую операцию от момента пуска двигателя в ход до момента перехода к установившемуся режиму работы. К ним относятся: пусковой ток, пусковой момент, время пуска, экономичность операции, определяемая количеством затраченной при пуске энергии, стоимость и надежность пусковой аппаратуры.

Регулировочные характеристики определяют собой свойства двигателей при регулировании скорости их вращения. К ним относятся: пределы регулирования, экономичность регулирования с точки зрения первоначальных затрат на оборудование и последующих эксплуатационных расходов, характер регулирования — плавный или ступенчатый, простота регулировочной аппаратуры и операций по регулированию скорости.

Двигатели постоянного тока обладают многообразными и гибкими регулировочными характеристиками и именно поэтому являются незаменимыми в установках с широко регулируемой скоростью. [2]

Пуск двигателей постоянного тока

При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащий пусковой момент и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя. [1]

Применяются следующие способы пуска [2]:

1) Прямое включение двигателя в сеть (безреостатный пуск);

2) Пуск двигателя посредством реостата, включенного в цепь якоря (реостатный);

3) Пуск двигателя с помощью специального пускового агрегата.

По сравнению с другими способами безреостатный пуск двигателя имеет преимущество, заключающееся в наибольшей простоте пусковой аппаратуры и пусковой операции. Но в первый период пусковой операции возникает значительный бросок тока. При этом: а) на коллекторе может возникнуть более или менее сильное искрение (или даже круговой огонь); б) осложняется работа защитной и измерительной аппаратуры в цепи якоря; в) сеть, питающая двигатель, должна быть соответственно рассчитана (т. к. в противном случае в ней происходит значительное падение напряжения); г) на валу двигателя возникает большой динамический момент, на который должен быть рассчитан передаточный механизм к рабочей машине, в противном случае последний может потерпеть аварию. Поэтому прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых Ra — полное сопротивление цепи якоря — относительно велико и поэтому при пуске Ia? (4?6) Iн, а процесс пуска длится не более 1 — 2 с.

Самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений. Пусковой реостат включается в цепь якоря двигателя для того, чтобы уменьшить бросок тока при пуске. Rп — сопротивление пускового реостата — подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было Ia = (1,4? 1,7) Iн [в малых машинах до (2,0? 2,5) Iн]. В зависимости от назначения и условий работы пусковые реостаты выполняются из различных материалов и имеют различное конструктивное оформление. Для пуска двигателей постоянного тока применяются практически только металлические реостаты — с воздушным и масляным охлаждением, двухи трехзажимные, простые и комбинированные, с ручным и автоматическим или полуавтоматическим управлением и т. д.

В установках большой мощности пусковой реостат становится громоздким и вызывает значительные потери энергии, особенно при частом пуске. Поэтому в ряде установок прибегают к способам безреостатного пуска путем изменения подводимого к двигателю напряжения. К таким способам относятся пуск с помощью вольтодобавочной машины и пуск по схеме генератор-двигатель. Сюда же относятся пуск двигателей, работающих от аккумуляторной батареи, путем деления ее напряжения на несколько частей, а также пуск посредством последовательного соединения двух или нескольких двигателей (например, в тяговых установках).

2. Двигатели параллельного возбуждения (Д//В) Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения Iв не зависит от нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения rрг служит для регулирования тока возбуждения Iв, а следовательно, магнитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, которые снимают при U=const и Iв=const.

1) Скоростная характеристика

Это зависимость частоты вращения от тока нагрузки n=f (Iа). Чтобы понять, как будет меняться частота вращения ДПТ параллельного возбуждения при увеличении на него нагрузки, обратимся к формуле частоты вращения:

из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора:

1. При увеличении тока нагрузки Iа падение напряжения увеличивается, соответственно чему скорость двигателя уменьшается;

2. Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Iа поток Ф несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n будет стремиться возрасти.

Рис. 3

Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики: 1) при преобладании влияния IаRa; 2) при взаимной компенсации влияния IаRa и уменьшения Ф; 3) при преобладании влияния уменьшения Ф.

Обычно ослабление потока Ф невелико и увеличение IаRa влияет на частоту вращения сильнее. В итоге, при увеличении нагрузки частота вращения уменьшается.

Характеристики вида 3 неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому Д//В изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1.

Изменение скорости вращения Дn при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2−8% от nн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Д//В с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

2) Рабочие характеристики

Представляют собой зависимости потребляемой мощности Р1, потребляемого тока I, скорости n, момента М и КПД з от полезной мощности Р2 при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики ДПВ малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рисунке 4.

Рис. 4

Одновременно с увеличением мощности на валу Р2 растет и момент на валу М. поскольку с увеличением Р2 и М скорость n несколько уменьшается, то M~P2/n растет несколько быстрее Р2. Увеличение мощности и момента, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность Р1. При холостом ходе з = 0, затем с увеличением Р2 сначала з быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря з снова начинает уменьшаться.

Способы регулирования скорости:

1) Посредством ослабления магнитного потока: производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения;

2) Сопротивлением в цепи якоря

3) Посредством изменения напряжения якоря: может осуществляться с помощью агрегата «генератор — двигатель».

Двигатели последовательного возбуждения (ДПВ) В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря, поэтому магнитный поток Ф зависит от тока нагрузки

I=Iа=Iв.

При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е.

Ф=kфIа, где kфкоэффициент пропорциональности. При этом электромагнитный момент:

М=СмkфIа2.

Формула частоты вращения принимает вид:

Таким образом, вращающий момент двигателя при ненасыщенной магнитной системе пропорционален квадрату тока, а частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки.

Скоростная характеристика двигателя, представленная на рис. 5, является мягкой и имеет гиперболический характер. При kф = const вид кривой n = f (I) показан штриховой линией.

Рис. 5

При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается. Обычно минимально допустимая нагрузка Р2 = (0,2?0,25) Рн.

Поскольку у двигателей параллельного возбуждения М ~ I, а у ДПВ приблизительно M ~ I2 и при пуске допускается I = (1,5?2,0) Iн, то ДПВ развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n? const, а у ДПВ приблизительно (при Ra = 0) n ~ U/I ~ U/vM.

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения Р2 = ЩM = 2рnM ~ M, а у ДПВ Р2 = 2рnM ~ vM.

Таким образом, у ДПВ при изменении момента нагрузки Мст = М в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.

Поэтому для ДПВ 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 (трамвай, метро, троллейбусы и т. д.) и в подъемно-транспортных установках.

Способы регулирования скорости:

1) Посредством ослабления поля: производится либо путем шунтирования ОВ некоторым сопротивлением, либо уменьшением числа включенных в работу витков ОВ;

2) Путем шунтирования якоря: ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Шунтирование якоря эффективно только тогда, когда магнитная цепь не насыщена;

3) Включением сопротивления в цепь якоря: этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения, но одновременно при этом значительно уменьшается КПД, и этот способ регулирования находит ограниченное применение;

4) Изменением напряжения: можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранением высокого КПД. Способ широко применяется в транспортных установках.

3. Двигатели смешанного возбуждения (ДСВ) При встречном включении последовательной обмотки возбуждения ДСВ поток Ф с увеличением нагрузки будет уменьшаться. Вследствие этого характеристики n = f (I) и n = f (M) будут иметь характер кривой 3 на рис. 6.

Рис. 6

Т. к. работа при этом обычно неустойчива, то двигатели с встречным включением последовательной обмотки возбуждения не применяются.

При согласном включении последовательной ОВ поток Ф с увеличением нагрузки возрастает. Поэтому такой ДСВ имеет более мягкую механическую характеристику по сравнению с Д//В, но более жесткую по сравнению с ДПВ.

Скорость вращения ДСВ обычно регулируется так же, как и в двигателях параллельного возбуждения, но можно и использовать те же способы, что и в ДПВ.

ДСВ применяются в условиях, когда требуется большой пусковой момент, быстрое ускорение при пуске и допустимы значительные изменения скорости вращения при изменении нагрузки. Эти двигатели используют также в случаях, когда момент нагрузки изменяется в широких пределах, так как при этом мощность двигателя снижается, как и у ДПВ. В связи с этим ДСВ применяются для привода на постоянном токе компрессоров, строгальных станков, печатных машин, прокатных станов, подъемников и т. д. В последнее время ДСВ используются также для электрической тяги, т.к. при этом легче осуществляется торможение подвижных составов с возвращением энергии в контактную сеть постоянного тока путем перевода машины в генераторный режим работы.

1. Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978. — 832 с., ил.

2. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 1 — Машины постоянного тока. Трансформаторы. — Л.: Энергия, 1972. — 544 с., ил.

3. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. — М.: Энергия, 1980. — 928 с., ил.

4. Интернет-ресурсы: http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/3708/Машины%20постоянного%20тока.rar/Двигатель%20последовательного%20возбуждения.pdf

5. Интернет-ресурсы: http://nashaucheba.ru/v30408/

6. Интернет-ресурсы: http://any-book.org/download/42 142.html#_Toc134528921.