Mașini electrice de curent continuu
Dispozitivul mașinii electrice de curent continuu
Mașina electrică DC este alcătuită din două părți principale: o parte fixă (inductor) și o componentă rotativă (o armătură cu o înfășurare a tamburului).
În Fig. 1 este o diagramă schematică a unei mașini de curent continuu
Inductorul constă dintr-un pat 1 de formă cilindrică realizat dintr-un material feromagnetic și poli cu un înfășurare de excitație 2 fixat pe cadru. Bobina excitației creează fluxul magnetic principal.
Fluxul magnetic poate fi creat de magneți permanenți, fixați pe cadru.
Ancora constă din următoarele elemente: miezul 3, înfășurarea 4, așezată în canelurile miezului, colectorul 5.
Fig. 1
Miezul de ancorare pentru a reduce pierderile pe punctele de vârtej este obținut din tablă de oțel electric izolată.
Principiul funcționării unei mașini de curent continuu
Să luăm în considerare funcționarea unei mașini de curent continuu în modul generator în modelul din figura 2,
unde 1 - poli de inductor, 2 - armatura, 3 - conductoare, 4 - perii de contact.
Conductoarele înfășurării de ancorare sunt situate pe suprafața armăturii. Suprafețele exterioare ale conductorilor sunt curățate de izolație, iar pe aceste suprafețe de conductoare sunt aplicate perii de contact fixe.
Pensulele de contact sunt plasate pe linia neutrului geometric tras între poli.
Să ancorăm mașina în rotație în direcția indicată de săgeată.
Fig. 2
Definiți direcția EMF, indusă în conductoarele înfășurării armăturii, conform regulii mâinii drepte.
În figura 2, emblema încrucișată desemnează EMF direcționate de la noi, puncte - EMF, direcționate către noi. Conectăm conductorii unul cu celălalt astfel încât EMF-ul să fie îndoit. În acest scop, capătul conductorului situat în zona unui pol cu capătul conductorului situat în zona polului de polaritate opusă este conectat în serie (Figura 3)
Două conductori conectați în serie formează o bobină sau o bobină. Conductoarele EMF situate în zona unui pol sunt diferite în magnitudine. Cel mai mare EMF este indus într-un conductor situat sub polul central, un EMF egal cu zero, într-un conductor situat pe linia neutrului geometric.
Fig. 3
Dacă conectați toate conductorii înfășurării conform unei anumite reguli în ordine, rezultatul emf al înfășurării armăturii este zero, nu există curent în bobină. Pensulele de contact împart înfășurarea ancorei în două ramuri paralele. În ramura paralelă superioară, EMF este indusă într-o direcție, în ramura paralelă inferioară - în direcția opusă. EMF, îndepărtat prin perii de contact, este egal cu suma forțelor electromotoare ale conductorilor situate între perii.
În Fig. 4 prezintă circuitul pentru înlocuirea înfășurării ancorei.
În ramificații paralele, aceleași emf-uri acționează opuse una față de cealaltă. La conectarea la armătura rezistenței în ramificații paralele apar aceleași curenți. curentul IH curge prin rezistența RH.
Fig. 4
Emful înfășurării armăturii este proporțional cu frecvența de rotație a armăturii n2 și cu fluxul magnetic al inductorului Φ
unde Ce este o constantă.
În mașinile electrice reale de curent continuu se utilizează un dispozitiv de contact special - colectorul. Colectorul este montat pe un arbore cu un miez de armătură și este alcătuit din plăci de cupru separate ancorate între ele și din arbore. Fiecare dintre plăci este conectată la unul sau mai multe conductori ai înfășurării armăturii. Pe colector sunt aplicate perii de contact fixe. Cu ajutorul periilor de contact, înfășurarea de ancorare rotativă este conectată la o rețea DC sau cu o sarcină.
3. Funcționarea unei mașini electrice de curent continuu
în modul generator
Orice mașină electrică are proprietatea de reversibilitate, adică poate funcționa în modul generator sau motor. Dacă rezistența sarcinii este conectată la clemele armăturii rotite a generatorului, atunci sub influența emfului de înfășurare a armăturii, în circuit apare un curent
unde U este tensiunea la bornele generatorului;
R este rezistența înfășurării armăturii.
Ecuația (2) se numește ecuația de bază a generatorului. Odată cu apariția curentului în conductoarele înfășurării, vor apărea forțe electromagnetice.
În Fig. 5 prezintă schematic generatorul de curent continuu, arată direcția curentului din conductoarele înfășurării armăturii.
Folosind regula stângii, vedem că forțele electromagnetice creează momentul electromagnetic al doamnei. împiedică rotirea armăturii generatorului.
Pentru ca mașina să funcționeze ca un generator, este necesar să se rotească ancora prin motorul primar, depășind momentul electromagnetic de frânare care decurge din regula Lenz.
4. Generatoare cu excitație independentă.
Caracteristicile generatoarelor
Câmpul magnetic al generatorului cu excitație independentă este creat de un curent furnizat de o sursă externă de energie la înfășurarea polilor.
Circuitul generatorului cu excitație independentă este prezentat în Fig. 6.
Se poate crea câmpul magnetic al generatoarelor cu excitație independentă
de la magneți permanenți (figura 7).
Dependența emf a generatorului de curentul de excitație se numește caracteristica de ralanti E = Uxx = f (Ic).
Caracteristica de ralanti este obținută cu un circuit extern deschis (la) și cu o viteză constantă de rotație (n2 = const)
Caracteristica de ralanti a generatorului este prezentata in Fig. 8.
Datorită fluxului magnetic rezidual, EMF a generatorului nu este zero la un curent de excitație de zero.
Când crește curentul de excitație, emf-ul generatorului crește mai întâi proporțional.
Partea corespunzătoare a caracteristicilor de ralanti va fi rectilinie. Dar, cu o creștere suplimentară a curentului de excitație, apare saturația magnetică a mașinii, determinând curba să aibă o îndoire. Cu o creștere ulterioară a curentului de excitație, EMF a generatorului rămâne aproape neschimbată. Dacă curentul de excitație este scăzut, curba de demagnetizare nu coincide cu curba de magnetizare datorată fenomenului histerezis.
Dependența tensiunii de pe bornele externe ale mașinii la valoarea curentului de sarcină
U = f (I) la un curent de excitație Iσ = const se numește caracteristica externă a generatorului.
Caracteristica externă a generatorului este prezentată în Fig. 9.
Cu creșterea curentului de sarcină, tensiunea la bornele generatorului scade datorită creșterii căderii de tensiune în bobina de armare.
5. Generatoare cu auto-excitație.
Principiul auto-excitației generatorului
cu excitație paralelă
Dezavantajul unui generator cu excitație independentă este necesitatea de a avea o sursă de energie separată. Dar, în anumite condiții, înfășurarea excitației poate fi alimentată de curentul armăturii generatorului.
Oscilatoarele auto-excitate au una din cele trei scheme: cu excitație paralelă, consecutivă și mixtă. În Fig. 10 prezintă un generator cu excitație paralelă.
Bobina de excitație este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii. Rheostatul Rb este inclus în circuitul de excitație. Generatorul funcționează în regim de mers în gol.
Pentru ca generatorul să se auto-excita, trebuie îndeplinite anumite condiții.
Prima dintre aceste condiții este prezența unui flux magnetic rezidual între poli. Atunci când armatura se rotește, fluxul magnetic rezidual induce un EMF rezidual mic în bobina de ancorare.
Fig. 10
A doua condiție este includerea consensuală a înfășurării de excitație. Înfășurările de câmp și armături trebuie să fie conectate astfel încât EMF a armăturii să creeze un curent care să mărească fluxul magnetic rezidual. Consolidarea fluxului magnetic va duce la o creștere a CEM. Mașina este auto-excitată și începe să funcționeze stabil cu un anumit curent de excitație Ic = const și EMF E = const, în funcție de rezistența Rb în circuitul de excitație.
A treia condiție este că rezistența circuitului de excitație la o viteză dată trebuie să fie mai mică decât cea critică. În fig. 11 caracteristică a regimului de ralanti al generatorului E = f (Iv) (curba 1) și caracteristica de tensiune curentă a rezistenței circuitului de excitație UB = Rβ · Iв. unde UB este căderea de tensiune în circuitul de excitație. Această caracteristică este o linie dreaptă 2 înclinată la axa absciselor la un unghi # 947; (tg # 947;
Curentul bobinei de excitație mărește fluxul magnetic al polilor cu includerea consecutivă a înfășurării de excitație. Emf-ul indus în armatură crește, ceea ce duce la o creștere suplimentară a curentului de înfășurare pe câmp, a fluxului magnetic și a EMF. Creșterea EMF de la curentul de excitație încetinește atunci când circuitul magnetic al mașinii este saturat.
Fig. 11
Căderea de tensiune în circuitul de excitație este proporțională cu creșterea curentă. La intersecția caracteristicilor de ralanti a mașinii 1 cu linia 2, procesul de auto-excitație se termină. Mașina funcționează într-un mod stabil.
Dacă creștem rezistența circuitului de înfășurare de excitație, unghiul de înclinare a liniei drepte 2 la axa curentă crește. Punctul de intersecție al liniei drepte cu caracteristica de ralanti se mișcă la origine. La o anumită valoare a rezistenței circuitului de excitație, Rcr. când
# 947; = # 947; auto-excitația devine imposibilă. Cu o rezistență critică, caracteristica volt-amperă a circuitului de excitație devine tangentă la partea rectilinie a caracteristicilor de ralanti și un mic EMF apare în armătură.
6. Funcționarea unei mașini electrice de curent continuu
în modul motor. Ecuații de bază
Sub influența tensiunii furnizate armăturii motorului, un curent Ia apare în bobina armăturii. Când curentul interacționează cu câmpul magnetic al inductorului, un cuplu electromagnetic
unde CM este coeficientul care depinde de designul motorului.
În Fig. 12 prezintă schematic motorul DC, este identificat conductorul înfășurării armăturii.
Curentul din conductor este direcționat de la noi. Direcția cuplului electromagnetic este determinată de regula mâinii stângi. Ancora rotește în sens invers acelor de ceasornic. În conductorii de înfășurare a armăturii se face indice de EMF, a cărui direcție este determinată de regula mâinii drepte. Acest EMF este îndreptat împotriva curentului armăturii, se numește anti-EMF.
Fig. 12
În starea de echilibru, cuplul electromagnetic al Mam-ului este contrabalansat de cuplul de frânare M2 de contracarare al mecanismului condus în rotație.
În Fig. 13 prezintă un circuit pentru înlocuirea înfășurării motorului. EMF este îndreptat contra curentului armăturii. În conformitate cu a doua lege a lui Kirchhoff. de unde
Fig.13 Ecuația (3) este numită ecuația de bază a motorului.
Din ecuația (3) este posibil să se obțină formulele:
Fluxul magnetic Φ depinde de curentul de excitație Ic. create în bobina excitației. Din formula (5) se vede că frecvența de rotație a motorului unui curent direct n2 poate fi reglată în următoarele moduri:
- modificarea curentului de excitație cu ajutorul unui reostat în circuitul de înfășurare a excitației;
- schimbarea curentului armaturii cu ajutorul unui reostat în circuitul de înfășurare a armăturii;
- schimbarea tensiunii U la bornele înfășurării armăturii.
Pentru a schimba direcția de rotație a motorului pentru a inversa (inversa motorul), este necesar să schimbați direcția curentă în bobina de armătură sau inductor.
7. Caracteristicile mecanice ale motoarelor electrice
curent continuu
Să considerăm un motor cu excitație paralelă în modul de funcționare la starea de echilibru (figura 14). Bobina de excitație este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii.
Caracteristica mecanică a motorului este dependența vitezei de rotație a armăturii n2 de cuplul de pe arborele M2 la U = const și IB = const.
Ecuația (6) este ecuația caracteristicilor mecanice ale unui motor cu excitație paralelă.
Fig. 14
Această caracteristică este rigidă. Cu sarcina crescândă, viteza de rotație a unui astfel de motor scade într-o măsură mică (Figura 15).
Figura 16 prezintă motorul de excitație serial. Ancorarea înfășurării și înfășurarea excitației sunt conectate în serie.
Curentul de excitație al motorului este simultan un curent de armatură. Fluxul magnetic al inductorului este proporțional cu curentul de armatură.
unde k este coeficientul de proporționalitate.
Cuplul pe arborele motorului este proporțional cu pătratul curentului de armătură.
Caracteristicile mecanice ale motorului de excitație secvențială sunt moi (Figura 17).
Ecuația pentru caracteristicile mecanice ale unui motor de excitație secvențială este după cum urmează:
Cu o sarcină sporită, turația motorului scade brusc.
Pe măsură ce sarcina pe arbore scade, motorul dezvoltă o viteză foarte mare. Ei spun că motorul se înțepenește. Lucrarea motorului de excitație secvențial fără sarcină este inacceptabilă.
Motorul de excitație mixtă are o caracteristică mecanică care este o cruce între caracteristicile mecanice ale motorului paralel și secvențial.
Motoarele cu excitație paralelă sunt utilizate pentru a conduce mașini și diferite mecanisme care necesită o ajustare rapidă, dar rigidă a vitezei.
Motoarele cu excitație secvențială sunt utilizate ca motoare de tracțiune pentru locomotive electrice, tramvaie etc. atunci când rigiditatea, adică jerkurile momentului, sunt inacceptabile.