Электрические машины постоянного тока. Лекция №12 (6.6- 6.7)

1. Лекция №12

27.04.21

2. 6. Электрические машины постоянного тока

6.6. Основные характеристики ГПТ
6.7. Принцип действия двигателя постоянного тока

3. §6.6. Основные характеристики ГПТ

К основным характеристикам ГПТ относят:
характеристику холостого хода E(Iв) – одинакова для
генераторов разных типов возбуждения;
внешнюю характеристику Uн(Iн) – ее вид зависит от
способа возбуждения ГПТ;
регулировочную характеристику Iв(Iн) – зависит от
типа возбуждения генератора.

4. §6.6.1. Характеристика холостого хода

Это зависимость ЭДС якоря от
тока возбуждения генератора
E(Iв) в режиме холостого хода,
то есть когда нет нагрузки.
Φ
E cE Fn
При постоянной скорости
вращения (n = const) якоря
генератора величина ЭДС
определяется
величиной
магнитного потока F. (E ~ F)
Зависимость
величины
магнитного потока от тока
возбуждения
является
магнитной характеристикой
машины F(Iв).
Фост
0
Iв

5. §6.6.1. Характеристика холостого хода

Это узкая петля гистерезиса,
так как магнитная цепь
машины
изготовлена
из
электротехнической стали.
Обычно эту зависимость
представляют в виде кривой
намагничивания.
Вначале магнитный поток
возрастает пропорционально
росту тока возбуждения, но
затем
рост
магнитного
потока
замедляется
и
прекращается,
так
как
наступает
магнитное
насыщение.
F
Fост
0
Iв

6. §6.6.1. Характеристика холостого хода

Магнитная цепь машины
рассчитана так, что ее
состояние при номинальном
токе
возбуждения
соответствует
точке
на
середине колена кривой.
Зависимость ЭДС от тока
возбуждения E(Iв) по виду
повторяет
магнитную
характеристику машины.
F
Fном
Fост
0
IВном
Iв

7. §6.6.1. Характеристика холостого хода

В
отсутствие
тока
возбуждения
в
обмотках
якоря наводится небольшая
ЭДС (1-3% от Eном) за счет
остаточной намагниченности
магнитной системы машины
Eост.
Это
обеспечивает
самовозбуждение
генераторов.
E
Eном
Eост
0
IВном
Iв

8. Процесс самовозбуждения ГПТ

Рассмотрим на примере ГПТ с параллельным
возбуждением.
Остаточный магнитный поток Фост наведет в обмотке
якоря слабую остаточную ЭДС Eост.
Она достаточна для того, чтобы вызвать в цепи
обмотки возбуждения, подключенной к якорю,
начальный ток возбуждения IВнач.
Начальный ток IВнач увеличивает магнитный поток Ф,
а вместе с ним увеличивается и ЭДС якорной обмотки
E.
Поэтому
ток
возбуждения
продолжает
увеличиваться, магнитный поток и ЭДС снова
возрастают.

9. Процесс самовозбуждения ГПТ

F ост Eост IВНАЧ F E IВ F ...
Процесс самовозбуждения заканчивается, когда
падение напряжения в обмотке возбуждения Uв
становится равным ЭДС якоря.
Uв = Iв∙Rв
E
E(Iв)
Eном
Uв(Iв)
Eост
0
IВном
Iв

10. Условия самовозбуждения ГПТ

1) Наличие хотя бы очень слабого магнитного поля. В этом случае
при приведении якоря машины во вращение остаточный
магнитный поток наведет в обмотке якоря слабую остаточную
ЭДС.
2) Совпадение по направлению возбуждаемого и остаточного
магнитных потоков. Если напряжения на зажимах вращающегося
якоря не возникает, то необходимо изменить направления
вращения машины или пересоединить концы обмотки
возбуждения.
3) Величина сопротивления цепи возбуждения ГПТ должна быть
меньше критической Rкр. Если условие не выполняется, то
напряжение на зажимах генератора неустойчиво и практически
не превышает остаточную ЭДС.

11. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Внешней характеристикой называют зависимость
напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки
Uн(Iн).
Внешнюю характеристику снимают при неизменной
частоте вращения якоря. n = const.
Вид характеристики зависит от способа возбуждения.

12. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Независимое возбуждение
Реостат в цепи возбуждения
обычно включают по схеме
потенциометра, чтобы изменять
величину и направление тока
возбуждения.
Характеристику снимают при
постоянном токе возбуждения.
I В I Вном const
E E ном const
Вид
характеристики
описывается
уравнением
электрического состояния.
U E I Я RЯ
I Я IН U E IН RЯ

13. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

U E IН RЯ
Независимое возбуждение
Напряжение
на
зажимах
генератора снижается с ростом
тока нагрузки.
Относительное
снижение
напряжения:
U
U хх Uном )
U
100%
Uном
E
Iв Iв ном const
U ном
0
I ном
Iн

14. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Независимое возбуждение
U
U хх Uном ) 100%
Uном
Изменение напряжения от режима
холостого хода до номинального
режима:
U (6 12)%
U
E
Iв Iв ном const
U ном
Iкз Iном
0
I ном
Iн

15. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Iкз Iном
Независимое возбуждение
Ток нагрузки при коротком замыкании
во внешней цепи определяется:
E
Iкз
RЯ
U
Такой ток опасен для работы машины.
E
Iв Iв ном const
U ном
0
I ном
Iн

16. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Независимое возбуждение
U E IН RЯ
При уменьшении тока возбуждения
I'в Iв ном E ' Eном
U
I''в I'в E '' E '
E
Iв Iв ном const
U ном
I'в Iв ном
I ''в I 'в
0
I ном
Iн

17. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Параллельное возбуждение
Характеристику снимают при
постоянном сопротивлении
возбуждения Rв и частоте
вращения якоря n.
Обмотка
возбуждения
подключена к зажимам якоря
генератора.
U I В RВ
Напряжение
питания ОВ
U
IВ
RВ
Уравнение
состояния:
электрического
U E I Я RЯ

18. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Параллельное возбуждение
U E I Я RЯ
С увеличением тока нагрузки
уменьшается напряжение на
зажимах генератора, ток
возбуждения и магнитный
поток.
ЭДС
уменьшается,
что
приводит к дальнейшему
снижению напряжения.

19. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Параллельное возбуждение
U
Снижение напряжения от режима
холостого хода до номинального
режима
U (15 20)%
E
ГПТ с НВ
U ном
ГПТ с ПВ
0
I ном
Iн
Rн Iн U н Iв F E U н

20. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Параллельное возбуждение
U
Iкр 1,5 2,5)Iном
При размагничивании ток нагрузки
начинает снижаться
E
ГПТ с НВ
U ном
ГПТ с ПВ
0
I ном
Iкр
Iн
При значительном увеличении тока нагрузки
(до критического значения) начинается
размагничивание генератора

21. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Параллельное возбуждение Ток короткого замыкания небольшой,
U
но при резком переходе к режиму кз он
может
в
отдельные
моменты
превышать допустимый ток.
E
ГПТ с НВ
U ном
ГПТ с ПВ
0
Iкз
Iн
При коротком замыкании генератор будет
практически размагничен. Ток короткого
замыкания определяется Eост.

22. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Последовательное возбуждение
Такие генераторы имеют внешнюю характеристику, схожую с
характеристикой холостого хода. Из-за непостоянства выходного
напряжения не получили распространения.

23. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Смешанное возбуждение
При согласном включении обмоток можно
добиться малого изменения напряжения
на
зажимах
генератора
подбором
параметров обмоток возбуждения.
U
согласное включение
E
0
Iн
Увеличение
ЭДС,
создаваемой
последовательной обмоткой возбуждения,
будет компенсировать уменьшение ЭДС за
счет параллельной обмотки возбуждения.

24. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Rн Iн Uн Iв.пар Fпар
Смешанное возбуждение
Fпосл ' E Uн
U
F0 const , Uн const
согласное включение
E
0
Iн

25. §6.6.2. Внешние характеристики ГПТ

Смешанное возбуждение
При встречном включении обмоток
напряжение на зажимах генератора резко
снижается с ростом тока нагрузки.
U
согласное включение
E
встречное включение
0
I ном
Iн
Rн Iн Uн Iв.пар Fпар
Fпосл ' F0 E Uн

26. §6.6.3. Регулировочные характеристики ГПТ

Это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки
Iв(Iн) при постоянном напряжении на зажимах
генератора (U = const).
Постоянство напряжения с ростом тока нагрузки
поддерживают увеличением ЭДС, а значит, тока
возбуждения.
ГПТ с ПВ
Iв
ГПТ с НВ
смешанное согл.
включение
IВном
0
IНном
Iн

27. §6.7. Принцип действия двигателя постоянного тока

Постоянное во времени
электрическое
напряжение U подводится с
помощью
щеток
к
обмоткам якоря.
Обмотка
возбуждения
также подключается к
источнику постоянного
напряжения, и по ней
начинает
протекать
постоянный ток Iв. Этот
ток создает в машине
постоянное неподвижное
магнитное
поле
B,
пересекающее
проводники обмотки якоря.
N
U
S
В пространстве между полюсами поле
направлено от северного полюса к южному

28. §6.7. Принцип действия двигателя постоянного тока

При подключении к источнику
U в обмотках якоря возникнет
постоянный ток якоря Iя.
Проводники с током находятся
в магнитном поле, значит, по
закону Ампера, на них будут
действовать
электромагнитные силы.
Электромагнитные
силы
создают в якоре вращающий
электромагнитный момент.
Под действием этого момента
якорь начинает вращаться.
В установившемся режиме
скорость
вращения
якоря
постоянна, а значит:
вращающий
электромагнитный
момент двигателя
MЭМ MН
N
i
Fэм
W
U
S
противодействующий
механический
момент нагрузки

29. §6.7. Принцип действия двигателя постоянного тока

Во
вращающихся
проводниках
якоря,
находящихся в магнитном
поле, будет возникать ЭДС
по
закону
электромагнитной
индукции.
Она
противоположна
направлению
тока
в
проводниках, поэтому ее
еще называют противоЭДС.
Эта ЭДС изменяется по
синусоидальному закону.
N
e
W
U
S

30. Схема замещения обмотки якоря ДПТ

U
Iя
E
Rя
Уравнение электрического состояния цепи якоря по
второму закону Кирхгофа:
U E I Я RЯ

31. §6.7. Принцип действия ДПТ

Уравнение электрического состояния цепи якоря:
U E I Я RЯ
Уравнение баланса мощностей в цепи якоря:
2
UI Я EI Я I Я R Я
PЭЛ PЭМ PЭЛЯ
Затраченная электрическая мощность PЭЛ, преобразуется в
двигателе в мощность электромагнитную PЭМ, которая
меньше затраченной мощности на величину мощности
электрических потерь в обмотке якоря PЭЛ (на нагрев).
Электромагнитная мощность близка по величине к
полезной механической мощности PМЕХ.

32. §6.7. Принцип действия ДПТ

Электромагнитный момент двигателя:
PЭМ
PЭМ
PЭМ
MЭМ
9,55
W 2 n 60
n
В номинальном режиме работы – при подключении
номинальной нагрузки:
Pном
Mном 9,55
nном
Нагрузкой двигателя является механическое устройство
(характеризуется механическим моментом) Mнагр.
Величина механического момента нагрузки определяет
величину электромагнитного момента.
В установившемся режиме (скорость вращения якоря
n=const):
Mэм Mнагр

33. §6.7. Принцип действия ДПТ

ДПТ имеют те же типы возбуждения, что и ГПТ –
независимое, параллельное, последовательное и
смешанное.
Конструктивно ДПТ исполнены так же, как и ГПТ, это
следует
из
свойства
обратимости
машины
постоянного тока.
Основные свойства ДПТ:
саморегулирование;
процесс пуска и реверса (изменения направления
вращения);
регулирование частоты вращения якоря.