Как построить механическую характеристику двигателя постоянного тока

Расчет естественной механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по номинальным данным

Методика расчёта включает 6 этапов расчета:

1. Номинальной частоты вращения, 1/с:

2. Номинального момента, Нм:

3. Номинального сопротивления ДПТ, Ом:

4. Сопротивления якоря ДПТ, Ом:

Сопротивление якоря ДПТ часто приводится в его технической характеристике.

5. Коэффициента кФ, В-с:

6. Синхронной частоты вращения вала двигателя, 1/с:

Естественные электромеханическая и механическая характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Схема включения ДПТ с последовательным возбуждением (ДПТ ПВ) представлена на рис. 5.41.

Обмотка возбуждения ОВ данного двигателя включается последовательно с обмоткой якоря, т.е. в этом двигателе ток возбуждения равен току якоря. Магнитный поток Ф зависит

Рис. 5.41. Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Рис. 5.42. Кривая намагничивания ДПТ последовательным возбуждением

от тока возбуждения или тока якоря / в соответствии с кривой намагничивания представленной на рис. 5.42.

Рассмотрим естественные электромеханическую и механическую характеристики ДПТ при представлении кривой намагничивания прямой линией 2, (рис. 5.42). В этом случае магнитный поток машины определяется уравнением

Подставляя (5.58) в уравнение (5.51), получим зависимость для момента двигателя,

Подставляя (5.58) в уравнение (5.54), получим уравнение электромеханической характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Заменяя в уравнении (5.60) ток через момент из (5.59), получим уравнение механической характеристики ДПТ ПВ

изменении тока и момента ДПТ в пределах от нуля до номинальных значений характеристики находятся в первом квадранте со(1),со(М).

Снижение частоты вращения ДПТ до нуля происходит при токах 1_Ю и моментах М_п значительно превышающих их номинальные значения (рис. 5.43).

При представлении кривой намагничивания ломаной линией ОБС, (рис. 5.42), точку перелома характеристики (точка Б) выбирают при токе якоря (возбуждения) 1*_в = 0,95.

В диапазоне изменения токов якоря выше 0,951_Н0М магнитный поток двигателя является постоянным (участок БС, рис. 5.42), Ф = const. Поэтому в этом режиме электромеханическая и механическая характеристики ДПТ последовательного возбуждения строятся по уравнениям (5.54), (5.55) и являются прямыми линиями.

На рис. 5.43 представлены естественные электромеханическая и механическая характеристики ДПТ, которые состоят из двух участков: первый участок I (от 0 до /^построен по уравнениям (5.60) и (5.61); второй участок II (Г > Г_Б) построен по уравнениям (5.54) и (5.55).

Из анализа естественной механической характеристики ДПТ последовательного возбуждения (рис. 5.43,6) следует, что она имеет переменную и достаточно малую жесткость и поэтому её часто называют «мягкой».

Поэтому необходимо в схеме управления ДПТ последовательного возбуждения предусмотреть ограничение максимальной частоты вращения.

Источник

Механическая характеристика двигателя постоянного тока

Особенности конструкции

Двигатели постоянного тока представлены вращающимися нагнетательными элементами, которые размещаются на поверхности статически закрепленной станины. Устройства подобного типа получили широкое применение и эксплуатируются при необходимости обеспечивать разнообразие скоростного регулирования в условиях стабильности вращательных движений привода.

С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:

Как правило, электрические двигатели ПТ оснащаются специальными щетками графитового и медно-графитного типа. Вращательные движения вала провоцируют замыкание и размыкание контактной группы, а также способствуют искрению.

Принцип функционирования

Синхронные устройства обращенного функционала характеризуются сменой выполнения задач статором и ротором. Первый элемент служит для возбуждения магнитного поля, а второй в этом случае преобразует достаточное количество энергии.

Якорное вращение в условиях магнитного поля наводится при помощи ЭДС, а движение направлено в соответствии с правилом правой руки. Поворот на 180 о сопровождается стандартной сменой движения ЭДС.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Коллекторы посредством щеточного механизма соединяются с двумя витковыми сторонами, что провоцирует удаление пульсирующего напряжения и вызывает образование постоянных токовых величин, а снижение якорной пульсации осуществляется добавочными витками.

Механическая характеристика

На сегодняшний день эксплуатируются электромоторы ПТ нескольких категорий, имеющие различные виды возбуждения:

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ

Благодаря особым механическим характеристикам устройства с постоянными токовыми величинами способны легко переносить негативные внешние воздействия, что объясняется закрытым корпусом с уплотнительными элементами, абсолютно исключающими попадание влаги внутрь конструкции.

Модели независимого возбуждения

Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.

Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.

Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:

Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.

Модели последовательного возбуждения

ДПТ с ПТВ представляют собой устройство электрического типа с постоянными токовыми величинами, имеющими обмотку возбуждения, последовательно подключенную к якорной обмотке. Данный тип движков характеризуется справедливостью следующего равенства: током, протекающим в обмотке якоря, равным током обмоточного возбуждения, или I=I_в=I_я.

Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении

При использовании последовательного типа возбуждения:

Смещение механических характеристик вдоль оси ординат позволяет им оставаться в полностью параллельном расположении друг другу, благодаря чему регулирование вращательной частоты при изменении данного напряжения U, подведенного к якорной цепи, становится максимально благоприятным.

Модели смешанного возбуждения

Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.

В условиях смешанного типа возбуждения:

Двигатель смешанного возбуждения

Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.

Уравнение механической характеристики

Наиболее важные механические характеристики ДПТ представлены естественными и искусственными критериями, при этом первый вариант сравним с номинальным напряжением питания в условиях полного отсутствия добавочного сопротивления на обмоточных цепях мотора. Несоответствие любому из заданных условий позволяет рассматривать характеристику в качестве искусственной.

Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. — Δ ω, где:

Заключение

Согласно применяемым механическим характеристикам любые ДПТ отличаются конструктивной простотой, доступностью управления и возможностью осуществлять регулировку частоты валового вращения, а также легкостью пуска ДПВ. Кроме прочего, такие устройства могут применяться в качестве генератора и обладают компактными габаритами, что хорошо нивелирует недостатки в виде быстро изнашиваемых графитовых щеток, высокой себестоимости и необходимости обязательно подключать токовые выпрямители.

Видео на тему

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному

Источник

Механическая характеристика ДПТ

Механической характеристикой называется зависимость скорости вращения двигателя от момента сопротивления на его валу при постоянном напряжении на его зажимах.

То есть, при

где М_с – момент сопротивления на валу двигателя.

(69)

Для получения выражения механической характеристики воспользуемся основными уравнениями, определяющими работу двигателя.

(70)

(71)

Оценим вид механических характеристик для двигателей разного способа возбуждения.

1. Для двигателя независимого и параллельного возбуждения при постоянном напряжении питания ток возбуждения остается неизменным, то есть, при .

Тогда: , где – скорость холостого хода (х.х.) двигателя.

при постоянном магнитном потоке Ф.

Механическую характеристику можно записать в виде:

(72)

Этому выражению будут соответствовать прямолинейные зависимости (рис. 24).

2. Для двигателя последовательного возбуждения ток в якоре, в нагрузке и в обмотке возбуждения один и тот же ( ) и магнитный поток зависит от тока, его возбуждающего ( ). Эта зависимость определяется кривой намагничивания. Тогда при токах возбуждения, а значит, и при токах нагрузки, меньших (0,8 – 0,9)I_ном, можно считать, что магнитная цепь двигателя не насыщена и магнитный поток Ф пропорционален току I, то есть, Ф = kI, где k = const. Проведем преобразования, учитывающие эту пропорциональность.

Поскольку момент будет равен

(73)

то ток якоря и магнитный поток выразятся так:

(74)

и выражение механической характеристики получается следующим:

(75)

Соответствующая характеристика показана на рис. 24. Она отличается от характеристик двигателей независимого и параллельного возбуждения тем, что при изменении нагрузки частота вращения двигателя резко меняется. При , то есть при ХХ скорость вращения якоря резко возрастает и поэтому работа двигателей последовательного возбуждения в режиме ХХ не допускаются.

Рис. 24. Механические характеристики ДПТ

Пуск ДПТ

При пуске двигателя должны выполняться два условия:

– пусковой момент двигателя должен быть больше пускового сопротивления на его валу: ;

– пусковой ток двигателя не должен превышать допустимого значения:

Для ДПТ пусковой момент всегда достаточно большой, следовательно, первое условие выполняется практически всегда.

Со вторым условием возникают проблемы, связанные с тем, что при пуске (n =0) противо-ЭДС (Е_пр) равна нулю, откуда следует, что при пуске

Поскольку сопротивление якоря очень мало (составляет единицы Ома или даже десятые сотые или тысячные доли Ома), то пусковой ток может во много раз превышать номинальный ток двигателя.

Прямой пуск двигателя допустим только в тех случаях, если его пусковой ток не превышает номинальный ток более чем в 2,5 раза, что выполняется только для маломощных двигателей ( ).

Во всех других случаях на время пуска двигателя пусковой ток необходимо ограничивать, для чего последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат.

Тогда (76)

Источник