Технические характеристики двигателей постоянного тока

Рабочие характеристики определяют его эксплуатационные характеристики.

Рабочие характеристики – это зависимости:

1) ; при U=const. (скоростная характеристика);

2) при U=const (механическая характеристика)

3) ; при U=const (нагрузочная характеристика)

Двигатели с последовательным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется большой пусковой момент и когда нет необходимости обеспечивать постоянство частоты вращения. Они используются в различных приводах управления органами самолетов (щитками, рулями и т.п.).

Двигатели с параллельным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется примерно постоянная частота вращения и нет резких изменений момента сопротивления приводного механизма. Они обычно используются в приводах насосов.

Двигатели со смешанным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется создать большой пусковой момент и ограничить частоту вращения при холстом ходе, а также при резких изменениях нагрузки и необходимости сохранения примерно постоянной частоты вращения (например, в электростартерах большой мощности).

ДПТ параллельного возбуждения (рис. 4.33, 4.34)

Особенность: ток обмотки возбуждения не зависит от нагрузки.

1. Скоростная характеристика.

Рис. 4.33 Электрическая схема Рис.4.34 Рабочие характеристики

ТУ- тормозное устройство

Из вышеприведенной формулы видно, что при постоянном напряжении U и постоянном сопротивлении цепи якоря R_я частота вращения n меняется, так как появляется падение напряжения в цепи якоря , и магнитный поток Ф уменьшается из-за реакции якоря.

При увеличении нагрузки, то есть тока I_a, происходит уменьшение частоты вращения n, а уменьшение магнитного потока Ф, наоборот, вызывает увеличение частоты вращения n. Поэтому частота вращения ДПТ с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки, то есть I_a, уменьшается незначительно. При изменении нагрузки от ХХ до номинальной уменьшение частоты вращения n незначительно ( )

Такая характеристика называется жесткой.

2. Механическая характеристика

Момент и мощность на валу:

Так как с увеличением нагрузки частота вращения уменьшается незначительно, то график несколько отклоняется вверх.

3. Нагрузочная характеристика

Если пренебречь моментом ХХ , то полезный момент на валу и полезная мощность . Тогда ток якоря

При увеличении нагрузки и при уменьшении частоты вращения и магнитного потока ( ) график будет отклоняться вверх более значительно, чем график .При .

При разрыве цепи обмотки возбуждения магнитный поток Ф уменьшится до значения потока статочного магнетизма Ф_ОСТ, при котором в случае малой нагрузки на валу двигателя частота вращения может резко возрасти и стать опасной для механической прочности двигателя.

ДПТ последовательного возбуждения (рис. 4.35, 4.36)

Рис. 4.35 Электрическая схема Рис.4.36 Рабочие характеристики

При небольших нагрузках в пределах ненасыщенного состояния стали магнитный поток пропорционален току якоря ( ), поэтому момент на валу пропорционален квадрату тока якоря ( ).

При значительных нагрузках, то есть при сильном насыщении стали, магнитный поток можно считать постоянным, тогда момент на валу пропорционален току якоря , как и ДПТ параллельного возбуждения.

При ХХ и малых нагрузках на валу ток якоря и магнитный поток имеют небольшие значения, следовательно, резко возрастает частота вращения ротора ( ), и ДПТ может пойти “в разнос“.

Характеристика называется мягкой. Пунктирными линиями характеристик показаны нагрузки, при которых двигатель может пойти “в разнос“.

Следовательно, нельзя допустить работу ДПТ с последовательным возбуждением при ХХ и при малых нагрузках.

ДПТ смешанного возбуждения (рис. 4.37)

ДПТ СВ обладают свойствами, соответствующими промежуточному положению между двигателями параллельного и последовательного возбуждения.

ДПТ СВ имеет конечную частоту вращения ХХ, определяемую магнитным потоком параллельной обмотки, поэтому он “в разнос” не пойдет.

Рис. 4.37 Сравнительные скоростные и механические характеристики ДПТ

На рис. 4.37 показаны сравнительные скоростные и механические характеристики ДПТ (1- последовательного возбуждения; 2- смешанного возбуждения; 3- параллельного возбуждения).

В ДПТ параллельного возбуждения магнитный поток пропорционален току возбуждения I_в, но так как I_в очень мал, по сравнению с током якоря I_а, то пусковой момент пропорционален пусковому току якоря ( ), а в ДПТ с последовательным возбуждением ток возбуждения равен току якоря, и пусковой момент пропорционален квадрату пускового тока якоря . Следовательно, при одинаковой мощности ДПТ с последовательным возбуждением будет создавать на валу значительно больший пусковой момент.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните принцип действия машины постоянного тока.

2. Запишите формулы ЭДС и электромагнитного момента машины постоянного тока.

3. Что такое реакция якоря в машине постоянного тока?

4. Перечислите способы борьбы с реакцией якоря в машинах постоянного тока.

5. Что такое коммутация в машине постоянного тока? Какие виды коммутации Вы знаете? Перечислите способы улучшения коммутации.

6. Нарисуйте энергетическую диаграмму генератора постоянного тока.

7. Запишите уравнение ЭДС генератора постоянного тока.

8. Запишите уравнение электромагнитного момента генератора постоянного тока и уравнение моментов.

9. Нарисуйте характеристики генератора постоянного тока.

10. Расскажите о самовозбуждении генератора постоянного тока. Перечислите условия, при которых возможен процесс самовозбуждения.

11. Нарисуйте энергетическую диаграмму двигателя постоянного тока.

12. Запишите уравнение вращающего момента и основные уравнения двигателя постоянного тока.

13. Как осуществляется регулирование частоты вращения и реверс двигателя постоянного тока?

14. Нарисуйте рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

1. А.И.Бертинов, Д.А.Бут, С.Р.Мизюрин, Б.Л.Алиевский, Н.В.Синева. Специальные электрические машины. Под ред. А.И.Бертинова -М.: Энергоиздат, 1982. -552 с.

2. Э.Д.Брускин, И.М.Синдеев. Электроснабжение летательных аппаратов. -М.: Высшая школа, 1988. -264 с.

3. В.А.Винокуров, А.К.Кустиньш, А.Б.Лебедев, В.И.Прохоров. Авиационные электрические машины. Под ред. В.А.Винокурова -М.: Воениздат, 1969. -303 с.

4. О.Д.Гольдберг. Испытания электрических машин. –М.: Высшая школа, 2000. -255 с.

5. О.Д.Гольдберг, Я.С.Гурин, И.С.Свириденко. Проектирование электрических машин.Под ред. О.Д.Гольдберга –М.: Высшая школа, 2001. -430 с.

6. А.А.Дубенский. Проектирование электрических машин летательных аппаратов, часть I (конспект лекций). -М.: МАИ, 1976. -58 с.

7. Л.В.Журавлева. Электроматериаловедение. –М.: Издат. центр "Академия", 2003. –312 с.

8. А.В.Иванов-Смоленский. Электрические машины. -М.: Энергия, 1980. -928 с.

9. М.М.Кацман. Электрические машины. –М.: Высшая школа, 2003. -469 с.

10. М.М.Кацман, Ф.М.Юферов. Электрические машины автоматических систем. Под ред. Ф.М.Юферова -М.: Высшая школа, 1979. -261 с.

11. М.А.Комар. Основы электропривода и аппараты управления. -М.: Энергия, 1968. -343 с.

12. М.И.Комисар. Авиационные электрические машины и источники питания. –М.: Машиностроение, 1990.

13. И.П.Копылов. Математическое моделирование электрических машин. –М.: Высшая школа, 2001. -327 с.

14. И.П.Копылов. Электрические машины. –М.: Высшая школа, 2002. -607 с.

15. И.П.Копылов, Б.К.Клоков, В.П.Морозов, Б.Ф.Токарев. Проектирование электрических машин. Под ред. И.П.Копылова Изд третье. –М.: Высшая школа, 2002. -757 с.

16. Е.М.Лопухина, Г.А.Семенчуков. Автоматизированное проектирование электрических машин малой мощности. –М.: Высшая школа, 2002. -511 с.

17. Г.Н.Петров. Электрические машины, часть I (Введение. Трансформаторы). -М.: Энергия, 1974. -240 с.

18. Ю.Д.Сибикин, М.Ю.Сибикин. Справочник по эксплуатации электроустановок промышленных предприятий. –М.: Высшая школа, 2002. -248 с.

19. Н.В.Синева. Специальные электрические машины, конспект лекций, часть II –Индукционные машины-. Под ред. А.И.Бертинова -М.: Энергоиздат, 1972. -219 с.

20. Электрические системы и сети в примерах и иллюстрациях. Под ред. проф. В.А.Строева. –М.: Высшая школа, 1999. -352 с.

21. Электротехника. Под ред. проф. А.Я.Шихина –М.: Высшая школа, 2001. -336 с.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9639 — | 7525 — или читать все.

Основной характеристикой двигателя постоянного тока, определяющей его свойства в установившемся режиме, является механическая характеристика

при и.

Уравнение механической характеристики получается из (6.1)

. (6.2)

На рис. 6.42 представлены механические характеристики при различных способах возбуждения. Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения при небольшой размагничивающей реакции якоря () имеет слабо падающий характер (кривая 1).

Если размагничивающая реакция двигателя параллельного возбуждения велика (поток Ф существенно снижается при увеличении нагрузки), то механическая характеристика будет иметь положительный наклон (кривая 1). Такая характеристика, как правило, не позволяет получить установившийся режим.

В двигателях последовательного возбуждения результирующий поток пропорционален току якоря,

,

а электромагнитный момент пропорционален квадрату тока якоря,

.

С учетом этих соотношений уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения приобретает вид

. (6.3)

Этому уравнению соответствует кривая 2 (рис. 3), имеющая гиперболический характер. При частота вращения якоря, поэтому двигатели последовательного возбуждения не могут работать в режиме холостого хода.

Вместе с тем квадратичная зависимость электромагнитного момента от тока якоря дает важное преимущество двигателям последовательного возбуждения при перегрузках перед двигателями параллельного возбуждения, момент которых является линейной функцией тока . Это преимущество особенно существенно при пуске, так как при одном и том же пусковом токе () двигатели последовательного возбуждения развивают больший момент, чем двигатели параллельного возбуждения. Поэтому двигатели последовательного возбуждения получили широкое применение на транспортных установках, где пусковой режим является одним из основных режимов работы.

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (кривая 3 рис. 3) занимает промежуточное положение. Обладая близкими с двигателями последовательного возбуждения свойствами при перегрузках, двигатели смешанного возбуждения могут работать и при малых нагрузках, что позволяет осуществить рекуперацию энергии в сеть при (рис. 6.42), так как машина переходит в генераторный режим (). Это свойство можно использовать в транспортных установках при движении с горы, создавая тормозной момент и одновременно возвращая в сеть запасенную кинетическую энергию.

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Согласно (6.2), регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока можно осуществлять путем изменения потока Ф, введения дополнительного сопротивления в цепь якоря иизменения напряжения сети . В двигателях параллельного возбуждения наиболее просто осуществляется регулирование изменением потока, реализуемого с помощью реостатав цепи возбуждения. При увеличении сопротивленияпотокФ уменьшается и частота вращения растет. На рис. 4а представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при трех значениях потока. Таким способом регулируют частоту вращения в пределах ,. Верхний уровень частот ограничивается условиями коммутации. Кроме того, при глубоком уменьшении потока возбуждения усиливается размагничивающее действие реакции якоря, жесткость механической характеристики растет, и падающая характеристика при номинальном потоке может стать возрастающей при ослабленном потоке, что приведет к нарушению устойчивой работы двигателя.

Регулирование частоты вращения двигателя путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления позволяет изменять частоту вращения вниз от номинальной в широких пределах (рис. 4 б). Но этот способ не экономичен. Полезная мощность двигателя при постоянном моменте пропорциональна частоте вращения (без учета потерь в якоре):

,

а потребляемая из сети мощность от частоты вращения не зависит,

.

Поэтому КПД двигателя пропорционален частоте вращения якоря,

.

Кроме того, при введении дополнительного сопротивления жесткость механической характеристики двигателя снижается, что может привести к ухудшению работы приводного механизма.

Более совершенным способом регулирования частоты вращения вниз является регулирование путем изменения подводимого к двигателю напряжения. На рис. 5 представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения для трех значений напряжений. Жесткость механических характеристик практически не меняется, поэтому таким способом можно регулировать частоту вращения от номинальной до нуля.

В качестве источников регулируемого напряжения используются генератор постоянного тока (рис. 2, а) либо полупроводниковый выпрямитель (рис. 2, б). Схема с полупроводниковым выпрямителем обладает более высоким быстродействием по сравнению со схемой генератор-двигатель, но уступает по перегрузочной способности. Кроме того, работа полупроводникового преобразователя ухудшает качество электрической энергии сети переменного тока из-за генерации высших гармоник напряжения и тока.

Рассмотренные способы регулирования частоты вращения двигателей параллельного возбуждения применяются и в двигателях смешанного возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется путем изменения тока в последовательной обмотке или напряжения якоряU с помощью шунтирующих реостатов (рис. 6.46).

При шунтировании обмотки возбуждения ток уменьшается и частота вращения якоря растет, а при шунтировании якоря напряжение якоря уменьшается, поэтому частота вращения падает.

Регулирование частоты вращения вверх осуществляется практически при постоянном КПД

.

Верхний уровень частоты вращения ограничивается условиями коммутации.

Регулирование частоты вращения вниз может осуществляться вплоть до нуля, однако КПД этого способа снижается пропорционально напряжению якоря и частоте вращения:

,

где — частота вращения якоря при.

Таким образом, этот способ регулирования так же, как и реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением, является неэкономичным. Он используется лишь в случае двигателей малой мощности.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — вентильный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр	АДКР	СДПМП	СДПМВ	СРД-ПМ	СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне	АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель) СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7]. Области применения электродвигателей Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].