Способы возбуждения машин постоянного тока и их классификация

Ток, протекающий в обмотке возбуждения основных полюсов, создает магнитный поток . Электрические машины постоянного тока следует различать по способу возбуждения и схеме включения обмотки возбуждения.

Генераторы постоянного тока могут выполняться с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Следует заметить, что теперь применение в качестве источников энергии генераторов постоянного тока очень ограничено.

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока с независимым возбуждением получает питание от независимого источника — сети постоянного тока, специального возбудителя , преобразователя и др. (рис. 1, а). Эти генераторы применяются в мощных системах, когда напряжение возбуждения должно быть выбрано отличным от напряжения генератора, в системах регулирования скорости вращения двигателей, которые питаются от генераторов и других источников.

Значение тока возбуждения мощных генераторов составляет 1,0—1,5% от тока генераторов и до десятков процентов для машин мощностью порядка десятков ватт.

Рис. 1. Схемы генераторов постоянного тока: а — с независимым возбуждением; б — с параллельным возбуждением; в — с последовательным возбуждением; г — со смешанным возбуждением П — потребители

У г енератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включается на напряжение самого генератора (смотрите рис. 1,б). Ток якоря I я равен сумме токов нагрузки I п и тока возбуждения I в: I я = I п + I в

Генераторы выполняются обычно для средних мощностей.

Обмотка возбуждения генератора с последовательным возбуждением включена последовательно в цепь якоря и обтекается током якоря (рис. 1, в). Процесс самовозбуждения генератора протекает очень бурно. Такие генераторы практически не используются. В самом начале развития энергетики применялась система передачи энергии с последовательно включенными генераторами и двигателями последовательного возбуждения.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения — параллельную ОВП и последовательную ОВС обычно с согласным включением (рис. 1, г). Параллельная обмотка может быть включена до последовательной («короткий шунт») или после нее («длинный шунт»). МДС последовательной обмотки обычно невелика и рассчитана только на компенсацию падения напряжения в якоре при нагрузке. Такие генераторы теперь также практически не применяются.

Схемы возбуждения двигателей постоянного тока подобны схемам для генераторов. Двигатели постоянного тока большой мощности выполняются обычно с независимым возбуждением . У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения получает питание от того же источника энергии, что и двигатель. Обмотка возбуждения включается непосредственно на напряжение источника энергии, чтобы не сказывалось влияние падения напряжения в пусковом сопротивлении (рис. 2).

Рис. 2. Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Ток сети Ic составляется из тока якоря I я и тока возбуждения I в.

Схема двигателя последовательного возбуждения подобна схеме на рис. 1, в. Благодаря последовательной обмотке вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чем у двигателей параллельного возбуждения, при этом скорость вращения уменьшается. Это свойство двигателей определяет их широкое применение в приводах электровозной тяги: в магистральных электровозах, городском транспорте и др. Падение напряжения в обмотке возбуждения при номинальном токе составляет единицы процентов от номинального напряжения.

Двигатели смешанного возбуждения из-за наличия последовательной обмотки в некоторой мере имеют свойства двигателей последовательного возбуждения. В настоящее время они практически не применяются. Двигатели параллельного возбуждения иногда выполняются со стабилизирующей (последовательной) обмоткой, включаемой согласно с параллельной обмоткой возбуждения, для обеспечения более спокойной работы при пиках нагрузки. МДС такой стабилизирующей обмотки невелика — единицы процентов от основной МДС.

Способы возбуждения машин постоянного тока

Работа и свойства электрических машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) в значительной степени зависят от способа возбуждения в них магнитного потока. Действительно, магнитный поток входит множителем как в выражение ЭДС, так и в выражение электромагнитного момента, поэтому необходимо знать, как создается магнитный поток, от каких величин он зависит, как и для какой цели нужно изменять его значение.
Согласно ГОСТов, по способу возбуждения машины постоянного тока классифицируют следующим образом:
а) машины независимого возбуждения, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника электрического тока;
б) машины параллельного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена параллельно с цепью якоря;
в) машины последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена последовательно с цепью якоря;
г) машины смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена последовательно с цепью якоря (другая — может быть либо независимой, либо, чаще, параллельной). Если МДС обмоток возбуждения имеют одно направление, то такое их включение называется согласным. Если же МДС обмоток направлены в разные стороны, то включение называется встречным.
Схемы всех четырех типов машин показаны соответственно на рис. 1.
Все эти электрические машины имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения (ОВ). Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготавливают с большим числом витков, из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения — с малым числом витков из провода большого сечения.
Существуют также машины небольшой мощности, магнитное поле у которых создается либо только постоянными магнитами, либо еще и обмотками возбуждения, питаемыми электрическим током. Свойства первых близки к свойствам машин независимого, а вторых — смешанного или независимого возбуждения (в зависимости от способа подключения обмотки возбуждения).

Рис. 1. Схемы электрических машин постоянного тока независимого (а), параллельного (6), последовательного (в) и смешанного (г)
возбуждений

Во всех машинах на возбуждение расходуется от 0,5 % до 5 % номинальной мощности машины, причем первое значение относится к очень мощным машинам, а второе — к машинам мощностью около 1 кВт.
Как видно из рис. 1, значение тока возбуждения /в машины независимого возбуждения не зависит от тока якоря и определяется напряжением источника питания, причем для регулирования тока /в последовательно в цепь обмотки возбуждения включают резистор.
У машины параллельного возбуждения, согласно закону Ома,
/в = Ur/(RB + Rр), (1)
где RB — сопротивление обмотки возбуждения, a Rp — последовательно с нею включаемого регулировочного резистора.
У машин последовательного возбуждения /в = /я.
Согласно ГОСТ 2582—81, выводы всех обмоток маркируются следующим образом:
Я1 и Я2 — начало и конец обмотки якоря;
С1 и С2 — начало и конец последовательной (сериесной) обмотки возбуждения;
Ш1 и Ш2 — начало и конец параллельной (шунтовой) обмотки возбуждения;
К1 и К2 — начало и конец компенсационной обмотки;
Н1 и Н2 — начало и конец обмотки независимого возбуждения;
Д1 и Д2 — начало и конец обмотки добавочных полюсов.
Возможны случаи, когда машина имеет несколько обмоток одного наименования. В этом случае их начала и концы после буквенных обозначений должны иметь две цифры:
первая указывает порядковый номер обмотки, a вторая,, — начало (1) или конец (2). Например, начало второй параллельной обмотки возбуждения будет иметь обозначение Ш21.

Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

1. индуктор: неподвижная часть;
2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

• при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).