Электрические машины – это….. Понятие - Свойство обратимости электрической машины (дать определение). Типы электрических машин и их зависимости?. Способы возбуждения машин постоянного тока?. Способы регулирования частоты вращения двигателя?. Оглавление

Машины постоянного тока

Ответить на вопросы:

1. Электрические машины – это….

2. Понятие - Свойство обратимости электрической машины (дать определение)

3. Типы электрических машин и их зависимости?

4. Способы возбуждения машин постоянного тока?

5. Способы регулирования частоты вращения двигателя?

Оглавление

Введение. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Электрические машины постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1. Конструкция машин постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Принцип действия двигателя постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. Принцип действия генератора постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4. Способы возбуждения машин постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5. Схема замещения и уравнения электрического состояния . . . . . . . . . . 17

6. Электромагнитный момент машины постоянного тока . . . . . . . . . . . . . 19

7. ЭДС якоря машины постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

8. Потери мощности в машине постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

9. Эксплуатационные характеристики генератора постоянного тока . . . . 24

10. Эксплуатационные характеристики двигателя постоянного тока . . . . 28

11. Разновидности машин постоянного тока, их применение . . . . . . . . . . 37

Введение. Основные понятия

Электрическая энергия обладает рядом преимуществ по сравнению с дру- гими видами энергии. Это определяет ее повсеместное использование. Одно из основных преимуществ – возможность эффективного преобразования в меха- ническую энергию, а также возможность преобразования механической энер- гии в электрическую. Это осуществляется посредством электромеханических преобразователей, среди которых наиболее важное место занимают электриче- ские машины.

Электрические машины – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.

В первом случае такая электрическая машина называется электрическим двигателем, во втором – генератором электроэнергии.

Рис. В1. Преобразование энергии в электрической машине Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает,

что одна и та же машина может работать как электродвигателем, так и генера- тором. Если вращать вал электрической машины, то на зажимах ее электриче- ской обмотки создается разность электрических потенциалов, а при подклю- ченном электроприемнике возникает электрический ток. Таким образом эта машина преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. является ге- нератором электроэнергии. С другой стороны, если электрическую обмотку

этой машины подключить к источнику электроэнергии, то в результате проис- ходящих в ней процессов создается электромагнитный вращающий момент, под действием которого вал машины вращается и вращает приводной меха- низм. В этом случае машина преобразует электрическую энергию в механиче- скую, т.е. является электрическим двигателем.

В основе работы электрических машин лежат проявления магнитного по- ля. В частности электромагнитный вращающий момент возникает при взаимо- действии магнитного поля, создаваемого в электрической машине, с электриче- ской обмоткой, в которой замыкается ток (силовое действие магнитного поля). При работе электрической машины ее обмотки перемещаются относительно магнитного поля. (первый приславший скриншот данного фрагмента получает за задание отлично). При этом в обмотках индуцируется ЭДС (индукционное действие магнитного поля). Совместное действие этих проявлений магнитного поля определяет свойства и характеристики электрической машины.

Таким образом, в основе конструкции электрических машин лежит маг- нитная цепь, в которой формируется магнитное поле определенной интенсив- ности и необходимым образом распределенное в пространстве.

Характер магнитного поля, создаваемого в электрической машине, может быть разным. Магнитное поле может быть постоянным, создаваться постоян- ным магнитом или электрической обмоткой с постоянным током. Магнитное поле может быть переменным, создаваться неподвижной электрической обмот- кой с переменным током, либо обмоткой с постоянным током, расположенной на вращающейся части электрической машины. Ток в электрической обмотке, которая взаимодействует с магнитным полем, также может быть постоянным либо переменным. В зависимости от характера магнитного поля, конфигурации магнитопровода магнитной цепи машины, характера электрического тока в ее обмотках все электрические машины можно разделить на типы:

1. Электрические машины постоянного тока;

2. Асинхронные электрические машины;

3. Синхронные электрические машины;

4. Специальные электрические м4ашины.

В электрических машинах постоянного тока магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным электрическим током. Это магнитное по- ле определенным образом распределено в пространстве и неизменно во време- ни (рис.В2а).

а б в Рис. В2. Магнитные цепи электрических машин

1 – машина постоянного тока; 2 – асинхронный двигатель; 3 – синхронная машина

В асинхронном электродвигателе (рис.В2б) магнитное поле создается не- подвижной трехфазной электрической обмоткой с трехфазным электрическим током. Такое магнитное поле равномерно вращается в пространстве. Вращаю- щееся магнитное поле, взаимодействуя со второй обмоткой, расположенной на роторе, создает вращающий электромагнитный момент, под действием которо- го совершается механическая работа.

В синхронной электрической машине (рис.В2в) магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным током, расположенной на вращающейся части. При этом постоянное магнитное поле вращается вместе с якорем и взаи- модействует с неподвижной трехфазной электрической обмоткой, находящейся на статоре синхронной машины.

К специальным электрическим машинам можно отнести такие, в которых создание магнитного поля и конструкция обмоток существенно отличаются от предыдущих типов машин.

Электрические машины постоянного тока

В электрической машине постоянного тока (МПТ) осуществляется пре- образование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию (двигатель постоянного тока), или наоборот (генератор постоянного тока).

Электрические машины постоянного тока обладают принципом обрати- мости. Поэтому конструкция двигателя постоянного тока (ДПТ) принципиаль- но не отличается от конструкции генератора постоянного тока (ГПТ).

1. Конструкция машин постоянного тока

На рис. 1 показа типичная конструкция машины постоянного тока обще- промышленного применения.

Основными частями машины постоянного тока являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть машины, ротор – вращающаяся. Схематичное изо- бражение машины постоянного тока показано на рис. 2. Статор состоит из ста- нины 1, представляющий собой стальной полый цилиндр, являющейся механи- ческим остовом машины и одновременно служащей частью магнитопровода. К внутренней поверхности станины крепятся главные полюсы 2 с обмоткой воз- буждения (ОВ) 3. Катушки обмотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, включаются так, чтобы северные и южные полюсы чередовались. Между главными полюсами могут располагаться дополнительные полюсы 4, служащие для улучшения характеристик машины. Обмотка дополнительных полюсов включается в цепь ротора (якоря) МПТ. Общий вид статора машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 3.

Ротор машины постоянного тока называется якорем. Якорь 5 (рис. 2) представляет из себя цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности якоря имеются продольные пазы с уложенной в них обмоткой якоря (ОЯ) 6. Якорь помещается внутри статора и отделен от него

Рис. 1. Конструкция электрической машины постоянного тока.

1-станина; 2-полюс; 3-обмотка возбуждения; 4-дополнительный полюс; 5-якорь; 6-обмотка якоря;

7-коллектор; 8-обмотка дополнительных полюсов; 9-щетки; 11-щеткодержатель; 12-подшипниковый щит; 13-подшипник; 14-вал; 15-вентилятор; 16-рым-болт; 17-клеммная коробка

Рис. 2. Электрическая машина постоянного тока

Рис. 3. Статор машины постоянного тока.

1 – обмотка возбуждения; 2 – полюс статора; 3 – станина

небольшим воздушным зазором. Станина, полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь, по которой замыкается магнитный поток машины. На рис. 2 показаны две силовые линии магнитного поля.

Для соединения обмотки вращающегося якоря с внешней электрической цепью и коммутации тока якоря служит щеточно-коллекторный узел 7. Как по-

казано на рис. 4, цилиндрический коллектор состоит из отдельных медных кол- лекторных пластин 1, изолированных друг от друга. Каждая пластина коллек- тора соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Коллектор крепится на валу машины и вращается вместе с якорем.

Рис. 4. Коллектор машины постоянного тока

К наружной поверхности коллектора прижимаются неподвижные элек- трические щетки 2, установленные в щеткодержателях. Во время работы маши- ны коллектор скользит по щеткам, обеспечивая скользящий электрический кон- такт. Общий вид якоря машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 5.

Рис. 5. Якорь машины постоянного тока.

1 – сердечник якоря с обмоткой; 2 – коллектор; 3 – подшипник; 4 – вал

На рис. 6 показана машина постоянного тока серии ПЛ-061У4

.мощностью 60 Вт частотой вращения 1500 об/мин.

Рис. 6. Двигатель постоянного тока

1 – клеммная коробка; 2 – коллектор; 3 – подшипниковый щит; 4 - щетки

Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей показано на рис. 7.

Рис. 7. Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электриче- ских цепей

2. Принцип действия двигателя постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 8. Здесь РМ – рабочий механизм, приводимый в движение электрическим двигателем.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к источ- нику постоянного напряжения Uв. Постоянный ток обмотки возбуждения Iв создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный по- ток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным на рис. 2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря двигателя постоянного тока.

Рис. 8. Схема включения двигателя постоянного тока

Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря Iя. Через скользящий ще- точный контакт ток якоря подается в его обмотку таким образом, что его на- правление в проводниках, расположенных в зоне одного полюса, оказывается всегда постоянным (под северным полюсом – одного направления, под южным

– другого). В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбужде- ния, действует электромагнитная сила. Направление действия силы определяет-

ся правилом левой руки.

На рис. 9 схематично показана верхняя часть якоря, находящаяся в маг- нитном поле возбуждения под северным полюсом. Обмотка якоря упрощенно представлена несколькими проводниками круглого сечения.

Рис. 9. Принцип действия двигателя постоянного тока Направление тока в проводниках обмотки якоря определяется полярно-

стью подключения ее к источнику постоянного напряжения. На рис. 9 ток об- мотки якоря обозначен крестиком, что соответствует направлению за плоскость рисунка. Направление магнитного потока определяется направлением тока в обмотке возбуждения (полярностью подключения обмотки возбуждения).

При указанных на рис. 9 направлениях магнитного потока возбуждения и тока якоря на проводники обмотки якоря действует электромагнитная сила, на- правленная влево. Силы, действующие на каждый проводник обмотки якоря, складываются и создают электромагнитный вращающий момент МЭМ, приво- дящий якорь во вращение с частотой вращения n. При этом якорь, вращая ра- бочий механизм, совершает механическую работу. Таким образом, энергия электрического тока, подведенная к двигателю, преобразуется в механическую энергию.

Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменит по- лярность подключения обмотки якоря или обмотки возбуждения.

При вращении якоря ДПТ проводники обмотки якоря движутся в магнит- ном поле возбуждения. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направ- ление которой определяется правилом правой руки. В двигателе эта ЭДС на- правлена противоположно току и напряжению якоря (рис. 9) и компенсирует приложенное напряжение.

3. Принцип действия генератора постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 10. Здесь Д – приводной двигатель, вращающий вал генератора.

Рис. 10. Схема включения генератора постоянного тока

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключена к источ- нику постоянного напряжения Uв также, как в ДПТ. Постоянный ток обмотки возбуждения создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначен- ным на рис. 2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизы- вает обмотку якоря генератора постоянного тока.

Якорь генератора вращается приводным двигателем Д (турбина, двига-

тель внутреннего сгорания и т.п.) с частотой вращения n. Проводники обмотки якоря, вращаясь вместе с ним движутся в магнитном поле возбуждения. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции в таких проводниках индуцируется ЭДС, направ- ление которой определяется правилом правой руки. На рис. 11 при указанных направлениях магнитного потока и вращения якоря ЭДС e в проводниках об- мотки якоря направлена вдоль проводника за плоскость рисунка. Это направле- ние обозначено крестиком.

Рис. 11. Принцип действия генератора постоянного тока Конструкция обмотки якоря такова, что все ее проводники соединены по-

следовательно. При этом ЭДС всех проводников складываются и создают раз- ность электрических потенциалов, которая через пластины коллектора и щетки подается к зажимам генератора. На зажимах обмотки якоря генератора создает- ся напряжение U. Если к зажимам обмотки якоря генератора присоединить приемник электрической энергии с сопротивлением Rп , то образуется электри- ческая цепь, в которой под действием напряжения U возникает ток IЯ , который замыкается в приемнике. Таким образом, генератор постоянного тока, потреб- ляя от приводного двигателя механическую энергию, отдает электрическую энергию электроприемникам во внешнюю электрическую цепь, т.е. преобразует

механическую энергию в электрическую.

Ток IЯ замыкается во всех проводниках обмотки якоря. При этом согласно явлению силового действия магнитного поля на каждый проводник с током, находящийся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила FЭМ. Направление действия силы определяется правилом левой руки. Как видно на рис. 11, электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки яко- ря, создают тормозной электромагнитный момент, направленный навстречу вращению якоря. Этот электромагнитный момент уравновешивает механиче- ский момент приводного двигателя.

4. Способы возбуждения машин постоянного тока

Важным классификационным признаком машин постоянного тока явля- ется способ возбуждения главного магнитного поля, от которого зависят все основные характеристики как двигателей, так и генераторов. Существуют че- тыре способа возбуждения машин постоянного тока: независимое, параллель- ное, последовательное и смешанное возбуждение. На рис. 12 показаны схемы включения обмотки якоря и обмотки возбуждения при разных способах возбу- ждения. Указанные на схемах направления токов соответствуют работе маши- ны в режиме генератора.

При независимом возбуждении (рис. 12а) обмотка возбуждения питается от независимого источника с напряжением Uв. Ток приемника электроэнергии, подключенного к генератору, равен току якоря IЯ. В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 12б) обмотка возбуждения подключена к зажимам якоря. Ток возбуждения определяется напряжением на зажимах генератора и равен

I в = U

Rв

, (1)

где Rв – сопротивление обмотки возбуждения;

U – напряжение на зажимах генератора.

Рис. 12. Способы возбуждения машин постоянного тока

При этом соотношение между токами возбуждения, якоря и приемника определяется первым законом Кирхгофа:

I я = I + I в . (2)

Обмотка возбуждения в такой МПТ выполняется из тонкого провода с большим числом витков и обладает большим электрическим сопротивлением.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 12 в) обмотка воз- буждения включается последовательно с обмоткой якоря. При этом токи якоря,

возбуждения и приемника равны между собой:

I я = I в

= I . (3)

Последовательная обмотка возбуждения выполняется из провода большо- го сечения с малым числом витков и обладает небольшим электрическим со- противлением. Малое сопротивление последовательной обмотки возбуждения незначительно сказывается на соотношении тока и напряжения в цепи якоря.

Генератор со смешанным возбуждением (рис. 12 г) имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбужде- нием получили название генераторов с самовозбуждением, поскольку их об- мотки возбуждения питаются от зажимов собственного якоря.

5. Схема замещения и уравнения электрического состояния машин постоянного тока

Для расчета и анализа электромагнитных процессов и характеристик ма- шин постоянного тока необходимо моделирование машины с помощью элек- трической схемы замещения и соответствующих уравнений электрического со- стояния.

При составлении схемы замещения необходимо отразить основные про- цессы, происходящие в якоре МПТ. В частности, обмотка якоря выполненная из провода конечных размеров (диаметр и длина) обладает определенным ак- тивным сопротивлением RЯ. Это обусловливает падение напряжения в обмотке якоря и безвозвратную потерю энергии в виде тепла как в генераторе, так и в двигателе. Сопротивление обмотки якоря учитывается в схеме замещения иде- альным резистором с сопротивлением RЯ.

Двигатель постоянного тока

В двигателе постоянного тока при вращении якоря в его обмотке индуци- руется ЭДС, направленная навстречу току и частично уравновешивающая при- ложенное напряжение. Это учитывается введением в схему замещения идеаль-

ного источника ЭДС величиной EЯ. Таким образом, напряжение источника, приложенное к обмотке якоря двигателя, уравновешивается падением напряже-

ния на сопротивлении RЯ и величиной противоэдс EЯ:

U = Eя + I я Rя . (4)

Уравнение (4) называют уравнением электрического состояния цепи яко- ря двигателя постоянного тока.

Соответствующая такому уравнению электрического состояния схема за- мещения показана на рис. 13.

Рис. 13. Схема замещения двигателя постоянного тока

Умножив обе части уравнения (4) на ток IЯ, получим уравнение мощно- стей ДПТ:

UI я

= Eя I я

+ I 2 Rя , (5)

или

Pэл

= DPя

+ Pэм , (6)

где

Pэл

= UI я

- электрическая мощность, потребляемая якорем двигателя

от источника электроэнергии;

DPя

Pэм

= I 2 Rя

= Eя I я

- электрические потери мощности в обмотке якоря;

- электромагнитная мощность двигателя, преобразуемая в

механическую.

Генератор постоянного тока

При работе МПТ в режиме генератора ток в приемнике и в обмотке якоря обеспечивается за счет ЭДС якоря, наводимой магнитным полем возбуждения. Эта ЭДС создает напряжение на зажимах генератора и компенсирует падение

напряжения в обмотке якоря. Уравнение электрического состояния ГПТ имеет вид:

Eя = U + Rя I я , (7)

а соответствующая схема замещения показана на рис. 14.

Рис. 14. Схема замещения генератора постоянного тока

Уравнение мощностей ГПТ получается в виде:

Eя I я

= UI я

+ Rя I 2 , (8)

или

Pэм

= Pэл

+ DPя , (9)

где

Pэм = Eя I я

- электромагнитная мощность, получаемая в результате преоб-

разования механической энергии в электрическую;

DPя

= Rя I 2

- электрические потери мощности в обмотке якоря;

Pэл

= UI я

- электрическая мощность, отдаваемая приемнику во внешнюю элек-

трическую цепь.

6. Электромагнитный момент машины постоянного тока

Как показано ранее, при наличии в обмотке якоря тока IЯ на ее проводни- ки действует электромагнитная сила, которая создает электромагнитный вра- щающий момент. Согласно силовому действию магнитного поля сила, дейст- вующая на один проводник ОЯ, определяется индукцией магнитного поля B, током в проводнике IЯ и активной длиной проводника l:

Fэм = I я Bl , [Н]. (10)

Электромагнитный момент, создаваемый всей обмоткой

где D – диаметр якоря;

M эм = Fэм N

D , (11)

N – число проводников обмотки якоря.

Индукция магнитного поля выражается через магнитный поток Фв в виде:

B = Фв

, [Тл], (12)

где S – сечение поверхности полюса.

С учетом этих соотношений (10, 11, 12) электромагнитный момент равен:

M эм

= æ lD

ç 2S

N öI

яФв

. (13)

Все параметры, стоящие в скобках, постоянны для одной и той же маши- ны и определяются ее конструкцией. Их можно заменить одной постоянной СМ. Тогда выражение электромагнитного момента принимает вид:

M эм

= CМ I яФв , [Нм]. (14)

Таким образом, электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален току в обмотке якоря IЯ и магнитному потоку возбуждения Фв.

7. ЭДС якоря машины постоянного тока

При вращении якоря машины постоянного тока в его обмотке индуциру- ется ЭДС. ЭДС якоря зависит от величины магнитного потока возбуждения и частоты вращения якоря. ЭДС в одном проводнике обмотки якоря определяется индукцией магнитного поля В и скоростью движения проводника в магнитном поле v:

e = Bvl , [В]. (15)

ЭДС, создаваемая всей обмоткой якоря, содержащей N последовательно соединенных проводников, равна

Eя = eN , [В]. (16)

Выражая индукцию магнитного поля через магнитный поток возбужде-

ния

B = Фв

, [Тл], (17)

и окружную скорость проводника через частоту вращения якоря

v = pD n , (18)

получаем:

Eя = Фв

næ pD lN

ç 60

1 ö . (19)

S ÷

Величины, содержащиеся в скобках, постоянны для одной и той же ма- шины и определяются ее конструкцией. Объединяя их одним постоянным ко- эффициентом Се, получаем выражение для ЭДС обмотки якоря:

Eя = CeФв n , [В]. (20)

Таким образом, ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока пропор- циональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря.

Из сравнения выражений (13) и (19) можно получить соотношение по- стоянных СМ и Се , которое удобно использовать при практических расчетах и анализе характеристик МПТ:

Ce = 2p CM . (21)

8. Потери мощности в машине постоянного тока

Преобразование энергии в машинах постоянного тока сопровождается потерями энергии. В МПТ можно выделить четыре источника потерь.

Во-первых, обмотка возбуждения обладает определенным электрическим сопротивлением. Ток в этой обмотке создает электрические потери, пропор- циональные квадрату тока и сопротивлению:

Dpв

= I 2 Rв . (22)

Во-вторых, аналогичные потери имеют место в обмотке якоря. Они зави- сят от тока якоря, т.е. изменяются с изменением режима работы машины:

Dpя

= I 2 Rя . (23)

Электрические потери в якоре в номинальном режиме работы составляют около половины всех потерь.

В-третьих, при вращении якоря в магнитном поле возбуждения его сер- дечник циклически перемагничивается. При этом, как известно из теории маг- нитных цепей, возникают магнитные потери в магнитопроводе (Dpмаг), которые складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике. Для уменьшения этих потерь магнитопровод якоря выполняется шихтованным из листов электротехнической стали. Магнитные потери составляют от 1 до 3 %.

В-четвертых, при вращении якоря возникают потери от трения в под- шипниках, трения щеток о коллектор, трения вращающихся частей о воздух (вентилляционые потери), которые объединяются в механические потери (Dpмех) и составляют от1 до 2%.

Полезная мощность образуется из потребляемой за вычетом потерь.

Энергетический баланс машины постоянного тока иллюстрируется диаграмма- ми на рис. 15, 16.

Рис. 15. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Рис. 16. Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока

Двигатель постоянного тока (рис. 15) потребляет из сети электрическую энергию мощностью Р1. Ее можно разделить на две составляющие: энергия, по- ступающая в обмотку возбуждения мощностью Рв=UIв, и энергия, поступающая в обмотку якоря Ря=UIя. Энергия, потребляемая обмоткой возбуждения, расхо- дуется на покрытие потерь в ней. Часть энергии, поступающей в якорь, тратит- ся на электрические потери в обмотке якоря, магнитные потери, механические потери. Оставшаяся энергия, преобразованная в механическую (Р2), передается рабочему механизму, который вращается двигателем с частотой вращения n.

Полезная мощность двигателя постоянного тока определяется вращаю- щим моментом М на его валу и частотой вращения n:

P2 = Pмех =

9,55

, [Вт]. (24)

Генератор постоянного тока потребляет механическую энергию от при- водного двигателя, который вращает якорь генератора с частотой вращения n (рис. 16). Мощность приводного двигателя определяется его вращающим мо- ментом Мпр и частотой вращения:

M прn

P1 = , [Вт]. (25)

9,55

Потребляемая генератором механическая энергия за вычетом всех потерь преобразуется, как показано ранее, в электрическую энергию, которая переда- ется в электрическую цепь приемнику электроэнергии. Составляющие потерь в генераторе постоянного тока аналогичны двигателю: механические потери

(Dpмех), магнитные потери (Dpмаг), электрические потери в обмотках возбужде- ния (Dpв) и якоря (Dpя). Полезная мощность генератора определяется напряже- нием и током в приемнике:

P2 = UI

или

P2 = I 2 Rп. (26)

Коэффициент полезного действия машины определяется соотношением полезной и потребляемой мощностей:

h = P2

= P2

P2 + SDp

. (27)

К.п.д. машины постоянного тока зависит от мощности. При номинальной мощности машины 100кВт номинальный к.п.д. 93-96%, а при номинальной мощности 100Вт – 60-65%.

Следует иметь в виду, что номинальной мощностью считается полезная мощность, т.е. отдаваемая потребителю:

Pном

= P2ном . (28)

Для генератора – это электрическая мощность, а для двигателя – механи- ческая мощность.

9. Эксплуатационные характеристики генератора постоянного тока

Режим работы генератора постоянного тока характеризуется напряжени- ем на его зажимах U, частотой вращения n, током в обмотке якоря Iя и током возбуждения Iв. О поведении машины в разных режимах работы можно судить по ее характеристикам, которые представляют зависимость между двумя вели- чинами при постоянных других. Основными являются: характеристика холо- стого хода, внешняя характеристика и регулировочная характеристика.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х.х.х.) – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при отсутствии нагрузки (Iп=Iя=0) и постоянной частоте вращения, равной номинальной (n=nном=const). График ха-

рактеристики холостого хода показан на рис. 17.

Как следует из уравнения электрического состояния генератора постоян- ного тока (7), в режиме холостой ход, когда ток якоря равен нулю напряжение определяется величиной ЭДС.

Eя = U . (29)

Рис. 17. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока

В соответствии с (20) ЭДС обмотки якоря пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Пренебрегая особенностями ферромагнитных материалов в магнитных цепях можно было бы полагать, что магнитный поток пропорцио- нален току возбуждения. Однако при разомкнутой цепи возбуждения, когда ток возбуждения равен нулю (Iв=0) магнитный поток не равен нулю. Это обуслов- лено остаточной намагниченностью магнитной цепи. Магнитное поле остаточ- ной намагниченности обусловливает начальную остаточную ЭДС якоря Еост. Наличие остаточной ЭДС обеспечивает условия для самовозбуждения ГПТ па- раллельного и смешанного возбуждения. С увеличением тока возбуждения уве- личивается магнитный поток и в соответствии с (20) возрастает ЭДС якоря Ея. При дальнейшем увеличении тока возбуждения сказываются нелинейные свой- ства и насыщение магнитопровода генератора. При этом магнитный поток и, следовательно, ЭДС якоря увеличиваются в меньшей степени.

В целом, кривая х.х.х. определяется нелинейными свойствами стального магнитопровода и соответствует виду кривой намагничивания стали. Точка но- минального режима работы находится в месте изгиба кривой.

Внешняя характеристика

Напряжение на зажимах генератора зависит от режима работы. В частно- сти, оно меняется с изменением величины нагрузки. Внешняя характеристика это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока в приемнике (тока якоря) при неизменном токе возбуждения (магнитном потоке Фв) и частоте вращения n.

В генераторе независимого возбуждения ток приемника равен току якоря

I п = I я . (30)

Напряжение на зажимах генератора связано с током якоря уравнением электрического состояния (7) из которого следует, что напряжение меньше ЭДС на величину падения напряжения в обмотке якоря:

U = Eя - Rя I я . (31)

С ростом Iя это падение напряжения возрастает и напряжение на зажимах генератора уменьшается. Графически эта зависимость изображается кривой 1 на рис. 18.

Рис. 18. Внешние характеристики генераторов постоянного тока

В генераторе с параллельным возбуждением внешняя характеристика от- личается от рассмотренной выше. Здесь кр