Машины постоянного тока

1.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»
Факультет электротехники и автоматики
Кафедра робототехники и автоматизации производственных систем
Электрические машины
к.т.н., доцент каф. РАПС Лавров Анатолий Георгиевич
Санкт-Петербург
2019г.

2.

Машины постоянного тока
Тема 1 Устройство и принцип действия машин постоянного тока
n
2

3.

§1Устройство простейшей машины постоянного тока
N
S
3

4.

§2. Принцип действия генератора постоянного тока
N
eпр ,iпр
n2
S
4

5.

1
2
N
1
3
N
N
2
S
S
5
N
1
6
7
2
S
1
2
8
N
2
S
S
3
7
2
270°
45°
4
5
6
S
8
1
90° 135° 180° 225°
0°
N
1
eпр
S
1
2
1
1
S
N
1
N
2
2
1
2
4
α°
315° 360°
5

6.

f 2 n2
N
S
n2
N
S
f 2 pn2
pn2
f2
60
6

7.

1
I
I
I
R
N
2
2
1
1
S
R
S
S
S
R
N
R
R
2
N
7
N
8
1
2
3
I
2
S
S
S
R
R
R
4
5
6
1
1
I
1
I
1
2
I
N
4
2
2
6
N
3
1
2
S
5
N
2
N
1
7
8
1
0°
45°
90° 135° 180° 225° 270° 315° 360°
α°
7

8.

f эм B l2iпр
f эм
D2
mэм 2 f эм
f эм D2 B l2iпр D2
2
mэм
f эм
I2
R2
E2
U 2 E2 I 2 R2 I 2 Rн
U2
Rн
R2 r2 2rщ
8

9.

§3. Принцип действия двигателя постоянного тока
iпр
eпр
mэм
f эм
+
n2
I2
R2
U2
E2
f эм
U 2 E2 I 2 R2
9

10.

§4.Принцип обратимости электрических машин
iпр
eпр
f эм
mэм
mэм
f эм
+
n2
f эм
f эм
10

11.

Принцип обратимости электрических машин
E2 U 2
I2
0
R2
U 2 E2 I 2 R2
I1 и E2
E2 U 2
т.к.
E2 U 2
E U2
I2 2
0
R2
U 2 E2 I 2 R2
11

12.

§5.Устройство машин постоянного тока
12

13.

§6.Якорные обмотки машин постоянного тока
13

14.

Любая обмотка якоря характеризуется следующими основными параметрами :
1.
числом полюсов магнитной системы 2 p
2.
3.
числом проводников обмотки якоря N 2
числом витков в секции W2
4.
числом секций обмотки
5.
числом коллекторных пластин
6.
числом пазов якоря
7.
числом параллельных ветвей обмотки
8.
шагами обмотки по секциям
9.
шагом обмотки
S
K
Z2
2a
y, y1, y2
по коллектору yk
14

15.

Параллельные ветви обмотки якоря
I2
i2
2a
2a 2 p I 2 2ai2
2a 2
15

16.

Тема 2 Основные электромагнитные соотношения
в машинах постоянного тока
§1.ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент
eпр B l2v2
D2n2
v2
60
N2
2a
N2
B
l2
E2
D2
2p
E2 ce n2
N2
N
eпр 2 B l2v2
2a
2a
E2
pN 2
n2
60a
ce
pN 2
M эм
I 2
2 a
cм
M эм см I 2
16

17.

§2.Электромагнитные нагрузки ЭМ и машинная постоянная
B 0,5 0,8Тл
N 2i2
A2
D2
A2 100 150 A/см
ЭМ малой и средней мощности
A2 450 600 A/см
ЭМ большой мощности
М эм сD22l2 B A2 2 n2
V
Pэм P2 c1D22l2 B A2n2
D22l2n2
1
CA
P2 с1B A2
M эм
17

18.

Тема3. Магнитное поле машин постоянного тока
§1.Магнитное поле машины в режиме холостого хода
п
1
k
k 1,12 1,25
18

19.

Кривая намагничивания или магнитная характеристика машины:
f I1 или f F1
1 f F
1
2
н A
B
2 f FFe
C
kн
F FFe
I1н
AC F FFe
1,2 1,4
AB
F
I1, F1
19

20.

§2.Реакция якоря в машинах постоянного тока
I1 0; I 2 0
I1 0; I 2 0
20

21.

Реакция якоря в машинах постоянного тока
I1 0; I 2 0
21

22.

Тема 4. Потери и КПД электрических машин
§1. Потери в электрических машинах
p P1 P2
добавочные
основные
pмех 5 15 % p
pд 0,5 1 % P2г
pд 0,5 1 % P1д
pэл 60 80 % p
pмаг 15 25 % p
p pмех pмаг pэл pд
pпост
pпер
22

23.

§2. Коэффициент полезного действия
p
P2 P1 p
1
1
P1
P1
P1
U2I2
P2
г
P2 p U 2 I 2 p
P1 p U 2 I 2 p
д
U2I2
P1
pпост pпер
pмех pмаг pэл pд
23

24.

Тема 5. Генераторы постоянного тока
§1. Общие сведения о генераторах постоянного тока
Генераторы постоянного тока
Генераторы независимого
возбуждения
Генераторы с самовозбуждением
Генераторы
параллельного
возбуждения
Генераторы
смешанного
возбуждения
Генераторы
последовательного
возбуждения
24

25.

Характеристики генераторов
U 2 сe n2 I 2 R2
U 2 E2 I 2 R2
Параметры характеризующие работу генераторов:
U 2 ; E2 ; I 2 ;
; n2
U 2 ; E2 ; I 2 ;
I1
I1
n2 Const.
n2 Const.
25

26.

Пять характеристик генераторов:
1. Характеристика холостого хода -
E2 f I1
при I 2 0; n2 n2н Const.
2. Нагрузочная характеристика -
U 2 f I1
при I 2 I 2н Const.; n2 n2н Const.
3. Внешняя характеристика -
U2 f I2
при I1 I1н Const.; n2 n2н Const.
4. Регулировочная характеристика -
I1 f I 2
при U 2 U 2н Const.; n2 n2н Const.
5. Характеристика короткого замыкания -
I 2 f I1
при U 2 0; n2 n2н Const.
26

27.

§2. Генераторы независимого возбуждения
1. Характеристика холостого хода
E2 f I1
при I 2 0.
E2 ce n2
f I1
E2
E2н
a
б
в
Eост
I10
I1
ав
kн
аб
27

28.

2. Нагрузочная характеристика - U 2 f I1 при I 2 I 2н Const.
ab E2 U 2н U 2 U 2н E2 I 2н R2
U2
E2
U 2н
d
b
I2 0
c
a
I 2 I 2н
U 2н сe n2 I 2н R2
ac I 2н R2
cd
Fря
U 2 1.I 2н R2
I1н
I1
3. Внешняя характеристика - U 2 f I 2
U2
U 2
U 2н
I 2н
2. ря
при I1 I1н Const.
U 2 5 15 %U 2н
I 2кз I 2
28

29.

4. Регулировочная характеристика - I1 f I 2
при U 2 U 2н Const.
I1
I1н
I10
I 2н
I2
5. Характеристика короткого замыкания - I 2 f I1 при U 2 0.
I2
U2 0
I1
E2 I 2 R2
29

30.

§3. Генераторы параллельного возбуждения
I1 2 5 % I 2
I 2 I н I1
I1Rкр
U2
E2
Eост
r1
I1R1
ххх
I1
I1
I1
R1 r1 Rр1
30

31.

Внешняя характеристика - U 2 f I 2 при R1 Const.
U2
ГнВ
U 2н
U 2
U 2 1.I 2н R2
a
2. ря
3. U1т.к. U 2
b
I 2кз I 2н I 2max I 2кз I 2
Регулировочная характеристика - I1 f I 2
при U 2 U 2н Const.
I10
I 2н
31

32.

§4 Генераторы последовательного возбуждения
I1 I 2 I н
Внешняя характеристика - U 2 f I 2
32

33.

§5 Генераторы смешанного возбуждения
Внешние характеристики:
U2
ГсмВ (согл.)
ГнВ
ГпрВ
U 2н
ГсмВ (встр.)
I 2н
I2
Регулировочные характеристики:
I10
I 2н
33

34.

Тема 6. Двигатели постоянного тока
§1. Общие сведения о двигателях постоянного тока
1. Энергетическая диаграмма двигателя:
P1
P2
Pэм Pмех
(мех.)
(эл.)
pмг
pв pэл2
pмех pд
2
pв I1 R1
2
pэл2 I 2 R2
Pэм E2 I 2
34

35.

2. Уравнения моментов:
Pэм
M эм
M0
M эм M 0 M в M дин M ст M дин
pмг pмех pд
P2
Mв M2
M дин 0
n2 Const.
M ст
M эм M ст
3. Уравнения напряжения и тока:
U E2
E2 ce n2 U с ce n2 I 2 R2
I2 с
R2
4. Электромеханическая и механическая характеристики:
- электромеханическая характеристика - n2 f I 2
U с E2 I 2 R2
U с R2 I 2
Uс
R2
n2
I2
ce
ce ce
35

36.

- механическая характеристика - n2 f M эм
M эм cм I 2
M эм
I2
cм
Uс
R2
n2
M эм
2
ce cecм
5. Изменение режима работы двигателя:
U с Const.
M ст
I1 Const.
Const.
1. M эм M ст
2. M дин 0
n2 ; E2 ; I 2 ; M эм
M эм M ст
U с ce n2 I 2 R2
M эм M ст M дин
36

37.

§2 Пуск двигателей постоянного тока
Проблемы пуска двигателей постоянного тока:
- обеспечение надлежащего пускового момента и создание
условия для достижения необходимой скорости вращения;
- предотвращение возникновения чрезмерного пускового тока.
U с E2 I 2 R2
n2 0
Е2 0
U
I 2п с
R2
Возможны три способа пуска двигателей постоянного тока:
- прямой пуск;
- пуск на пониженном напряжении цепи якоря;
- пуск с помощью пускового реостата;
37

38.

Пуск с помощью пускового реостата
Uс
I
n2 0 2д
R2 Rп
Uс
Rп
R2
1,5 2,5 I 2н
I 2д 1,5 2,5 I 2н
Uс
n2 , I 2
U E2 U с ce n2
M п cм I 2д I 2 с
R2 Rп
R2 Rп
I 2д M п n2 E2 I 2 ; M эм
I 2д
n2н
n2
I2
I 2н
0
1
2
3
t
38

39.

§3 Двигатели параллельного возбуждения
- электромеханическая характеристика
U R2 I 2
U
R
n2 с
с 2 I 2 n20 n2
ce
ce ce
с
U с Const.; I1 Const.
- механическая характеристика
n2
Uс
R2
M эм
2
ce cecм
n2
n20
n2н
n2
I 20
I 2н
I2
39

40.

Регулирование скорости вращения
U с R2 I 2 U с
R2
n2
I2
ce
ce ce
1.
3. U с
2. Rр2
U с R2 Rp2 I 2
n2
ce
с
n2
н
n2н
н ,U с , Rp2 0
U Uс
Rp2 0
I 2н
I2
40

41.

Регулировочная характеристика
n2 f I1
U R2 I 2
n2 с
ce
U с Const.; I 2 Const.
k I1
U R2 I 2
n2 с
cek I1
n2
I1
41

42.

Рабочие характеристики
n2 , I 2 , M 2 , P1, f P2
U с Const.; I1 Const.
P1
P1 M 2 I 2 n2
M2
n2
I2
P10
I 20
P2н
P2
42

43.

§4 Двигатели последовательного возбуждения
I 2 I1 I
с
U R2 I
U
R
n2 с
с 2
cek I
cek I cek
k I
n2
н
естественная хар-ка
н
Rp2 0
I
1. а) W1
2. Rш2
б ) I1
Rш1
I
r1 Rш1
I1 н
R2 Rp2
Uс
3. n2
cek I
cek
43

44.

4. U с
Характеристика вращающего момента
M эм cм I
k I
M эм
M эм cм k I 2
I
44

45.

§5 Сравнительный анализ свойств
двигателей параллельного и последовательного возбуждений
ДпсВ
ДпрВ
M эм cм I 2 M эм
I
n2 Const.
P2 2 n2 M 2
M эм cм k I 2 M эм
n2 1 I 1
M эм
Опасен обрыв цепи
обмотки возбуждения
P2 2 n2 M 2
I2
M эм
M эм
Опасен режим
холостого хода
45

46.

§6 Двигатели смешанного возбуждения
с
Электромеханические характеристики
n2
ДпрВ
ДсмВ
ДпсВ
I2
46

47.

Реакция якоря в машинах постоянного тока
н
b2
a
c1
c
2
b1
b1b2 c1c2
Fя Fя
2 2
b
F н
c
F
Fя
47