Эквивалентная схема двигателя постоянного тока

Принцип действия двигателей постоянного тока

Для правильного понимания принципа действия двигателей постоянного тока рассмотрим рис. 3.1, где схематично изображен поперечный разрез машины с основными элементами, участвующими в процессе преобразования энергии.

Рис. 3.1

При подключении машины к сети постоянного тока в обмотке возбуждения, расположенной на главных полюсах машины, будет протекать ток, который создаст магнитный поток в магнитной цепи, состоящей из статора, главных полюсов, воздушного зазора и ротора машины. Величина магнитного потока, как указывалось ранее, зависит от конструкции и материала магнитопровода, а также от силы тока возбуждения. В воздушном зазоре машины будет создано магнитное поле, представленное магнитными силовыми линиями. Обмотка якоря также подключена к сети постоянного тока, и по её проводникам протекает ток. Она представлена на рисунке проводниками, распределенными по поверхности якоря в воздушном зазоре. Направление тока в проводниках показано на рисунке. На каждый проводник якорной обмотки действует механическая сила, пропорциональная индукции магнитного поля, длине проводника и силе тока , где Bx – индукция магнитного поля в месте расположения проводника; l – длина проводника,
i – сила тока проводника.

Направления сил fx , действующих на проводники, находящиеся под северным и южным полюсами, показаны на рисунке стрелками. Направления сил можно принять совпадающими с направлениями касательных к поверхности якоря в местах расположения проводников.

Суммарное взаимодействие всех проводников обмотки якоря с магнитным полем машины создает механический момент на валу двигателя , где М – механический момент на валу двигателя; См ­­- постоянная, зависящая от конструкции машины;
Iя – ток якоря, – магнитный поток.

Под действием механического момента якорь машины начинает вращаться со скоростью n. Одновременно в каждом проводнике якоря, перемещающемся в магнитном поле машины, наводится ЭДС . Суммарная электродвижущая сила всей якорной обмотки может быть определена из уравнения , где Е – ЭДС обмотки якоря; Се – постоянная, зависящая от конструкции машины; n – частота вращения якоря; – магнитный поток машины; n – линейная скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направления электродвижущих сил проводников на рис. 3.1 показаны точками и крестиками, расположенными рядом с проводниками. Следует обратить внимание на несовпадение направлений токов и ЭДС проводников. Поэтому ЭДС якоря в двигателях называют иногда противоЭДС, подчеркивая то, что электродвижущая сила обмотки якоря противодействует приложенному напряжению и току якоря (рис. 3.2).

На рисунке – ЭДС внешнего источника питания, – внутреннее сопротивление источника. Слева представлена электрическая схема цепи питания якоря двигателя постоянного тока; справа — эквивалентная схема замещения всей цепи якоря. С электрической точки зрения якорь двигателя представляет собой ЭДС , направление которой не совпадает с направлением тока обмотки якоря, и резистора , сопротивление которого равно сопротивлению провода обмотки якоря. Примечание: на рисунке цепь обмотки возбуждения не показана.

3.2. Основные уравнения двигателя
постоянного тока

Основными формулами, описывающими процесс преобразования энергии в двигателях постоянного тока, являются:

— уравнение механического момента на валу

;

— уравнение противоЭДС машины

и уравнение электрического равновесия двигателя постоянного тока, выражающее связь между приложенным напряжением, противоЭДС, током якоря и сопротивлением якорной цепи машины.

.

3.3. Потери и коэффициент полезного действия
двигателей постоянного тока

Эффективность работы двигателя постоянного тока, как и других устройств, определяется коэффициентом полезного действия, величина которого зависит от потерь электрической энергии в элементах двигателя.

Рис. 3.3

На рис. 3.3 изображена электрическая схема двигателя с параллельным возбуждением.

Реостат , включенный последовательно с обмоткой возбуждения, необходим для регулирования силы тока возбуждения. При работе двигателя в номинальном режиме сопротивление цепи возбуждения определяется сопротивлением проводов обмотки возбуждения
и сопротивлением реостата.

В общем случае ток, протекающий в этой цепи, нагревает обмотку и провод регулировочного реостата. Таким образом, мы имеем дело с рассеиванием электрической энергии в этой цепи. Если сопротивление обмотки возбуждения обозначить Rов, а сопро­тивление регулировочного реостата , то полное сопротивление цепи возбуждения Rв определится из уравнения ,
а потери энергии в этой цепи можно вычислить по формуле вычисления мощности или .

Другая часть энергии теряется в якоре. Не вся электрическая энергия, потребляемая якорем, преобразуется в механическую энергию прежде всего потому, что обмотка якоря обладает электрическим сопротивлением. Сопротивление проводников обмотки якоря в реальных машинах достаточно мало, но и это малое сопротивление играет существенную роль в эффективности работы двигателя.

Читать еще:  Хендай соната неисправности двигателя

Электрическая энергия подводится к якорю с помощью ще­точно-коллекторного устройства. Сопротивление коллекторных пластин, выполненных из меди, чрезвычайно мало, но сопро­тив­ление щеток и сопротивление контакта щетки — коллекторные пластины значительно. Прохождение тока по этим элементам приводит к дополнительным потерям электрической энергии. Общее со­противление цепи якоря Rя, таким образом, равно сумме сопротивлений щеток Rщ, перехода щетки — коллекторные пластины Rк
и проводов обмотки Rо. Следовательно, .

Потери в этих сопротивлениях называют потерями в цепи якоря.

Барабан якоря изготавливают из листовой электротехнической стали, которая является проводящим материалом. При работе двигателя якорь вращается в неподвижном магнитном поле, и это приводит к тому, что сталь якоря постоянно перемагничивается с частотой кратной частоте вращения якоря. По причине изменения индукции магнитного поля и направления намагничивания стали, в якоре возникают вихревые токи. Оба явления связаны с потерями энергии, т. е. с превращением электрической энергии в тепловую энергию, которая приводит к нагреву двигателя. Потери на перемагничивание и на вихревые токи называют потерями в стали. Индукция магнитного поля в статоре и главных полюсах не изменяется во времени, поэтому потери в магнитопроводах этих частей машины практически отсутствуют.

Механическая часть конструкции машины вносит свою долю
в потери энергии. В основном говорят о потерях в подшипниках, потерях, связанных с трением щеток о коллектор, и потерях в вентиляторе. Все эти потери связаны с преобразованием механической энергии в тепловую энергию. Мощность потерь, равная сумме мощностей потерь в подшипниках, трения щеток о коллектор, вентилятора называют механическими потерями Рмех.

Таким образом, потребляемая двигателем из сети электрическая энергия преобразуется:

— в механическую выходную энергию,

— в тепловую энергию цепи обмотки возбуждения,

— в тепловую энергию электрической цепи якоря,

— в тепловую энергию потерь в стали,

— в тепловую энергию механических потерь.

Энергетическое равновесие в двигателе постоянного тока описывается следующим уравнением:

,

где Р1 – мощность, потребляемая двигателем из сети;

Р2 – мощность полезная на выходе двигателя;

Ря – мощность электрических потерь в цепи якоря;

Рс – мощность потерь в магнитопроводе или в стали машины;

Рмех – мощность механических потерь;

Рв – мощность потерь в цепи обмотки возбуждения.

Коэффициент полезного действия двигателя определяется традиционной формулой

.

Суммарная мощность потерь двигателей определяется экспериментально путем прямых измерений потребляемой мощности Р1 и выходной мощности Р2. Для этого двигатель подключается к сети постоянного тока с номинальным напряжением. Затем он нагружается тормозным моментом при номинальной частоте вращения. Входная мощность двигателя определится произведением тока двигателя на напряжение сети , а выходная мощность определяется произведением механического момента на валу на угловую частоту вращения, выраженную в радианах в секунду .

В том случае, когда испытателя интересуют величина мощностей отдельных видов потерь, проводятся следующие измерения:

1) измеряется сопротивление обмотки возбуждения при номинальном токе обмотки;

2) измеряется сопротивление якорной цепи при номинальном токе якоря;

3) измеряется механическая мощность на валу отключенной от сети машины, якорь которой приводится во вращение другим посторонним двигателем;

4) измерение мощности потерь магнитопровода (при известных значениях других видов потерь) производится путем измерения мощности, потребляемой двигателем в режиме холостого хода Р10 . Мощность потерь в стали в этом случае определится из формулы .

Что такое эквивалентная схема?

Эквивалентная схема — это упрощенная модель существующей схемы, которая значительно упрощает анализ исходной схемы. Любая схема будет иметь эквивалент для определенных параметров, таких как частота сигнала, температура компонента и другие факторы, такие как входы преобразователя. Исходные схемы могут иметь источник напряжения с внутренним сопротивлением и несколько внешних резисторов, в то время как эквивалентные схемы при анализе постоянного тока (постоянного тока) будут источником напряжения и единым внутренним сопротивлением, или чистым сопротивлением внутреннего и внешнего сопротивлений. Существуют эквивалентные схемы для всех типов схем со всеми типами компонентов.

Читать еще:  Авто масла двигателя шелл 10в40 как отличить подделку

Обычная аккумуляторная батарея рассчитана на 1,5 В постоянного тока. По мере того как батарея разряжается, эквивалентная цепь постоянно меняется, пока батарея не разрядится. Идеальный источник напряжения не имеет внутреннего сопротивления и, последовательно с постоянно увеличивающимся сопротивлением, является эквивалентом реальной 1,5-вольтовой батареи.

Трансформаторы обеспечивают питание через вторичную обмотку, когда подается питание в первичной обмотке. Схема эквивалентного трансформатора помогает объяснить подробные характеристики реального трансформатора. Идеальный трансформатор не будет отводить энергию, когда на вторичной обмотке нет нагрузки, но реальный трансформатор с первичной обмоткой под напряжением и отключенной вторичной обмоткой будет по-прежнему потреблять энергию. Эквивалентная схема трансформатора из-за характера потерь в сердечнике будет представлять собой параллельное сопротивление сердечника или сопротивление, которое не существует, но может быть замечено источником питания. Схема эквивалентного трансформатора имеет идеальный трансформатор на выходе с несколькими распределенными индуктивностью, емкостью и сопротивлением на входе.

Эквивалентные схемы для полупроводниковых схем различаются в зависимости от частоты, полярности напряжения и амплитуды сигнала. Схема эквивалентного диода в прямом смещении или проводящем состоянии представляет собой источник низкого напряжения, включенный последовательно с низким сопротивлением. Например, кремниевый диод в прямом смещении может иметь эквивалентный источник напряжения 0,6 В постоянного тока последовательно с резистором 0,01 Ом.

Эквивалентная модель цепи для двигателей также определяется оборотами ротора в минуту (об / мин) и моментом нагрузки. Например, двигатель постоянного тока с невращающимся ротором выглядит как два электромагнита в эквивалентной цепи двигателя; при 0 об / мин двигатель постоянного тока потребляет максимальный ток. Если ротору позволяют вращаться, чистое распределенное сопротивление двигателя увеличивается до нормальных уровней, и поэтому мощность двигателя падает до нормальных уровней. При использовании момента нагрузки нагрузка по току двигателя увеличивается. Эквивалентная схема асинхронного двигателя включает в себя эквивалентное сопротивление сердечника и распределенную индуктивность, емкость и идеальный трансформатор, который управляет обмоткой якоря.

Cхема замещения асинхронного электродвигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели, или как их еще называют индукционные электродвигатели, являются наиболее распространенными в промышленности. Данный тип электродвигателя, аналогично машинам постоянного тока тоже обладают свойствами обратимости, и может работать как в двигательном, генераторном, так и в тормозных режимах – противовключение, динамическое торможение. Режим работы асинхронного электродвигателя характеризуют знаком и величиной скольжения.

Пожалуй, основным методом анализа установившихся режимов индукционного электродвигателя является использование эквивалентных схем замещения. В таком случае обычно рассматривают явление, которое относится к одной фазе многофазного двигателя при соединении его обмоток звездой.

Упрощенная картина магнитных потоков работающего асинхронного электродвигателя позволяет представить его в виде эквивалентной схемы:

Электромагнитная связь первичной и вторичной цепи осуществляется потоком взаимоиндукции Ф, индуктирующим в роторной обмотке ЭДС Е2S. Сопротивление индуктивное первичной цепи Х1 обусловлено наличием потока рассеивания, связанного только с этой цепью. Аналогично сопротивления Х2 обусловлено потоком рассеивания Ф25.

Частота тока ротора будет определяться скоростью его вращения относительно скорости вращения магнитного поля статора, то есть зависеть от скольжения и будет равна f2 = f1S.

Ток вторичной цепи при вращающемся роторе:

Также выражения для I2 может иметь:

Выше показанные выражения имеют не только различную форму записи, но и имеют совершенно разный физический смысл. А смысл его в том, что вместо вращающегося ротора можно рассматривать неподвижный, в котором будет индуцироваться ЭДС Е2. При этом индуктивное сопротивление будет равно Х2, а активное возрастет на величину так как . При этом I1 останется прежним по фазе и величине, что не повлияет на потребляемую из сети мощность. Поскольку I1 и I2 не изменятся, то естественно и потери в первичных и вторичных цепях также не изменятся, соответственно мощность тоже не будет изменяться, а мощность развиваемая двигателем при вращении, будет равна мощности, потребляемой в добавочном сопротивлении . Таким образом, эквивалентная схема замещения асинхронной машины может быть заменена схемой замещения с добавочным сопротивлением rд во вторичной цепи:

Т – образная схема замещения

После приведения первичной и вторичной ЭДС они будут равны Е1 = Е2 / и это дает возможность соединить эквивалентные точки и получить такую схему:

Читать еще:  Шнур для запуска двигателя мотоблока

Недостатком Т – образной схемы замещения помимо сложностей расчета, является зависимость всех токов I1, I2 / , Iμ от скольжения s.

Из Т – образной схемы замещения видно, что в режиме холостого хода, при I2 / = 0 и s = 0, ток в контуре будет обуславливаться сопротивлениями намагничивающего контура и первичной цепи и совсем не будет зависеть от скольжения. Данное обстоятельство позволит вынести на зажимы электродвигателя намагничивающий контур и перейти к Г – образной схеме замещения.

Г – образная схема замещения

Данная схема замещения позволяет изучать процессы в асинхронном электродвигателе, которые имеют место при изменении скольжения электрической машины.

Учет контура намагничивания необходим при определении I1, который потребляется из сети. Но Г — образная схема замещения будет справедлива лишь при наличии определенных допущений:

  • Все цепи имеют неизменные (постоянные) параметры. Это значит, что приведенное вторичное сопротивление r2 / не будет зависеть от частоты цепи вторичной (ротора), а насыщение не будет влиять на реактивное сопротивление статорных и роторных обмоток Х1 и Х2 / ;
  • Полная проводимость намагничивающего контура принимается неизменной, а ток намагничивания, независимо от нагрузки, будет всегда пропорционален напряжению, приложенному к обмоткам;
  • Потери добавочные не учитываются;
  • Паразитные моменты, создаваемые высшими гармониками МДС, также не учитывают.

Следует также помнить и то, что в Г – образной схеме замещения в величины сопротивлений необходимо внести соответствующие поправки:

В выше перечисленных уравнениях величины имеющие индекс «дейст» соответствуют реальным значениям параметров асинхронной машины, а без индексов – те, которые используют в эквивалентной схеме.

Поскольку отношение r1/xμ довольно таки мало, то практически довольно часто принимают:

Обычно δ лежит в пределах 1,05 – 1,1.

Первичный ток I1 будет равен при любом скольжении:

Приведенный роторный ток:

Показанное выше выражение показывает, что ток ротора является функцией скольжения. При s = 0 I2 / = 0. При увеличении скольжения I2 / также будет расти, а при s = 1 достигнет своего максимума, или тока короткого замыкания, или пускового:

Если в роторной цепи отсутствует добавочное сопротивление (АД с КЗ ротором), пусковой ток может достигнуть довольно приличных значений, а именно 5 – 8 раз больше чем его номинальное значение.

Данная зависимость показана ниже:

Отношения пускового значения к номинальному является очень важным параметром для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, так как наличие пусковых токов приводит к просадкам напряжения, что особо ощутимо при использовании электродвигателей средней и большой мощности. Поэтому данная характеристика приводится в каталогах по выбору электрических машин.

Эквивалентная схема двигателя постоянного тока

  • Абитуриенту
  • Студенту
  • Выпускнику
  • Аспиранту
  • Сотруднику
  • Гостю
  • Контакты
  • Версия для слабовидящих
  • English

  • Контакты приемной комиссии
  • Опорный университет
  • Структура
  • Преподаватели
  • Доступная среда
  • Контакты и реквизиты
  • Телефонный справочник
  • Антитеррор
  • План университетского городка
  • Профилактика коронавирусной инфекции
  • История развития

  • Руководство
  • Ученый совет
  • Нормативные документы
  • Сведения об образовательной организации
  • Управления и отделы
  • Государственные закупки

  • Институты
  • Филиалы
  • Колледжи
  • Центры
  • Образовательные программы
  • Магистратура
  • Аспирантура, докторантура
  • Военная подготовка
  • Дополнительное образование
  • Научно-техническая библиотека

  • Научные направления
  • Конференции
  • Конкурсы и гранты
  • Фестиваль науки
  • Организация НИР
  • Диссертационные советы
  • Центры коллективного пользования
  • Научные издания

  • Управление международных коммуникаций
  • Программа «Tempus» и «ERASMUS+»
  • Проект «NanoBRIDGE»
  • Проект «Bridge»
  • Проект «HP»
  • Академия «Cisco»
  • Инновационные предприятия
  • Центр трансфера технологий

  • Воспитательная работа
  • Кураторы
  • Профсоюзы
  • Студенческий клуб
  • Центр карьеры
  • Газета «За инженерные кадры»
  • Спорт и отдых
  • Медицинская помощь

  • НОВОСТИ
  • АНОНСЫ

Год науки и технологий — год новых свершений

В течение всего 2021 года при поддержке государства будут проходить просветительские мероприятия с участием ведущих деятелей науки, запускаться образовательные платформы и конкурсы для всех желающих.

Соглашение о сотрудничестве

В рамках соглашения будет идти подготовка кадров для газовой отрасли региона, организация совместных научно-исследовательских мероприятий, повышением квалификации сотрудников «Газпром трансгаз Саратов».

Kонкурсы от компании IPR MEDIA

Компания IPR MEDIA приглашает преподавателей, магистров и аспирантов, специалистов в области информационных и сквозных цифровых технологий СГТУ к участию в конкурсах авторских работ и творческих инициатив

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector