Универсальные коллекторные двигатели

Машины постоянного тока серии 2П

Общие сведения

 

 

Серия 2П машин постоянного тока охватывает высоты осей вращения от 90 до 315 мм и диапазон мощностей от 0,37 до 200 кВт. Машины этой серии предназначены для работы в широкорегулируемых электроприводах. Машины с высотами оси вращения 90 — 200 мм соответствуют ТУ

16-514.211-75, машины с высотами оси вращения 225-315 мм-ТУ 16-514.230-77.

Электрические машины серии 2П заменяют машины серии П, а также специализированные машины серий ПС(Т), ПБС(Т), ПР.

По сравнению с предшествующими сериями у машин серии 2П повышена перегрузочная способность, расширены диапазон регулирования частоты вращения, улучшены динамические свойства, уменьшены шум и вибрации, повышена мощность на единицу массы, увеличены надежность и ресурс работы.

Условия эксплуатации машин серии 2П: высота над уровнем моря — до 1000 м, температура окружающего воздуха — от 5 до 40 °С, относительная влажность воздуха до 80 % при температуре 25 °С и при более низких температурах без конденсации влаги. Окружающая среда — невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию. Воздействие механических факторов внешней среды - по группе Ml ГОСТ 17516-72.

 

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от поло­жительного полупериода переменного напряжения к отрицатель­ному направление электромагнитного момента сохраняется неиз­менным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбужде­ния, т. е. меняется полярность полюсов.

 

 

Рис. 29.16. К принципу работы универсального коллекторно­го двигателя

 

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 29.14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазо­вый сдвиг между током якоря и током возбуждения на угол (рис. 29.14, б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и маг­нитным потоком:

, (29.34)

где — максимальное значение магнитного потока; — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; — угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обу­словленный наличием магнитных потерь в машине [ , а следовательно, ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе: = 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращаю­щего момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

. (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую (рис. 29.14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M_~ (рис. 29.14, ж): M_~ = . Небольшие участки графика с отрицательным (тормозя­щим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторами магнитного потока и током (рис. 29.14, г). Пульсации мо­мента M_~ практически не нарушают работу двигателя, включенно­го в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммути­рующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС ,действующее значение которой

. (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьше­ния трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , а чтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций также способствует ограничению ,но при этом увели­чивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, воз­растают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмот­кой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты враще­ния. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсиро­вание однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке, как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично (рис. 29.15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индук­тивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

 

Рис. 29.17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

 

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15, б приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электро­двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток по­мимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффи­циент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

 

4. Электромашинный усилитель

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представля­ет собой электрическую машину, работающую в гене­раторном режиме и предназначенную для усиления электрических сигналов. Электромашинные усилители применяются в системах автоматики. Простейший ЭМУ — это генератор постоянного тока независимого возбуждения (см. рис. 28.2, а). Так как напряжение на выходе генератора зависит от тока возбуждения (см. рис. 28.2, б), то, изменяя ток возбуждения, можно управлять напряжением на выходе генератора. Следо­вательно, сравнительно небольшой мощностью в цепи обмотки возбуждения можно управлять значительной мощностью в цепи якоря.

Электромашинные усилители, выполненные по принципу генератора независимого возбуждения, не нашли широкого применения, так как они не могут обеспечить достаточно большого коэффициента усиления по мощности (не более 80—100), представ­ляющего собой отношение мощности на выходе уси­лителя к мощности на входе обмотки управления.

Наибольшее распространение в автоматике полу­чили электромашинные усилители поперечного поля. В отличие от обычного генератора постоянного тока в этом ЭМУ основным рабочим потоком является маг­нитный поток, создаваемый током обмотки якоря, — поперечный поток реакции якоря (см. рис. 26.4, б).

На коллекторе ЭМУ установлено два комплекта щеток: один комплект — (рис. 30.1, а)— распо­ложен по поперечной оси главных полюсов, т. е. на геометрической нейтрали, а другой — по продольной оси главных, полюсов. Щетки замкнуты накоротко, а к щеткам подключена рабочая цепь ЭМУ.

Помимо обмотки якоря усилитель имеет одну или несколько обмоток управления ,компен­сационную обмотку (ОК), поперечную подмагничивающую обмотку (ОП) и обмотку добавочных по­люсов (ОД). Якорь усилителя приводится во вращение электродвигателем.

Если к одной из обмоток управления подвести напряжение , то в этой обмотке появится ток управления , который создает МДС обмотки управления . Эта МДС, в свою очередь, создает магнитный поток , который наведет в обмотке якоря в цепи щеток ЭДС . Электродвижущая сила невелика, но так как щетки замкнуты накоротко, то ЭДС вызовет зна­чительный ток . Ток в обмотке якоря создаст МДС и маг­нитный поток , который на­правлен по поперечной оси главных полюсов, т. е. по гео­метрической нейтрали, и непод­вижен в пространстве. В обмот­ке якоря, вращающейся в не­подвижном потоке ,наводит­ся ЭДС ,снимаемая с про­дольных щеток .

Если к выходным зажимам ЭМУ подключить нагрузку ,то ЭДС создаст в цепи щеток рабочий ток .

Таким образом, небольшая мощность обмотки управления проходит две ступени усиления: сначала эта мощность усилива­ется на ступени «цепь управле­ния — поперечная цепь», а затем на ступени «поперечная цепь — продольная (рабочая) цепь».

Усиление мощности на ка­ждой ступени характеризуется коэффициентом усиления, ко­торый на ступени «цепь управ­ления — поперечная цепь» оп­ределяется отношением мощ­ности в поперечной цепи к мощности управления :

. (30.1)

Коэффициент усиления на ступени «поперечная цепь — про­дольная (рабочая) цепь» определяется отношением мощностей в этих цепях:

, (30.2)

 

где — мощность в рабочей цепи усилителя, т. е. в цепи щеток .

 

 

Рис. 30.1 ЭМУ поперечного поля:

— принципиальная схема;

— внешние характеристики

 

Общий коэффициент усиления ЭМУ равен произведению частных коэффициентов усиления:

. (30.3)

 

Коэффициент усиления электромашинных усилителей может достигать 2000—20 000.

Следует помнить, что мощность на выходе ЭМУ представляет собой преобразованную механическую мощность приводного электродвигателя. Значение этой мощности, которое может дости­гать более 20 кВт, управляется небольшой мощностью управления (обычно 0,1—1,0 Вт).

Обмотка добавочных полюсов (ОД) служит для улучшения коммутации на продольных щетках . Поперечная подмагничивающая обмотка (ОП) усиливает магнитный поток по попереч­ной оси, что позволяет уменьшить ток в цепи щеток ,следо­вательно, улучшить коммутацию на этих щетках (в ЭМУ малой мощности эта обмотка отсутствует).

Компенсационная обмотка (ОК), наличие которой в ЭМУ обя­зательно, устраняет размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Дело в том, что ток рабочей цепи ЭМУ (ток на­грузки) создает МДС по продольной оси ,направленную на­встречу МДС обмотки управления . Эта МДС намного меньше МДС ,поэтому даже при небольшой нагрузке усилителя размаг­ничивающее влияние реакции якоря по продольной оси настолько велико, что усилитель размагничивается и напряжение на его вы­водах падает до нуля. Для устранения этого явления на статоре ЭМУ располагают компенсационную обмотку, включен­ную последовательно в рабочую цепь якоря. С появлением тока в рабочей цепи возникает МДС компенсационной обмотки ,на­правленная по продольной оси встречно МДС реакции якоря . Этим устраняется (компенсируется) размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Для полной компенсации необ­ходимо, чтобы МДС и были равны, так как недокомпенсация или перекомпенсация оказывает значительное влияние на магнитный поток , а следовательно, и на свойства ЭМУ. Однако рассчитать компенсационную обмотку с требуемой точностью практически невозможно, что ведет к необходимости опытной настройки требуемого значения МДС посредством реостата ,шунтирующего компенсационную обмотку.

Электромашинные усилители поперечного поля выпол­няют двухполюсными, при этом каждый из главных полюсов расщепляют на две части 1, между которыми располагают до­бавочные полюса 2 (рис. 30.2). Обмотки управления 4 выпол­няют сосредоточенными в виде полюсных катушек, надетых на главные полюса, что же касается компенсационной обмот­ки 3, то ее делают распределенной, используя для этого пазы в полюсных наконечниках главных полюсов. Этим достигает­ся компенсация продольной реакции якоря по всему перимет­ру статора.

 

 

 

Рис. 30.2. Расположение обмоток ЭМУ на статоре

 

 

При мощности до нескольких киловатт ЭМУ выполняют в общем корпусе с приводным двигателем постоянного или переменного тока. При значительной мощности ЭМУ и двигатель вы­полняют раздельно и монтируют на общей раме.

Рабочие свойства ЭМУ в значительной степени определяются его внешней характеристикой при и . Напряжение на выходе усилителя

, (30-4)

где сумма электрических сопротивлений в продольной цепи якоря, Ом, включающая в себя сопротивления обмотки якоря ,добавочных полюсов , компен­сационной обмотки и щеточно­го контакта .

Ввиду того, что магнитная цепь усилителя не насыщена, на­пряжение является линейной функцией тока нагрузки , т. е. внешняя характеристика ЭМУ представляет собой практически прямую линию (рис. 30.1, б).

Угол наклона внешней харак­теристики к оси абсцисс (жест­кость характеристики) зависит от степени компенсации реакции якоря. При полной компенсации МДС компенсационной обмотки равна МДС реакции якоря по продольной оси . В этом случае внешняя характеристика получается достаточно жест­кой (кривая 3), так как уменьшение напряжения при увеличе­нии тока нагрузки происходит лишь за счет увеличения падения напряжения в цепи якоря по продольной оси .

При недокомпенсации внешняя характеристика получается менее жесткой (кривая 4). Объясняется это тем, что при недокомпенсации МДС ,возрастая с увеличением тока ,значительно ослабляет магнитный поток обмотки управления , что ведет к заметному уменьшению напряжения на выходе ЭМУ.

Если в усилителе настроить небольшую перекомпен­сацию так, чтобы МДС полностью скомпенсировала не только реакцию якоря по продольной оси, но и падение на­пряжения , то внешняя характеристика усилителя становит­ся абсолютно жесткой и располагается параллельно оси абсцисс (кривая 2). В этом случае напряжение на выходе ЭМУ остается неизменным во всем диапазоне изменения нагрузки.

При значительной перекомпенсации внешняя ха­рактеристика (кривая 1) приобретает восходящий характер, так как МДС не только компенсирует , но и создает дополни­тельный продольный поток, который, накладываясь на магнитный поток управления , вызывает увеличение ЭДС . Работа усили­теля с перекомпенсацией становится неустойчивой, так как возникает опасность произвольного самовозбуждения ЭМУ, при кото­ром увеличение напряжения на выходе усилителя вызывает рост тока нагрузки, что ведет к дальнейшему увеличению напряжения, т. е. происходит неограниченное увеличение тока нагрузки. Обыч­но в усилителе настраивают небольшую недокомпенсацию, при которой увеличение напряжения при уменьшении тока от номинального до нуля составляло бы 12—20%.