Системы возбуждения МПТ

Машины постоянного тока (МПТ) чаще используются в качестве двигателей, они обладают высоким пусковым моментом, возможностью широко регулировать скорость, легко реверсируются, имеют практически линейные регулировочные характеристики, экономичны. Эти достоинства МПТ часто ставят их вне конкуренции в приводах, требующих широких и точных регулировок. Важным преимуществом МПТ является также возможность их регулирования по слаботочным цепям возбуждения. Тем не менее, используют эти машины только там, где невозможно подобрать равноценную замену. Связано это с наличием щеточно-коллекторного узла. Именно он обуславливает большинство недостатков МПТ: повышает её стоимость, сокращает ресурс, создает радиопомехи, акустический шум. Искрение под щетками повышает требования к окружающей среде, ускоряет износ щеток и пластин коллектора. Продукты износа покрывают внутреннюю полость машины тонким проводящим слоем, ухудшая изоляцию токопроводящих цепей. И это далеко не полный перечень проблем, связанных с щеточно-коллекторным узлом МПТ.

Рис. 1.1. Схемы возбуждения машин постоянного тока
Возбуждение - это понятие, связанное с созданием основного магнитного поля машины. В машинах с электромагнитным возбуждением основное поле создается обмотками возбуждения. Имеются конструкции, в которых возбуждение создается постоянными магнитами, размещенными на статоре. Различают четыре схемы включения статорных обмоток: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 1.1.).
Изображения под пунктами б, в, г на рис. 1.1, называются схемами с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения происходит за счет остаточной намагниченности полюсов и станины. При вращении якоря в этом, небольшом по величине, магнитном поле (Ф_ОСТ = 0,02 0,03 Ф_О) индуцируется ЭДС - Е_ОСТ. Поскольку обмотка возбуждения подключена через щетки к якорю, то в ней будет протекать ток. Этот ток усилит магнитное поде полюсов и приведет к увеличению ЭДС якоря. Большая ЭДС вновь увеличит ток возбуждения и произойдет нарастание магнитного потока до полного намагничивания машины.
Работа электродвигателя и генератора постоянного тока характеризуется следующими основными величинами:
М – электромагнитный момент, развиваемый электродвигателем, Н·м;

М_c – момент сопротивления (нагрузка, статический момент), создаваемый производственным механизмом, Н·м;

I_я – ток якоря электродвигателя, А;

U – напряжение, приложенное к якорной цепи, В;

Е – электродвижущая сила (э.д.с.) машины постоянного тока (для электродвигателя ее называют противо -э.д.с, так как в электродвигателе она направлена навстречу напряжению U и препятствует протеканию тока), В;

Ф – магнитный поток, создаваемый в электродвигателе при протекании тока по обмотке возбуждения, Вб;

R_я – сопротивление цепи якоря, Ом;

ω – угловая скорость (частота) вращения якоря электродвигателя, с^-1 (вместо ω часто употребляется величина n, об/мин),

.
Взаимосвязь этих величин отражена в следующих четырех формулах:
, (1.1)
E = K*Ф*ω, (1.2)
, (1.3)
М = К*Ф*I_я, (1.4)
где J – момент инерции системы электропривода, кг*м²;
dω/dt – угловое ускорение вала электродвигателя, c^-1;
К – конструктивная постоянная электродвигателя.
- конструктивная постоянная двигателя, - число пар полюсов; - число активных стержней; - число пар параллельных ветвей (количество обмоток в секции);.

Формула (1.1) является видоизмененной записью основного уравнения движения электропривода . Нетрудно видеть, что основное уравнение движения является аналогом закона Ньютона a = F/m. Разница лишь в том, что для вращательного движения линейное ускорение а заменяется угловым ускорением dω/dt, масса m – моментом инерции J, а сила F заменяется динамическим моментом М_дин, равным разности момента электродвигателя М и статического момента М_с.
Формула (1.2) отражает принцип действия генератора постоянного тока, основанный на законе электромагнитной индукции. Для того, чтобы появилась ЭДС, достаточно вращать якорь с некоторой скоростью ω в магнитном потоке Ф. ЭДС Е в машине получить невозможно, если отсутствует хотя бы одна из величин: ω (электродвигатель не вращается) или Ф (машина не возбуждена).
Формула (1.3) показывает, что ток I_я в якорной цепи протекает в двигателе под действием приложенного к якорю напряжения U. Величина этого тока ограничивается вырабатываемой при вращении электродвигателя противо-э.д.с. Е и сопротивлением якорной цепи.
Формула (1.4) фактически иллюстрирует принцип действия электродвигателя постоянного тока (создание вращающего момента), основанный на законе взаимодействия тока в проводнике и магнитного поля. Для этого нужно создать магнитный поток Ф и пропустить ток I_я по обмотке якоря. Момент всегда будет, если есть поток Ф и ток якоря I_я.
Формулы (1.1) - (1.4) описывают все основные процессы в электродвигателе постоянного тока.