Електричні машини постійного струму

Електричні машини постійного струму використовуються в режимі генератора та в режимі двигуна. Ці машини оборотні.

Генератори постійного струму перетворюють механічну енергію в елек­тричну енергію постійного струму. Двигуни постійного струму призначені для перетворення електричної енергії постійного струму в механічну енергію. Вони використовуються для приводу металорізальних верстатів, прокатних станів, підіймально-транспортних машин, екскаваторів тощо.

Основні переваги машин постійного струму порівняно з безколекторними двигунами змінного струму – це добрі пускові й регулювальні властивості, можливість виготовлення двигунів на різну частоту обертання з плавною зміною цієї частоти у широких межах.

До недоліків машин постійного струму належать складність виготовлен­ня, висока ціна, понижена надійність. Всі ці недоліки зумовлені наявністю в машині щітково-колекторного вузла, який, крім того, є джерелом радіошумів і пожежонебезпеки.

Нерухома частина машин постійного струму називається статором, обертова частина - якорем.

Колектор є одним із складних вузлів машини постійного струму. Основ­ними елементами колектора є мідні пластини трапецеїдального перерізу, ізо­льовані між собою, від осердя та вала якоря. Електричний контакт з колектором здійснюється за допомогою щіток, розташованих в щіткотримачі. Всі щіткотримачі однієї полярності з'єднують між собою збірними шинами, які під'єднують до виводів (клем) машини.

Електрорушійна сила обмоток якоря машини постійного струму:

де сЕ – електрична постійна, яка залежить від конструктивних даних машини;

Ф – магнітний потік;

n – частота обертання якоря;

р – кількість пар полюсів машини;

a – кількість пар паралельних віток обмотки якоря;

N – кількість провідників обмотки якоря.

Напруга на затискачах генератора UГ і двигуна UД:

UГ = Е – IЯRЯ – Δ UК, UД = E + IЯRЯ + Δ UК,

де Е – ЕРС обмоток якоря;

IЯ – струм якоря;

RЯ – опір кола якоря;

Δ UК – спад напруги на щітках машин.

Корисна потужність генератора постійного струму:

РГ = UГI.

Потужність, що підводиться до двигуна постійного струму:

РД = UДI,

де I – струм зовнішнього кола.

Електромагнітна потужність машин постійного струму:

РEM = ЕI.

Струм якоря в генераторах із самозбудженням:

IЯ = I + IЗБ.

Струм двигуна з паралельною обмоткою збудження:

I = IЯ + IЗБ,

де IЗБ – струм в обмотці збудження.

Струм якоря двигуна:

Струм в колі збудження двигуна

де RЗЕ – загальний опір кола збудження;

RЗБ – опір обмотки збудження;

RР – опір реостата в колі збудження.

Опір пускового реостата:

де IЯ НОМ – номінальний струм якоря.

Частота обертання якоря двигуна:

Частота обертання якоря при неробочому режимі двигуна:

Рівняння механічної характеристики двигуна:

де М – момент навалу двигуна, що розвивається двигуном;

сМ – постійна двигуна, що зумовлює момент двигуна.

Момент на валу двигуна:

де Р2 – потужність на валу двигуна.

Зв’язок між постійними коефіцієнтами машини:

сЕ = 9, 55сМ.

Рівняння моментів генератора:

МГ = М0 + МЕМ = М0 + сМФIЯ,

де М0 – момент неробочого ходу;

МЕМ – електромагнітний гальмівний момент.

Рівняння моментів двигуна:

М = сЕФIЯ = М0 + М2 + МДИН,

де М2 – корисний момент на валу двигуна;

МДИН – динамічний момент.

Кратність пускового струму:

Кi = ІП /ІНОМ,

де IП - пусковий струм двигуна;

IНОМ – номінальний струм двигуна.

Кратність пускового моменту:

де МП – пусковий момент двигуна;

МНОМ – номінальний момент двигуна.

ККД генератора:

де Р2Г – потужність на затискачах генератора;

Р1 – механічна потужність, що підводиться до генератора;

U – напруга на затискачах генератора;

I – струм навантаження.

ККД двигуна:

де Р2 – потужність на валу двигуна;

Р1 – потужність, що підводиться із мережі;

Σ Р – сума втрат потужностей.

Сумарні втрати потужностей визначають за формулою:

∑ P = Р0 + РЕ + РМ = Р + РЗБ + РЕЯ + РЕЩ + РД,

де Р0 – втрати при неробочому ході;

РЕ, РМ – електричні та магнітні втрати;

Рзб – втрати в обмотках збудження, з врахуванням втрат в регулювальному реостаті;

Рея – втрати в обмотках якоря;

РЕЩ – втрати в електричних щітках;

РД – додаткові втрати (додаткові втрати складають 1% від потужності двигуна, що підводиться).

ККД максимальний при умові рівності втрат при неробочому ході і втрат електричних:

Р0 = РЕ, або Σ R = P0 + UзбIзб,

де Uзб – напруга на обмотці збудження.

Струм навантаження, який відповідає максимальному ККД: