Электроприводы постоянного тока

3.1. Принцип действия. Основные уравнения

Принцип действия любого коллекторного двигателя постоянного тока основан на законе Ампера: на проводник с током (рис. 3.1) в магнитном поле с магнитной индукцией действует сила

направленная по правилу левой руки. Под действием этой силы или — в случае витка — пары сил виток начинает вращаться и вращается непрерывно благодаря коллектору, изменяющему направление тока таким образом, чтобы под данным полюсом магнита направление тока не менялось и момент имел одинаковое направление.

Важнейшая особенность, основное достоинство двигателя постоянного тока — прямой угол между вектором магнитной индукции В, созданной полюсами, и вектором тока при любой сколь угодно сложной обмотке якоря. Этот угол определяется лишь положением щеток на коллекторе и не зависит от каких-либо иных факторов.

При движении проводников в магнитном поле в соответствии с законом Фарадея в них наводится электродвижущая сила — ЭДС вращения

где —линейная скорость движения, направленная по правилу правой руки.

В витке ЭДС складываются и уравновешиваются приложенным напряжением U в соот ветствии со вторым законом Кирхгофа

где — суммарная ЭДС вращения; — сопротивление витка.

Машина постоянного тока, как и все электрические машины, обратима, т.е. может работать как двигателем, так и генератором, если или если вместо источника энергии используется пассивная нагрузка. В этом случае коллектор со щетками играет роль выпрямителя и по-прежнему сохраняется ортогональность между потоком и током.

Последнее выражение при умножении каждого его члена на приводит к балансу мощности в двигательном режиме

Здесь — мощность, полученная от источника; — мощ-

ность, преобразованная из электрической формы в механическую; — потери мощности в процессе преобразования.

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 3.2.

Будем полагать, что якорная цепь питается от независимого источника с ЭДС сопротивление цепи якоря постоянно, магнитный поток определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Взаимодействие тока в обмотке якоря с магнитным потоком создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера к возникновению электромагнитных сил,

Буквой U здесь обозначена ЭДС источника.

действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента:

где конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью со в магнитном поле под действием момента проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фа-радея наводится ЭДС вращения

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине — ЭДС источника питания

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи машины справедливо уравнение

Уравнения (3.1) — (3.3) — простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения для установившегося режима с моментом потерь входящим в

условиями питания и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Разумеется, в условиях каждой задачи должно быть строго оговорено, что задано и известно, а что нужно искать.

Рассмотрим подробнее роль, которую играет ЭДС в процессе преобразования энергии, осуществляемом электрической машиной при условии, что — постоянные. Если существовал некоторый установившийся режим а затем изменился, например возрос до значения то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы приведя его в соответствие с новым значением В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине — специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС вращения. Действительно, при возрастании

скорость двигателя начнет снижаться, значит, уменьшится в соответствии с (3.2) и ЭДС. Из (3.3) следует, что

следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (3.1). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий, перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых значениях и знаках т.е. ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.