Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Характеристики двигателей с последовательным возбуждением Для стартерного электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.

Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6-15. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменени-. ем нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового

реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

Скоростную характеристику (рис. 6-16) можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:

где - сопротивление обмотки возбуждения.

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения. Значительное уменьшение нагрузки приведет к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.

Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.

Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента (6.13) магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т. е.

На графике (см. рис. 6-16) эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.

Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.

Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно применять в тех случаях,

когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших - параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки воз­буждения: параллельную и последовательную (рис. 29.12, а). Час­тота вращения этого двигателя

, (29.17)

где и - потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к умень­шению частоты вращения двигателя. При встречном включе­нии обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.

На рис. 29.12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в - механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последователь­ного возбуждения последние имеют более пологий вид.

Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабо­чие (б) и механические (в) характеристики

Следует отметить, что по своей форме характеристики двига­теля смешанного возбуждения занимают промежуточное положе­ние между соответствующими характеристиками двигателей па­раллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последо­вательной) преобладает МДС.

Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вра­щения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной об­мотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что не­сколько ограничивает его применение. Двигатели смешанноговозбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовыеподъемники, насосы, компрессоры).

49.​ Пусковые и перегрузочные свойства двигателей постоянного тока.

Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).

Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет

где Uс - напряжение сети.

После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(Mн) и n = f2 (Iя) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока

Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения

где E1 - ЭДС в точке А характеристики; r1-сопротивление выключаемой секции.

Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 -6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.

При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается - двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.

В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.

Пуск и Остановка МПТ

Прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата.

Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.

В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.

Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.

Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.

Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а.

Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я - с возвратом энергии в сеть; б - при противовключении; в - динамическое торможение

Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc< Е, а также при спуске грузов в подъемнике и в других случаях.

Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением

где Imах - наибольший допустимый ток.

Торможение связано с большими потерями энергии.

Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.

Схемы включения двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения: а - схема включения двигателя, б - схема включения при динамическом торможении, в - схема для противовключения.

Переходные процессы в МПТ

В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).

После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.

Изменения энергии магнитного и электрического полей не могут происходить мгновенно, и, следовательно, не могут мгновенно протекать процессы в момент коммутации. В самом деле, скачкообразное (мгновенное) изменение энергии в индуктивном и емкостном элементе приводит к необходимости иметь бесконечно большие мощности p = dW/dt, что практически невозможно, ибо в реальных электрических цепях бесконечно большой мощности не существует.

Таким образом, переходные процессы не могут протекать мгновенно, так как невозможно в принципе мгновенно изменять энергию, накопленную в электромагнитном поле цепи. Теоретически переходные процессы заканчиваются за время t→∞. Практически же переходные процессы являются быстропротекающими, и их длительность обычно составляет доли секунды. Так как энергия магнитного W М и электрического полей W Э описывается выражениями

то ток в индуктивности и напряжение на емкости не могут изменяться мгновенно. На этом основаны законы коммутации.

Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде i L (0 -) = i L (0 +), считая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0.

Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться: U C (0 -) = U C (0 +).

Следовательно, наличие ветви, содержащей индуктивность, в цепи, включаемой под напряжение, равносильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как i L (0 -) = i L (0 +). Наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как U C (0 -) = U C (0 +).

Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.

В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.

В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах существуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические поля.

Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств

52. Магнитогидродинамические машины постоянного тока. Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей законы физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах при их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины находят применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы применения в будущем. Ниже рассматриваются принципы устройства и действия МГД машин постоянного тока.

Электромагнитные насосы для жидких металлов

Рисунок 1. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока

В насосе постоянного тока (рисунок 1) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электромагнита 1 и с помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидкому металлу в данном случае подводится кондуктивным путем, то такие насосы называются также кондукционными.

При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов ("реакция якоря"), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насосах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины ("компенсационная обмотка"), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рисунке 1 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1 – 2 витка.

Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и так далее). В противном случае более подходящими являются индукционные насосы переменного тока.

Насосы описанного типа стали находить применение около 1950 года в исследовактельских целях и в таких установках с ядерными реакторами, в которых для отвода тепла из реакторов используются жидкометаллические носители: натрий, калий, их сплавы, висмут и другие. Температура жидкого металла в насосах при этом составляет 200 – 600 °С, а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выполненных насосов для натрия имеет следующие расчетные данные: температура 800 °С, напор 3,9 кгс/см², расход 3670 м³/ч, полезная гидравлическая мощность 390 кВт, потребляемый ток 250 кА, напряжение 2,5 В, потребляемая мощность 625 кВт, коэффициент полезного действия 62,5 %. Другие характерные данные этого насоса: сечение канала 53 × 15,2 см, скорость течения в канале 12,4 м/с, активная длина канала 76 см.

Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.

Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные установки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым коэффициентом полезного действия. Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы, смотрите статью "Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока".

Плазменные ракетные двигатели

Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, то есть высокотемпературного (2000 – 4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/с. Такие двигатели не будут обладать большой силой тяги и поэтому будут пригодны для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что массовый расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получать с помощью ядерных реакторов. Для плазменных двигателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.

Магнитогидродинамические генераторы

МГД машины, как и всякие электрические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рисунке 1, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое возбуждение. Генерируемый ток снимается с электродов.

На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и тому подобного. Электродвижущая сила на электродах при этом пропорциональна скорости движения или расходу жидкости.

МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных электрических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного на рисунке 1, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/с проводящую плазму. Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных металлов.

Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000 – 4000 °С относительно мала (удельное сопротивление около 1 Ом × см = 0,01 Ом × м = 104 Ом × мм² / м, то есть примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генераторах (порядка 1 млн. кВт) возможно получение приемлемых технико-экономических показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллическим рабочим телом.

При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого напряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в переменный ток.

53. Униполярные машины. Первыйлярный генератор изобрел Майкл Фарадей. Суть эффекта, открытого Фарадеем, заключается в том, что при вращении диска в поперечном магнитном поле, на электроны в диске действует сила Лоренца, которая смещает их к центру или к периферии, в зависимости от направления поля и вращения. Благодаря этому, возникает электродвижущая сила, и через токосъемные щетки, касающиеся оси и периферии диска, можно снимать значительный ток и мощность, хотя напряжение небольшое (обычно, доли Вольта). Позднее, было обнаружено, что относительное вращение диска и магнита не является необходимым условием. Два магнита и токопроводящий диск между ними, вращающиеся вместе, также показывают наличие эффекта униполярной индукции. Магнит, сделанный из электропроводящего материала, при вращении, также может работать, в качестве униполярного генератора: он сам является и диском с которого щетками снимаются электроны, и он же является источником магнитного поля. В связи с этим, принципы униполярной индукции развиваются в рамках концепции движения свободных заряженных частиц относительно магнитного поля, а не относительно магнитов. Магнитное поле, в таком случае, считается неподвижным.

Споры о таких машинах шли долго. Понять, что поле есть свойство «пустого» пространства, физики, отрицающие существование эфира, не могли. Это правильно, поскольку «пространство не пустое», в нем есть эфир, и именно он обеспечивает среду существования магнитного поля, относительно которого вращаются и магниты, и диск. Магнитное поле можно понимать, как замкнутый поток эфира. Поэтому, относительное вращение диска и магнита не является обязательным условием.

В работах Тесла, как мы уже отмечали, были сделаны усовершенствования схемы (увеличен размер магнитов, а диск сегментирован), что позволяет создавать самовращающиеся униполярные машины Тесла.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют меньшее распространение по сравнению с другими двигателями. Они используются в установках с нагрузкой, не допускающей режима холостого хода. Позже будет показано, что работа двигателя последовательного возбуждения в режиме холостого хода может привести к разрушению двигателя. Схема подключения двигателя показана на рис. 3.8.

Ток якоря двигателя одновременно является и током возбужде­ния, так как обмотка возбуждения ОВ включена последовательно
с якорем. Сопротивление обмотки возбуждения достаточно мало, так как при больших токах якоря намагничивающая сила, достаточная для создания номинального магнитного потока и номинальной индукции в зазоре, достигается малым количеством витков провода большого сечения. Катушки возбуждения располагаются на главных полюсах машины. Последовательно с якорем может быть включен дополнительный реостат , который может использоваться для ограничения пускового тока двигателя.

Скоростная характеристика

Естественная скоростная характеристика двигателей последовательного возбуждения выражается зависимостью при
U = U н = const. При отсутствии дополнительного реостата
в цепи якоря двигателя сопротивление цепи определяется суммой сопротивления якоря и обмотки возбуждения , которые достаточно малы. Скоростная характеристика описывается таким же уравнением, каким описывается скоростная характеристика двигателя с независимым возбуждением

Отличие заключается в том, что магнитный поток машины Ф создается током якоря I в соответствии с кривой намагничивания магнитной цепи машины. Для упрощения анализа предположим, что магнитный поток машины пропорционален току обмотки возбуждения, то есть току якоря . Тогда , где k – коэффициент пропорциональности.

Заменив магнитный поток в уравнении скоростной характеристики, получим уравнение:

.

График скоростной характеристики представлен на рис. 3.9.

Из полученной характеристики следует, что в режиме холостого хода, т. е. при токах якоря, близких нулю, частота вращения якоря в несколько раз превышает номинальное значение, а при стремлении тока якоря к нулю частота вращения стремится к бесконечности (ток якоря в первом слагаемом полученного выражения входит в знаменатель). Если считать формулу справедливой для весьма больших токов якоря, то можно сделать предположение, что . Полученное уравнение позволяет получить значение силы тока I , при котором частота вращения якоря будет равняться нулю. У реальных двигателей последовательного возбуждения при определенных значениях тока магнитопровод машины входит в насыщение, и магнитный поток машины изменяется незначительно при значительных изменениях тока.

Характеристика показывает, что изменение тока якоря двигателя в области малых значений приводит к значительным изменениям частоты вращения.

Характеристика механического момента

Рассмотрим характеристику момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. , при U = U н = const.

Как уже показано, . Если магнитная цепь машины не насыщена, магнитный поток пропорционален току якоря ,
а электромагнитный момент М будет пропорционален квадрату тока якоря .

Полученная формула с математической точки зрения представляет собой параболу (кривая 1 на рис. 3.10). Реальная характеристика проходит ниже теоретической (кривая 2 на рис. 3.10), так как из-за насыщения магнитной цепи машины магнитный поток не пропорционален току обмотки возбуждения или току якоря в рассматриваемом случае.

Характеристика момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением представлена на рисунке 3.10.

КПД двигателя последовательного возбуждения

Формула, определяющая зависимость КПД двигателя от тока якоря, для всех двигателей постоянного тока одинакова и не зависит от способа возбуждения. У двигателей последовательного возбуждения при изменении тока якоря механические потери и потери в стали машины практически не зависят от тока I я. Потери же в обмотке возбуждения и в цепи якоря пропорциональны квадрату тока якоря. КПД достигает максимального значения (рис. 3.11) при таких значениях тока, когда сумма потерь в стали и механических потерь равна сумме потерь в обмотке возбуждения и цепи якоря.

При номинальном токе КПД двигателя несколько меньше максимального значения.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения

Естественная механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения, т. е. зависимость частоты вращения от механического момента на валу двигателя , рассматривается при постоянном напряжении питания, равном номинальному напряжению U = U н = const. Если магнитная цепь машины не насыщена, как уже утверждалось, магнитный поток пропорционален току якоря, т. е. , и механический момент пропорционален квадрату тока . Ток якоря в этом случае равен

а частота вращения

Или .

Подставив вместо тока его выражение через механический момент, получаем

.

Обозначим и ,

получаем .

Полученное уравнение представляет собой гиперболу, пересекающую ось моментов в точке .

Так как или .

Пусковой момент таких двигателей в десятки раз больше номинального момента двигателя.

Рис. 3.12

Общий вид механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения представлен на рис. 3.12.

В режиме холостого хода частота вращения стремится к бесконечности. Это следует из аналитического выражения механической характеристики при М → 0.

У реальных двигателей последовательного возбуждения час­тота вращения якоря в режиме холостого хода может в несколько раз превышать номинальную частоту вращения. Такое превышение опасно и может привести к разрушению машины. По этой причине двигатели последовательного возбуждения эксплуатируются в ус­ловиях постоянной механической нагрузки, не допускающей режима холостого хода. Такой тип механической характеристики относят к мягким механическим характеристикам, т. е. к таким механическим характеристикам, которые предполагают значительное изменение скорости вращения при изменении момента на валу двигателя.

3.4.3. Характеристики двигателей постоянного тока
смешанного возбуждения

Схема подключения двигателя смешанного возбуждения представлена на рис. 3.13.

Д

Последовательная обмотка возбуждения ОВ2 может быть включенной так, что ее магнитный поток может совпадать по направлению с магнитным потоком параллельной обмотки ОВ1 или не совпадать. Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то суммарный магнитный поток машины будет равен сумме магнитных потоков отдельных обмоток. Частота вращения якоря n может быть получена из выражения

.

В полученном уравнении и – магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

В зависимости от соотношения магнитных потоков и скоростная характеристика представляется кривой, которая занимает промежуточное положение между характеристикой того же двигателя при параллельной схеме возбуждения и характеристикой двигателя с последовательным возбуждением (рис. 3.14). Характеристика моментов займет также промежуточное положение между характеристиками двигателя последовательного и параллельного возбуждения.

В общем случае, с увеличением момента частота вращения якоря уменьшается. При определенном количестве витков последовательной обмотки можно получить очень жесткую механическую характеристику, когда частота вращения якоря практически не будет изменяться при изменении механического момента на валу.

Если магнитные потоки обмоток не совпадают по направлению (при встречном включении обмоток), то зависимость частоты вращения якоря двигателя от потоков опишется уравнением

.

При увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться. При увеличении тока магнитный поток будет расти, а частота вращения n уменьшаться. Таким образом, механическая характеристика двигателей смешанного возбуждения с согласным включением обмоток является очень мягкой (см. рис. 3.14).

Схема двигателя. Схема двигателя последовательного возбуждения изображена на рис. 1.31. Ток, потребляемый двигателем из сети, протекает по якорю и обмотке возбуждения, соединенной с якорем последовательно. Поэтому I = I я = I в.

Также последовательно с якорем включен пусковой реостат R п, который, как и у двигателя параллельного возбуждения, после выпуска выводится.

Уравнение механической характеристики. Уравнение механической характеристики может быть получено из формулы (1.6). При токах нагрузки, меньших (0,8 – 0,9) I ном, можно считать, что магнитная цепь двигателя не насыщена и магнитный поток Ф пропорционален току I: Ф = kI, где k = const. (При больших токах коэффициент k несколько уменьшается). Заменяя в (1.2) Ф, получаем М = С м kI откуда

Подставим Ф в (1.6):

n = (1.11)

График, соответствующий (1.11), представлен на рис. 1.32 (кривая 1). При изменении момента нагрузки частота вращения двигателя резко изменяется – характеристики подобного типа называются «мягкими». При холостом ходе, когда М » 0, частота вращения двигателя безгранично возрастает и двигатель «идет вразнос».


Ток, потребляемый двигателем последовательного возбуждения, при увеличении нагрузки растет в меньшей степени, чем у двигателя параллельного возбуждения. Это объясняется тем, что одновременно с ростом тока растет поток возбуждения и вращающий момент становится равным моменту нагрузки при меньшем токе. Эта особенность двигателя последовательного возбуждения используется там, где есть значительные механические перегрузки двигателя: на электрифицированном транспорте, в подъемно-транспортных механизмах и других устройствах.

Регулирование частоты вращения. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока, как указывалось выше, возможно тремя способами.

Изменение возбуждения можно осуществить включением реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 1.31) или включением реостата R р2 параллельно якорю. При включении реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения магнитный поток Ф можно уменьшать от номинального до минимального Ф min . Частота вращения двигателя при этом будет увеличиваться (в формуле (1.11) уменьшается коэффициент k). Механические характеристики, соответствующие этому случаю, показаны на рис. 1.32, кривые 2, 3. При включении реостата параллельно якорю ток в обмотке возбуждения, магнитный поток и коэффициент k увеличиваются, а частота вращения двигателя уменьшается. Механические характеристики для этого случая изображены на рис. 1.32, кривые 4, 5. Однако регулирование вращения реостатом, включенном параллельно якорю, применяется редко, так как потери мощности в реостате и КПД двигателя уменьшается.

Изменение частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря возможно при включении реостата R р3 последовательно в цепь якоря (рис. 1.31). Реостат R р3 увеличивает сопротивление цепи якоря, что ведет к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. (В (1.11) вместо R я надо подставить R я + R р3 .) Механические характеристики при этом способе регулирования представлены на рис. 1.32, кривые 6, 7. Подобное регулирование используется сравнительно редко из-за больших потерь в регулировочном реостате.

Наконец, регулирование частоты вращения изменением напряжения сети, как и в двигателях параллельного возбуждения, возможно только в сторону уменьшения частоты вращения при питании двигателя от отдельного генератора или управляемого выпрямителя. Механическая характеристика при этом способе регулирования изображена на рис. 1.32, кривая 8. При наличии двух двигателей, работающих на общую нагрузку, они с параллельного соединения могут переключаться на последовательное, напряжение U на каждом двигателе при этом уменьшается вдвое, соответственно уменьшается и частота вращения.

Тормозные режимы двигателя последовательного возбуждения. Режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в двигателе последовательного возбуждения невозможен, так как получить частоту вращения n>n x не представляется возможным (n х = ).

Режим торможения противовключением можно получить, так же как в двигателе параллельного возбуждения, путем переключения выводов обмотки якоря или обмотки возбуждения.