Министерство образования Российской Федерации
Ульяновский государственный технический университет
А.Л. Кислицын
МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО
ТОКА
Учебное пособие
по курсу «Электромеханика»
Ульяновск 2000
УДК 621.313(075)
ББК 31.261.63 я7
К44
Рецензенты: кандидат технических наук Петров В. М.;
кафедра электротехники и электротехнологических систем
Уральского государственного технического университета.
Утверждено редакционно-
издательским советом уни-
верситета в качестве учебно-
го пособия
Кислицын А. Л.
К44 Машины постоянного тока: Учебное пособие по курсу
«Электромеханика». - Ульяновск: УлГТУ, 2000.- 99 с.
ISBN 5-89146-145-5	—
Составлено в соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по
направлениям 55.13.00 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»
и 55.17.00 «Электроэнергетика» для студентов дневной и безотрывной форм
обучения. Пособие представляет собой краткий конспект основных разделов
учебных дисциплин «Электрические машины» н «Электромеханика», содержит
контрольные вопросы для самопроверки и примеры решения задач.
Предназначено для студентов электромеханических специальностей вуза и
может быть использовано при подготовке к лабораторным н практическим
занятиям и при самостоятельной работе.
УДК 621.313 (075)
ББК 31.261.63 я7
ISBN 5-89146-145-5
© А. Л. Кислицын, 2000
© Оформление, УлГТУ, 2000
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Взаимное преобразование механической и электрической энергии,
описываемое электромеханикой, создаёт основу научно-технического про-
гресса, определяющую развитие промышленности, транспорта, мощной
энергетики.
Промышленное освоение новых магнитных материалов, конструкци-
онных и изоляционных материалов, применение высокоинтенсивных сис-
тем охлаждения, оптимизация расчётно-конструкторских разработок по-
зволили заметно улучшить массогабаритные и энергетические показатели
традиционных электромеханических преобразователей - машин постоянно-
го тока.
Электромеханика активно расширяет свои границы за счёт интегра-
ции с электроникой („электромеханотроника”) и создания новых типов
электромеханических преобразователей - бесконтактных электрических
машин (вентильных машин), униполярных машин, коллекторных машин с
гладким якорем. Продолжаются работы над коллекторными машинами,
хотя они и не содержат заметных новых концепций. Следует отметить,
что коллекторные машины продолжают оставаться актуальными в ряде
отраслей промышленности. В обозримой перспективе они могут быть ис-
пользованы для нормальных условий работы в автоматизированном при-
воде и робототехнике.
Электромеханику нельзя воспринимать как совокупность традицион-
ных сведений о стандартных устройствах. Современный специалист дол-
жен ощущать перспективы развития электромеханики в ближайшей и
отдалённой перспективе, так как непрерывно совершенствуются методы
анализа и синтеза электромеханических устройств, разрабатываются их
обобщённые математические модели, развиваются САПР электромехани-
ческих систем на базе передовой вычислительной техники. В этой связи
представляется актуальной разработка ускоренных упрощенных алгорит-
мов и методик расчёта, которые позволяют быстро оценивать реализуе-
мость различных проектных вариантов и намечать области поиска наи-
более рациональных решений.
Вентильные двигатели всё более успешно конкурируют со своими
аналогами в широком диапазоне мощностей и частот вращения. Органи-
ческое объединение электромеханического звена и управляемого полу-
проводникового инвертора делает возможным уже сегодня создавать на
основе вентильных двигателей универсальные системы электропривода, в
том числе с прецизионным управлением, которые находят широкое при-
менение в станкостроении, на транспорте, в авиационно-космических сис-
4
Машины постоянного тока: учебное пособие
темах, судовой электротехнике, робототехнике, медицине и т. п. Для вен-
тильных машин энергетического назначения наиболее перспективным яв-
ляется конструкция с высококоэрцитивными магнитами на роторе, пара-
метры которых быстро улучшаются. Дальнейшее улучшение эксплуатаци-
онных характеристик коллекторных машин лежит не только в совершен-
ствовании технологии их изготовления и применении современных мате-
риалов, но и в более глубоком проникновении в существо процесса пре-
образовании энергии. Перспективным в этом плане является применение
так называемых демпфированных обмоток на якоре, обладающих повы-
шенной коммутирующей способностью. Значительный акцент при совер-
шенствовании коллекторных машин делается на улучшение параметров
контактных узлов. Особенно быстро совершенствуются щёточные контак-
ты на основе металловолокнистых и металлокерамических материалов.
В предлагаемом учебном пособии кратко изложены общие вопросы
машин постоянного тока, рассмотрены физические процессы, происходя-
щие в них при различных режимах работы. В учебном пособии несколь-
ко сокращены традиционные разделы теории машин постоянного тока,
имеющие второстепенное значение и подробно рассмотренные в много-
численных учебниках. Содержание учебного пособия в определённой ме-
ре отражает материалы курса лекций по электромеханике, который автор
в течение ряда лет читает в Ульяновском государственном техническом
университете.
В связи с тенденцией дальнейшего сокращения объёма аудиторных
занятий автор считает, что данное учебное пособие должно быть исполь-
зовано студентами при подготовке к лекционным и лабораторным заня-
тиям, при самостоятельной работе.
Автор приносит искреннюю благодарность студенту энергетического
факультета УлГТУ Храмову А. В. за большую помощь в подготовке это-
го учебного пособия, выразившуюся в подборе материалов, решении ти-
повых задач, отборе вопросов самоконтроля, а также техническом оформ-
лении.
Автор.
Машины постоянного тока: учебное пособие
5
Историческая справка
Начальный период развития электродвигателя (1821 - 1834 г г.) тесно
связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывно-
го преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 году
Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, по-
казал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг маг-
нита или вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фа-
радея является наглядной иллюстрацией принципиальной возможности
построения электродвигателя.
Возможность превращения
электрической энергии в механи-
ческую показывалась и во многих
других экспериментах. Так в 1824
году П. Барлоу было описано уст-
ройство, известное под названием
“колеса Барлоу” и являющееся
одним нз исторических памятни-
Рис. 1. Колесо Барлоу:
1 - деревянная подставка;
2,3 -желобки, наполненные ртутью;
4,5 -зажимы для подключения гальванической
батареи;
6,7-медные зубчатые колёса,
8 -ось
ков предыстории развития элек-
тродвигателя.
Колесо Барлоу представляло
собой два медных зубчатых коле-
са, сидящих на одной оси и со-
прикасающихся с ванночками, на-
полненными ртутью, которые на-
ходились между полюсами постоянных магнитов (рис. 1). При пропуска-
нии тока через колёса они начинали быстро вращаться.
Характерным для 1- го этапа
развития электродвигателя приме-
ром, отражающим иное конструк-
тивное направление, может слу-
жить прибор американского фи-
зика Дж. Генри (рис. 2), описан-
ный им в 1831 году.
Рис. 2. Двигатель Генри:
1,2 -постоянные магниты;
3,4 - электромагнит;
5,6 -гальванические элементы;
7-10 -чашечки со ртутью;
11 -14 - проводники
Под полюсами горизонтально
расположенного электромагнита,
способного совершать качагель-
ное движение, устанавливались
постоянные магниты. Изменение
полярности электромагнита осу-
ществлялось за счёт перемены направления тока в его обмотке, соеди-
нявшейся посредством проводников с гальваническими элементами (к
6
Машины постоянного тока: учебное пособие
электродам элементов припаяны чашечки со ртутью). Электродвигатель
Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка
использовать притяжение разноимённых и отталкивание одноимённых
полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае кача-
тельного). Мощность таких двигателей была очень небольшой: один из
таких двигателей, построенный в 1831 году, имел мощность 0,044 Вт и
не мог использоваться на практике.
Второй этап развития электродвигателей (1834- 1860 г г.) характе-
ризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явно-
полюсного якоря. Наиболее характерные и существенно важные работы
по конструкции электродвигателей такого рода принадлежат русскому
академику немецкого происхождения Б.С. Якоби. В 1834 году Якоби по-
строил и описал электродвигатель, который действовал на принципе при-
тяжения и отталкивания между электромагнитами. Этот двигатель имел
две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (4
электромагнита) располагалась на неподвижной раме, а другая аналогич-
ная - на вращающемся диске. В качестве источника питания электромаг-
нитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения по-
лярности электромагнитов использовался простейший коммутатор. Обмот-
ки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последова-
тельно, и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электро-
магнитов вращающегося диска были также соединены последовательно,
но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз
за один оборот вала, следовательно, изменялась их полярность, и они по-
очерёдно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной
рамы.
В 1837 году американский техник Т. Девенпорт также построил
электродвигатель с непосредственным вращением якоря. В этом двигате-
ле взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными по-
стоянными магнитами. Благодаря расположению в одной плоскости под-
вижных и неподвижных частей, электродвигатель Девенпорта был более
компактным.
Рассматриваемые электродвигатели действовали по принципу взаим-
ного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов. Вра-
щающий момент на валу был непостоянным, и, в связи с попеременным
притяжением и отталкиванием стержневых якорей, действие таких элек-
тродвигателей в системе электропривода представлялось малоперспектив-
ным.
В 40-х-60-х годах 19 в. некоторые из двигателей действовали на
принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся
при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посред-
ством балансира или кривошипно-шатунного механизма во вращательное
Машины постоянного тока: учебное пособие
7
движение вала, снабжённого для равномерности хода маховыми колёса-
ми. Таким являлся, например, двигатель Бурбуза, который напоминал ки-
нематические схемы паровых машин, в которых вращательное движение
вала создавалось посредством преобразования возвратно-поступательного
движения штока поршня. Или двигатель Фромана, работавший на прин-
ципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока
в обмотках которых изменялось коммутатором.
Третий этап в развитии электродвигателей связан с разработкой
конструкций электродвигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и
практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом
принципиально новом направлении был сделан в 1860 году студентом, а
впоследствии профессором Пизанского университета Антонио Пачинотти.
Электродвигатель Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной фор-
мы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь укреплялся
на вертикальном валу и имел зубцы, что уменьшало магнитное сопротив-
ление и облегчало крепление обмотки. На кольце между зубцами якоря
наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллек-
тора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам
коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабжён-
ных полюсными наконечниками, включалась последовательно с обмоткой
якоря, т. е., согласно современной терминологии, машина имела последо-
вательное возбуждение. Вращающий момент в электродвигателе Пачинот-
ти был практически постоянным, а его габариты были невелики по срав-
нению с размерами других двигателей равной мощности. Основное зна-
чение работы Пачинотти состоит в том, что им был сделан важный шаг
на пути создания современных машин постоянного тока: явнополюсный
якорь заменён неявнополюсным. К этому следует добавить еще удобную
схему возбуждения и, по существу, современного типа коллектор. Любо-
пытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения
своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности применения
принципа самовозбуждения, он рекомендовал при использовании машины
в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.
В 1863 году Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего
электродвигателя, но, несмотря на большой интерес с принципиальной
точки зрения, двигатель не получил распространения, так как по-
прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии.
Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т.
Граммом в конструкции электромашинного генератора.
В развитии электрического генератора постоянного тока можно вы-
делить 4 этапа.
Первый этап (1831 - 1851 г г.) характеризуется созданием электриче-
ских генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генера-
8
Машины постоянного тока: учебное пособие
торы получили название магнитоэлектрических машин. Первым генерато-
ром такого типа, получившим практическое применение, был магнито-
электрический генератор Б. С. Якоби. Занимаясь усовершенствованием ме-
тодов электрического взрывания мин, Якоби построил в 1842 году гене-
ратор, названный им магнитоэлектрической батареей. При вращении кату-
шек зубчатой передачей в поле постоянных магнитов в них наводилась
ЭДС; на валу имелось коммутирующее устройство в виде двух полуци-
линдров, представлявшее собой простейший двухпластинчатый коллектор.
Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд рус-
ской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.
Более мощным магнитоэлектрическим генератором был генератор ор-
ганизованной в Париже электропромышленной компании “Альянс”
(отсюда произошло и название новой машины). В генераторе “Альянс”
на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообраз-
ные постоянные магниты, расположенные по окружности вокруг вала. В
промежутках между рядами магнитов устанавливались на валу кольца с
большим числом катушек-якорей. На валу генератора укреплялся коллек-
тор, а в качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В
машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов
в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под дей-
ствием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с
валом машины. В генераторе “Альянс” можно было варьировать соеди-
нение обмоток катушек, в результате чего менялась ЭДС. Вследствие
этого генератор мог давать либо большой ток низкого напряжения и
служить, например, для целей гальванопластики, либо ток меньшей силы,
но более высокого напряжения (40 - 250 В) для питания дуговых ламп.
Генератор “Альянс” нагляднее, чем другие, меньшие по размерам маши-
ны, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим маши-
нам, а именно: несовершенство материалов и технологии производства
постоянных магнитов. Под действием реакции якоря, в результате естест-
венного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничива-
лись, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась, и его мощность сни-
жалась. Кроме того, принципиальным недостатком машин с явнополюс-
ными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.
Второй этап развития электрического генератора постоянного тока
занял сравнительно небольшой отрезок времени (1851 ~ 1867 г г.). Этот
этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с
независимым возбуждением, т. е. возбуждением электромагнитов от посто-
роннего источника, В качестве примера может быть указан генератор анг-
личанина Г. Уайльда (1863 г.). Этот генератор имел П-образный электро-
магнит, для питания которого был приспособлен возбудитель - небольшой
магнитоэлектрический генератор. Машина Уайльда подготовила конструк-
Машины постоянного тока: учебное пособие
9
торскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действи-
тельно, более естественным было питать обмотку возбуждения генератора
не током от отдельного источника, а током самой электрической машины,
соединив, например, последовательную обмотку возбуждения с обмоткой
якоря.
После 1867 года с открытием принципа самовозбуждения в разви-
тии электрических генераторов начался третий этап. Принцип самовозбу-
ждения получил широкую известность только после 1887 года, когда
почти одновременно в разных странах были построены генераторы с са-
мовозбуждением. Существенным недостатком таких генераторов являлась
весьма несовершенная конструкция якоря. Здесь использовался так назы-
ваемый двух-Т-образный якорь, имевший форму вала с продольными вы-
точками, в которые укладывалась обмотка. Этот якорь, являющийся раз-
новидностью явнополюсного якоря, не только ограничивал мощность ма-
шин, но и давал резко пульсирующий ток и в этом отношении ничем не
отличался от стержневого.
Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и бара-
банными якорями знаменует начало четвёртого этапа в развитии элек-
трических генераторов. Первый патент на самовозбуждающийся генератор
с кольцевым якорем был получен бывшим столяром фирмы “Альянс”
З.Т. Граммом в 1870 году. Он использовался для питания осветительных
установок и конструктивно представлял собой следующее: на станине бы-
ли укреплены электромагниты с полюсными наконечниками, между кото-
рыми вращался якорь; в специальных держателях были укреплены
щётки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором. Якорь
приводился во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения
включалась последовательно с обмоткой якоря.
По сравнению с якорем Пачинотти, Грамм сделал шаг назад, изгото-
вив свой якорь без зубцов, что, с одной стороны, усложнило крепление
обмотки, а с другой - увеличило потери в меди якоря. Но уже то, что
Грамм снабдил кольцевым якорем машину с самовозбуждением, явилось
громадным шагом вперёд. Одним из важнейших преимуществ кольцевого
якоря было то, что он позволял получать постоянный ток практически
неизменный по величине.
Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником элек-
трической энергии, позволявшим получать значительные мощности при
высоком КПД и сравнительно малых габаритах и весе. Очевидные пре-
имущества генератора Грамма способствовали тому, что он быстро вытес-
нил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале
70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо
известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так
и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии
10
Машины постоянного тока:учебное пособие
развития электрических машин - генераторов и двигателей - объедини-
лись. Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока со-
временного типа. Однако она нуждалась в усовершенствованиях, которые
и последовали в 70-х - 80-х годах прошлого века. Одно из наиболее су-
щественных улучшений, состоявшее в замене кольцевого якоря барабан-
ным, было осуществлено в 1873 году немецким электротехником Ф. Геф-
нер-Альтенеком. Основным недостатком кольцевого якоря являлось пло-
хое использование меди в его обмотке, так как части витков обмотки,
находившихся на внутренней поверхности кольца, не использовались. В
барабанном же якоре обе стороны каждой секции участвовали в созда-
нии ЭДС, а не работали только лобовые части обмотки. С 1878 года ба-
рабанный якорь стали делать зубчатым, что позволяло более надёжно
крепить обмотки и уменьшить воздушный зазор в машине. Борьба за
снижение потерь в теле якоря привела в 1880 году известного амери-
канского изобретателя Т. А. Эдисона к мысли изготовлять якорь шихто-
ванным, т. е. набранным из тонких стальных листов, оклеенных бумагой
(впоследствии оклейка стальных листов бумагой была заменена лакиров-
кой этих листов). В том же 1880 году для улучшения условий охлажде-
ния якоря американский изобретатель X. Максим предложил разделять
шихтованный якорь на пакеты; это давало возможность образовать в теле
якоря каналы для прохождения воздуха. Важным усовершенствованием
машины постоянного тока явилось введение в 1884 году компенсацион-
ной обмотки, а в 1885 году - дополнительных полюсов, с помощью кото-
рых удавалось компенсировать реакцию якоря и улу^
пи
ггь коммутацию.
Так в течение 70-х-80-х годов машина постоянного тока приобрела
все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствова-
ния не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов маши-
ны и были направлены на улучшение использования активных материа-
лов и усовершенствование изоляции, на повышение качества щёток и
пр.
Машины постоянного тока : учебное пособие
11
1. Назначение н устройство машин постоянного тока
Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвига-
телей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие ре-
гулировочные свойства, значительную перегрузочную способность, поэтому
их широко используют для привода различных механизмов в чёрной метал-
лургии - прокатные станы, кантователи, роликовые транспортёры, на транс-
порте - электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили, в грузоподъ-
ёмных и землеройных устройствах - краны, шахтные подъёмники, экскава-
торы, на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, тек-
стильной, полиграфической промышленности. Двигатели небольшой мощно-
сти применяют во многих системах автоматики.
Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для пи-
тания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвиж-
ных установках, а также как источники электроэнергии для заряда акку-
муляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для
электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях,
самолётах, электровозах и тепловозах.
Устройство. На рис. 1.1 показано устройство машины постоянного тока.
Она имеет две основные части: неподвижную ~ статор и вращающуюся -
якорь, разделённые воздушным зазором.
Статор состоит из стани-
ны /, внутренняя поверхность
которой служит для крепле-
ния главных полюсов 7 с ка-
тушкой обмотки возбуждения
8 и подшипниковых щитов 2.
Кроме того, станина служит
магнитопроводом, через кото-
рый замыкается основной
магнитный поток машины.
Якорь машины состоит
из сердечника 6, обмотки 10 и
Рис Л Л. Устройство машины постоянного тока ;
/-станина; ^-подшипниковый щит; 3- подшипник,
4 -коллектор, 5 - щётки, 6 - сердечник якоря,
7 - главный полюс; 8 - катушка обмотки возбуждения;
9 - вентилятор, 10 - обмотка якоря
коллектора 4. Сердечник вы-
полнен в виде цилиндра из
штампованных листов элек-
тротехнической стали толщи-
ной 0,35 или 0,5 мм. Листы
изолированы друг от друга лаковым покрытием и собраны в общий па-
кет, который насажен на вал якоря. Обмотка якоря из медного провода
круглого или прямоугольного сечения образует замкнутую систему про-
12
Машины постоянного тока'.учебное пособие
водников, уложенных на сердечнике якоря и присоединённых к коллек-
тору.
Коллектор 4 машины изготовлен из изолированных друг от друга
пластин холоднотянутой меди, к которым припаяны провода обмотки
якоря.
С помощью щёток 5 осуществляется снятие напряжения с якоря
или подача тока в якорь машины. Щётки в виде прямоугольных бру-
сков из графита крепятся в щёткодержателе и для бесперебойной рабо-
ты электрической машины должны иметь плотный контакт с коллекто-
ром.
2. Принцип действия машин постоянного тока
Машина постоянного тока имеет обмотку возбуждения, расположенную
на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный
ток 7в, который создаёт магнитное поле возбуждения Фв. На роторе распо-
ложена двухслойная обмотка, в которой при его вращении индуцируется
ЭДС.
Рис. 2.1. Электромагнитная схема двухполюс-
ной машины постоянного тока (а)и эквива-
лентная схема её обмотки якоря (6):
1 - обмотка возбуждения; 2- главные полюсы; 3~ якорь;
4- обмотка якоря; 5 - щётки; 6 - станина
При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуци-
руемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом нахо-
дится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним
полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от
частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление
ЭДС, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизон-
тальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая ней-
Машины постоянного тока: учебное пособие
13
траль), ЭДС всегда направлена в одну сторону, в проводниках, лежащих ниже
геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.
При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного по-
люса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом про-
воднике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, нахо-
дящихся под каждым полюсом, остаётся неизменным. При этом суммарная
ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также
неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта
ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включен-
ного между обмоткой и внешней цепью.
Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 2.1, б). При
отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС,
индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.
При подключении к щёткам сопротивления нагрузки RH через обмотку
якоря проходит постоянный ток 7а, направление которого определяется на-
правлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток 1а разветвляется и проходит по
двум параллельным ветвям (токи ia).
Если щётки, осуществляющие скользящий кон-
такт с обмоткой якоря, расположить на геометриче-
ской нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки
к щёткам прикладывается напряжение U, равное
ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмо-
ток, если же щётки смещать с нейтрали, то на-
пряжение будет уменьшаться. Продемонстрируем
это на примере: рассмотрим двухполюсную ма-
шину, обмотка которой состоит из восьми про-
водников (рис. 2.2).
Если щётки расположены на геометрической
нейтрали (рис. 2.2, положение а), то в каждой из
двух параллельных ветвей ЭДС проводников на-
правлены в одну сторону и напряжение равно
ЭДС каждой из половин обмоток (рис. 2.3, а). Ес-
ли щётки смещать с нейтрали, то ЭДС, индуци-
руемые в разных частях обмотки, будут взаимно
компенсировать друг друга, что и приведёт к уменьшению напряжения. И
когда щётки расположены точно под полюсами (рис. 2.2, положение б),
напряжение равно нулю, так как ЭДС разных частей обмоток полностью
компенсируют друг друга (рис. 2.3, б).
Рис. 2.2. Схема двухпо-
люсной машины с
восьмипроводниковой
обмоткой
14
Машины постоянного тока: учебное пособие
Для обеспечения надёжного токосъёма щётки скользят не по проводни-
кам обмотки якоря (как это было в начале развития электромашиностроения),
а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из
а)
Рис. 2.3. Схема направлений ЭДС в про-
водниках обмотки
медных пластин, изолированных
одна от другой. К каждой паре со-
седних коллекторных пластин
присоединяют часть обмотки яко-
ря, состоящую из одного или не-
скольких витков; эту часть назы-
вают секцией обмотки якоря.
Если машина работает в ге-
нераторном режиме, то коллектор
вместе со скользящими по его по-
верхности щётками является вы-
прямителем. В двигательном ре-
жиме, когда к якорю подводится
питание от источника постоянно-
го тока и он преобразует электри-
ческую энергию в механическую, коллектор со щётками можно рассматри-
вать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с об-
моткой, по проводникам которой проходит переменный ток.
Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока явля-
ется наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и
внешней электрической цепью.
3. Обмотки машин постоянного тока
Рассмотрение принципа действия и устройства коллекторных машин
постоянного тока дает возможность установить, что для работы машины
необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмот-
ки якоря. Первая служит для создания в машине магнитного поля, т. е.
для возбуждения, а посредством второй происходит преобразование энер-
гии. Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного
тока, в которых имеется лишь одна якорная обмотка, так как магнитное
поле возбуждения в этих машинах создаётся постоянными магнитами.
Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой
замкнутую систему проводников, определённым образом уложенных на
сердечнике якоря и присоединённых к коллектору. Обмотка якоря являет-
ся важнейшим элементом машины. Стоимость материалов, затрачиваемых
на изготовление обмотки и её укладку, составляет примерно половину от
Машины постоянного тока:учебное пособие
15
всей стоимости машины, а срок службы машины почти всегда определя-
ется сроком службы обмотки якоря, которая работает в тяжёлых услови-
ях и должна иметь необходимую электрическую, механическую и терми-
ческую прочность.
Элементом обмотки якоря является секция, которая содержит один
или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пласти-
нам. Секция состоит из активных сторон, заложенных в пазы сердечника
якоря, и лобовых частей, соединяющих эти стороны (рис. 3.2). При вра-
щении якоря в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС. Для того,
чтобы ЭДС, индуцированные в двух сторонах каждого витка, складыва-
лись, его стороны нужно располагать под полюсами противоположной
полярности. В этом случае в каждом витке индуцируется ЭДС, в два раза
большая, чем в одном проводнике. Следовательно, основной шаг обмотки
должен быть примерно равен полюсному делению т, представляющему
собой часть поверхности якоря, приходящуюся на один полюс
(3.1)
где т- полюсное деление;
D - диаметр якоря;
2р - число главных полюсов в машине.
Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя. При
этом, если одна из активных сторон секции находится в нижней части
одного паза, то её другая сторона находится в верхней части другого
паза. Верхняя сторона одной секции и нижняя сторона другой, уложен-
ные в одном пазу, образуют элементарный паз - Z3Jl (рис. 3.1). В реаль-
ном пазу может быть и более двух активных сторон, например четыре,
шесть, восемь и т. д. В этом случае реальный паз состоит из нескольких
элементарных пазов (рис. 3.1).
Обмотки барабанного якоря подразделяют ПпГ~ ППП
на две основные группы: петлевые	U LI U
(параллельные) и волновые (последовательные).	П	ППП
На рис. 3.2 представлены формы якорных ка-	U	_УЦУ.
тушек указанных обмоток. В машинах большой	н ! з i
мощности применяют также лягушачью (па- реальный пазы
раллельно-последовательную) обмотку, в кото-
рой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной ча-
стью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или не-
скольких последовательно включенных витков; концы секции присоеди-
няют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу кол-
лекторных пластин К. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое
количество витков.
16
Машины постоянного тока: учебное пособие
На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одно-
вигковыми. Шаг секции yt (его называют также основным или первым
частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюс-
ному делению г. При « т шаг называют диаметральным', при у1 <т-
укороченным', при у} > т -удлинённым.
Рнс. 3.2. Формы якорных катушек прн петлевой (и) н волно-
вой (6) обмотках (прн одновитковых секциях):
1,4- активные части; 2,5 - лобовые части; 3 - задняя головка;
6- концы секций, припаиваемые к коллектору
Простая петлевая обмотка» При простой петлевой обмотке каждая секция
присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При уклад-
ке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции со-
единяют с концом предыдущей секции, постепенно перемещаясь при
этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укла-
дываются все секции обмотки. В результате конец последней секции
оказывается соединённым с началом первой, т. е. обмотка замыкается. Для
выполнения обмотки необходимо знать её результирующий шаг у, первый
у{, второй у2 частичные шаги, а также шаг по коллектору ук.
На рис. 3.3 изображена часть простой петлевой обмотки, на которой
показаны шаги обмотки ~ расстояния между активными сторонами сек-
ций по якорю. Кратчайшее расстояние между активными сторонами од-
ной секции на поверхности якоря называется первым частичным шагом
обмотки по якорю и обозначается через .
Расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и
активной стороной верхнего слоя второй секции называют вторым час-
тичным шагом обмотки по якорю и обозначают через у2.
Знание шагов обмотки и у2 дает возможность определить резуль-
тирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой рас-
стояние между расположенными в одном слое активными сторонами
двух следующих друг за другом секций.
Из рис. 3.3, а следует, что
У=У\~"Уг*
Укладывая секции обмотки, мы как бы перемещаемся не только по
сердечнику якоря, но и по коллектору. Расстояние между двумя коллек-
Машины постоянного тока : учебное пособие
17
торными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной сек-
ции, называется шагом обмотки по коллектору и обозначается через ук.
Шаги обмотки по якорю обычно измеряются в числе пройденных сек-
ций, а шаг по коллектору - коллекторными делениями (пластинами). Так
как К = X то результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору ук равны.
Рис. 3.3. Шаги петлевой обмотки:
а-правоходовая обмотка, б-левоходовая обмотка
Обмотка, часть которой показана на рис. 3.3, а, называется правохо-
довой, так как укладка секций этой обмотки происходит слева направо
по якорю, в отличие от левоходовой (рис. 3.3, б), в которой укладка сек-
ций обмотки якоря идет справа налево.
Обмотку называют простой, если у - ук~ ± 7. В этой обмотке каждая
последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка
имеет форму петли (рис. 3.2, а), что обусловило название этой обмотки. При
этом знак «плюс» соответствует правоходовой обмотке, а знак «минус» -
левоходовой. Обычно при выполнении обмотки принимают ук=+1
(неперекрещённая обмотка), так как в этом случае несколько снижается рас-
ход обмоточного провода
В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой
полюсов, образуют две параллельные ветви. В каждую из параллельных вет-
вей входит = S/(2p) секций, поэтому число параллельных ветвей во всей
обмотке определяется выражением
2а =S/Se - 2р.	(3.2)
Условие 2а = 2р выражает основное свойство простой петлевой обмот-
ки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет об-
мотка. По этой причине простую петлевую обмотку часто называют парал-
лельной.
На рис. 3.4, а для примера изображена схема простой петлевой об-
мотки четырёхполюсной машины, а на рис. 3.4, б - её эквивалентная
схема, показывающая последовательность соединения отдельных секций
петлевой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви. Циф-
18
Машины постоянного тока: учебное пособие
рами 1,2,3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем
слое, а цифрами 1'2' З'ит. д. ~ лежащие в нижнем слое обмотки.
а)
—— £
2*-1f—Г-Ю
Рис.3.4. Принципиальная схема петлевой обмотки
четырёхполюсной машины (я) и её эквивалентная схема (б):
S = K12, ух ~ 3, у2-2, у-ук = 1
ЭДС Е, индуцированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки,
теоретически должны быть равны. Практически из-за технологических до-
пусков в величинах воздушного зазора под разными полюсами, дефектов ли-
тья в корпусе и других причин магнитные потоки отдельных полюсов не-
сколько различаются между собой, а поэтому в параллельных ветвях индуци-
руются неодинаковые ЭДС. Разница между ними составляет 3 - 5%, однако
вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря эта ЭДС оказывается
достаточной, для того чтобы по параллельным ветвям, даже при холостом
ходе, проходили довольно значительные уравнительные токи, которые загру-
жают щётки и способствуют возникновению искрения на коллекторе. Чтобы
уравнительные токи замыкались помимо щёток, в петлевых обмотках преду-
сматривают уравнительные соединения точек обмотки, имеющих теоретиче-
ски равные потенциалы. Обычно между собой соединяют коллекторные пла-
стины, к которым подключены равнопотенциальные точки обмотки. В четы-
рёхполюсной машине можно найти пару пластин, на которые одновре-
Машины постоянного тока : учебное пособие
19
Рис. 3.5. Схема распо-
ложения уравнитель-
ных соединений
менно набегают щётки, и соединить эту пару пластин уравнительными
проводами. Шаг уравнительных соединений определяется выражением
Уур = к/р,	(3.3)
следовательно, всего можно поставить К/p уравнительных соединений. На
рис. 3.5 показаны уравнительные соединения для обмотки, у которой
Уур^ 11. Нетрудно проследить, что в этом случае 1-я пластина соединя-
ется с 12-й, 2-я- с 13-й, 3-я- с 14-й. Аналогичным образом соединяются и
остальные пластины.
Практически же достаточно иметь одно-два
уравнительных соединения на каждую группу секций,
лежащих в одном пазу якоря, т. е. снабжать уравни-
телями половину или 1/3 коллекторных пластин.
Уравнительные соединения располагают обычно под
лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В
этом случае они находятся вне магнитного поля глав-
ных полюсов,и в них ЭДС не индуцируется.Прохо-
дящие по уравнительным соединениям токи, проте-
кая по параллельным ветвям обмотки якоря, создают
МДС, которые уменьшают неравенство магнитных
потоков отдельных полюсов.
Простая волновая обмотка. Простая волновая обмотка получается при
последовательном соединении секций, находящихся под разными парами
полюсов (рис. 3.6). Концы секций волновой обмотки присоединены к кол-
лекторным пластинам, удалённым друг от друга на расстояние шага об-
мотки по коллектору ук = у. За один обход по якорю укладывается
столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец по-
следней по обходу секции присоединяют к коллекторной пластине, рас-
положенной рядом с исходной. Результирующий шаг обмотки у = у j + у 2
(рис. 3.6), а частичные шаги (ух ~у2) приблизительно равны полюсному де-
лению г.
Простая волновая обмотка называется левоходовой, если конец по-
следней по обходу секции присоединяется к коллекторной пластине, рас-
положенной влево от исходной (рис. 3.6, а). Если же эта пластина распо-
ложена вправо от исходной, то обмотка называется правоходовой
(рис. 3.6, 6).
Так как шаг обмотки по коллектору ук охватывает пространство по
длине окружности коллектора, соответствующее одной паре полюсов, то,
сделав один обход по коллектору, мы как бы перемещаемся на число
коллекторных делений, равное укр,ъ переходим к пластине, расположен-
ной рядом с исходной. На основании сказанного можно записать
20
Машины постоянного тока: учебное пособие
откуда шаг обмотки по коллектору, а, следовательно, и результирующий
шаг по якорю равны, т. е.
(3.4)
Ук^У = —;
Р
Знак «минус» соответствует левоходовой обмотке, а «плюс» - правоходо-
вой.
Рис. 3.6. Схемы простой волновой обмотки:
а - левоходовая; б - правоходовая
Так как величина ук должна быть целым числом, то число коллектор-
ных пластин К не может быть произвольным. Предпочтительнее брать
К— 1
у к -----(левоходовая обмотка), так как выполнение правоходовой обмот-
Р
ки связано с дополнительным расходом меди из-за перекрещивания ло-
бовых частей секций, поэтому она почти не имеет практического приме-
нения. Якорная катушка в рассматриваемой обмотке имеет форму волны
(рис. 3.2, б), поэтому обмотку называют волновой. В якоре барабанного типа
направление ЭДС сохраняется неизменным во всех сторонах секций, распо-
ложенных в пределах одного полюсного деления, т. е. в S/(2p) сторонах сек-
ций. В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соеди-
няют последовательно 2р сторон секций, поэтому количество секций в каж-
дой параллельной ветви Se - pS/(2p) = S/2, а число параллельных ветвей об-
мотки
2а - S/Se - 2.	(3.5)
Машины постоянного тока: учебное пособие
21
Следовательно, число параллельных ветвей при простой волновой об-
мотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум, поэтому такую об-
мотку часто называют последовательной. Уравнительные соединения при
простой волновой обмотке не требуются, так как в каждую параллельную
ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В
результате неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства
ЭДС в параллельных ветвях.
Условия симметрии обмоток. Обмотка якоря называется симметричной,
если её параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими
свойствами, т. е. имеют одинаковые электрические сопротивления и в них
индуцируются одинаковые по величине ЭДС.
В несимметричной обмотке ток якоря в параллельных ветвях рас-
пределяется неравномерно, что влечёт за собой перегрузку одних ветвей
и недогрузку других. В результате возрастают электрические потери в
обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается. Обмотка ста-
новится симметричной лишь при соблюдении определённых условий, на-
зываемых условиями симметрии.
Эталоном симметрии можно выбрать двухполюсную машину с про-
стой петлевой обмоткой. Эта обмотка симметрична, если проводники об-
мотки равномерно распределены по поверхности якоря. Следовательно,
условие симметрии сводится к равномерному распределению пазов на
якоре и к тому, чтобы в каждом пазу лежало равное число проводников.
Практически это сводится к первому условию симметрии обмоток
S К
целое число,	(3.6)
где Z ~~ число пазов.
Следующее совершенно очевидное условие заключается в том, чтобы
каждая пара параллельных ветвей обмотки состояла из одинакового чис-
ла секций. Это условие может быть выполнено лишь в том случае, если
на каждую пару параллельных ветвей обмотки приходится целое число
секций
$
— = целое число.	(3.7)
а
Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия электри-
ческое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС стали бы
неодинаковыми. Это привело бы к неравномерному распределению тока
в параллельных ветвях со всеми нежелательными последствиями.
Далее необходимо, чтобы секции каждой пары параллельных ветвей
занимали на якоре одинаковое число пазов, т. е.
— = целое число.	(3.8)
а
22
Машины постоянного тока: учебное пособие
И наконец, согласно последнему условию симметрии, каждая пара
параллельных ветвей обмотки должна занимать одинаковое положение
относительно системы полюсов, что может быть соблюдено при условии
— = целое число.	(3.9)
а
Чем больше мощность машины, тем строже нужно соблюдать сим-
метрию обмотки. Например, в машинах мощностью до 10 кВ возможно
отступление даже от первого условия симметрии - равенства проводников
в пазах. И в одном-двух пазах укладывается „мёртвая” секция, служащая
только для заполнения объёма паза и не присоединённая к коллектору.
Тип симметричных обмоток выбирается в основном исходя из необхо-
димого числа параллельных ветвей: чем больше ток машины, тем больше
параллельных ветвей необходимо. Ток одной параллельной ветви по тех-
нологическим причинам стремятся ограничить значением 150 А, хотя в
отдельных случаях допускается и больший ток-до 300 А.
Области иримеиеиия простых иетлевых и волновых обмоток. Двухпо-
люсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой об-
моткой, так как при двух полюсах волновая обмотка превращается в петле-
вую. По мере увеличения мощности переходят к более компактным четырёх-
полюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные. Четы-
рёхполюсные машины небольшой и средней мощности часто имеют волно-
вую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений.
4.	Наведение ЭДС ири холостом ходе
При работе машины постоянного тока на холостом ходу ток в якоре
1а ~ 0 и магнитное поле в воздушном зазоре создаётся обмоткой возбужде-
ния. В машинах постоянного тока не стремятся к синусоидальному полю в
воздушном зазоре при холостом ходе, поэтому зазор под полюсным наконеч-
ником обычно делают равномерным, а ширину полюсного наконечника бе-
рут равной Ьр - (0,65 + 0,75) т. При этих условиях на холостом ходу поле
близко к трапецеидальному. Трапецеидальное поле можно при расчётах заме-
нить прямоугольным полем с индукцией Вс р. При переходе к индукции Вс р
поток на полюсном делении остаётся таким же, как и при трапецеидальном
поле
В'Р=Тё	(41)
а
где 1а -активная длина проводника обмотки якоря.
Машины постоянного тока: учебное пособие
23
Мгновенное значение ЭДС, ивдуцируемой в каждом активном
воднике, определяется по известной формуле
—
где В§ -индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора;
иа -окружная скорость якоря;
1а -длина проводника в магнитном поле.
Следовательно, суммарная ЭДС
N!(2a)	N!(2a)
1 1
где N/(2a) -число активных проводников,
входящих в одну параллель-
ную ветвь;
jV-общее число проводников об-
мотки якоря,
достаточно большом числе
пластин можно пренебречь
и считать, что
v д ~ п
^В8 2^Вс?
Тогда формулу для ЭДС можно
следующем виде
(4.3)
При
ных
ЭДС
коллектор-
пульсацией
(4.4)
записать в
про-
(4.2)
Рис.4 Л. Поле машины постоян-
ного тока при холостом ходе:
Ъ р - ширина полюсного наконечника,
В $ - индукция в воздушном зазоре;
Вс р~ среднее значение индукции
Е v°la2aBcp'
При вращении якоря его окружная скорость находится из выражения
(4.5)
и° 60 ’
где иа -окружная скорость вращающегося якоря,м/с;
п - частота вращения якоря, об/мин.
Длину окружности якоря тгЛ можно выразить следующим образом
яО = 2рт,
(4.6)
(4.7)
тогда
_ 2ртп
”а~ ~60~'
Следовательно,ЭДС может быть записана через частоту вращения
2ртп N , „
E~~60~lilaBcP-
Произведение 1а т есть площадь, которую пронизывает магнитный
одного полюса, поэтому
(4.8)
(4.9)
поток
24
Машины постоянного тока: учебное пособие
Ф=Вср1ат.	(4.10)
Учитывая это, формула для ЭДС принимает вид
£'=^«Ф = сеиФ,	(4.11)
60а	v
где се - -г-? - коэффициент, определяемый конструктивными параметрами
машины и не зависящий от режима её работы.
При определении Е можно рассматривать неподвижный якорь и вра-
щающиеся полюсы с обмоткой возбуждения. Естественно, Е при этом не
изменится. Можно определить Е при неподвижной обмотке якоря с учётом
того, что в воздушном зазоре вращается магнитное поле Ф.
5.	Магнитная цепь машины постоянного тока
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения машины постоянного
тока создаёт магнитный поток, который замыкается через участки маши-
ны, образующие её магнитную цепь. Участками магнитной цепи являются:
станина, сердечники полюсов (включая полюсные наконечники), сердечник
якоря и воздушный зазор между полюсными наконечниками и якорем. На
рис. 5.1 изображены магнитные системы машин постоянного тока с различ-
ным числом главных полюсов.
Рис. 5.1. Магнитные системы машин по-
стоянного тока:
а - двухполюсная,
б - четырёхполюсная;
в - шестиполюсная
Во всех случаях магнитная
система представляет собой раз-
ветвлённую симметричную цепь.
Магнитный поток каждого полюса
разделяется на две равные части и
направляется к двум соседним по-
люсам. Каждая часть потока про-
ходит последовательно по участ-
кам магнитной цепи машины, со-
ставляющим её расчётную часть.
На рис. 5.2 показана расчётная
часть магнитной цепи четырёх-
полюсной машины, где видны все
её участки, а именно: воздушный
зазор 3-4, зубцовый слой 4-5, сердечник якоря 5-6, сердечники полю-
сов 2 —3 и станина 7 -2.
Машины постоянного тока: учебное пособие
25
Величина магнитного потока прямо пропорциональна магнитодви-
жущей силе F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений
У г всех участков магнитной цепи
Ф=—.	(5.1)
Ъг
м
Величина основного (полезного) магнитного потока в зазоре, необходи-
мая для наведения в обмотке якоря требуемой ЭДС, определяется выраже-
нием
pN п
Величина магнитодвижущей силы, необходимая для создания в маг-
нитной цепи требуемого магнитного потока, определяется расчётом маг-
нитной цепи. Так как расчётная часть магнитной цепи машины состоит из
пяти участков, отличающихся как размерами, так и свойствами материа-
лов, из которых они изготовлены, то для каждого участка магнитной цепи
рассчитывают величину магнитодвижущей силы: F# (з,4) - воздушного за-
зора; Fz (4,5) - зубцового слоя; Fa (5,6) - сердечника якоря; Fm (2,3) - сердечни-
ков пары полюсов; Fs(i,2) - ярма (станины).
Сложив магнитные напряжения всех участков магнитной цепи, получают
величину магнитодвижущей силы обмотки возбуждения
Fo =	= Fs (3<4>+ Fi(4-5) + F»(5'6) + f*>(2'3> + Fs(W- (5.3)
Расчётная часть магнитной цепи
включает два полюса, поэтому рассчи-
тываемое значение магнитодвижущей
силы Fo представляет собой магнито-
движущую силу обмотки возбуждения
машины одной пары полюсов. Кроме
того, следует отметить, что расчёт маг- Рис. 5.2. Магнитная цепь машины по-
нятной цепи машины ведётся для режи-	стоянного тока
ма холостого хода, т. е. для работы машины без нагрузки. Поэтому магни-
тодвижущая сила Fq создаёт магнитный поток Ф, обеспечивающий наведе-
ние в обмотке якоря заданной ЭДС Е лишь в режиме холостого хода.
Для получения в машине заданной ЭДС при нагрузке потребуется не-
сколько большая магнитодвижущая сила.
Магнитодвижущая сила воздушного зазора определяется по формуле
В
Fs = 2—8-кя,
5 8
(5.4)
26
Машины постоянного тока: учебное пособие
где В$ -максимальная магнитная индукция в зазоре машины;
5-величина зазора;
к$ ~ коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопро-
тивления зазора вследствие зубчатости поверхности якоря > 7);
//о - магнитная проницаемость воздуха
и - 4 я! О ~7Гн/м.
Магнитодвижущая сила остальных участков цепи, выполненных из стали,
определяется по формуле
^Х = ЯХ/Х,	(5.5)
где Нх-напряжённость магнитного поля (она зависит от магнитной
индукции и определяется по кривым намагничивания);
/х-длина участка магнитной цепи.
Значение магнитной индукции в различных участках магнитной цепи
определяется по формуле
ВХ=ФХ/ВХ,	(5.6)
где Фх -магнитный поток на участке;
5Х-площадь поперечного сечения участка.
В соответствии с рис. 5.2 магнитодвижущая сила равна
В
Fq	+ 2HZ 1(43) + На1(5,б) +2Нт 1(23) + Hs 1(1,2).	(5.7)
Если полюсные наконечники имеют пазы для компенсационной об-
мотки, то к указанным пяти участкам магнитной цепи добавляют ещё
один ~ зубцовый слой полюсного наконечника.
Значения магнитодвижущих сил на разных участках цепи различны
и зависят от магнитного сопротивления этих участков.
Наибольшим магнитным сопротивлением обладает зазор. Поэтому
значительная часть результирующей магнитодвижущей силы Fo затрачива-
ется на преодоление магнитного сопротивления зазора. Что касается маг-
нитного сопротивления других участков магнитной цепи, выполненных из
стали, то их магнитное сопротивление зависит от степени магнитного
насыщения стали. В условиях наибольшего магнитного насыщения нахо-
дится зубцовый слой, поэтому его магнитное сопротивление больше, чем
других участков магнитной цепи, выполненных из стали.
Определив Fo, найдем ток возбуждения и число витков обмотки
возбуждения
F0 = /e^e,	(5.8)
где 7в-ток возбуждения;
шв- число витков обмотки возбуждения на один полюс.
Машины постоянного тока: учебное пособие
27
Выбор тока возбуждения и числа витков обмотки возбуждения зависит
от системы возбуждения и напряжения в контуре обмотки возбуждения.
Как известно, ферромагнитные материалы обладают свойством маг-
нитного насыщения. Поэтому зависимость между магнитным потоком
машины и магнитодвижущей силой нелинейна, т.е. поток увеличивается
не пропорционально росту магнитодвижущей силы обмотки возбуждения.
Это подтверждается графически выраженной зависимостью Ф =f(F), на-
зываемой характеристикой намагничивания
машины (рис. 5.3). В начальной части характе-
ристика прямолинейна. Объясняется это тем,
что при сравнительно небольших значениях
магнитного потока, когда магнитная цепь не
насыщена, магнитодвижущая сила возбуждения
определяется лишь величиной магнитодвижу-
щей силы зазора F$ , так как магнитное сопро-
тивление стальных элементов магнитной цепи
весьма незначительно. Магнитодвижущая сила
Fs пропорциональна магнитной индукции В $ ,
а, следовательно, пропорциональна магнитному
Рис. 5.3. Характеристика на-
магничивания
потоку. Поэтому касательная к кривой намагничивания, проходящая через
начало координат, представляет собой зависимость магнитного напряже-
ния зазора F$ от полезного магнитного потока Ф
При увеличении МДС возбуждения до значений, превышающих F',
наступает магнитное насыщение стальных элементов цепи и зависимость
&=f(F) становится нелинейной. Раньше чем на других участках проис-
ходит насыщение зубцового слоя якоря. Поэтому магнитодвижущая сила
Fz на этом участке с увеличением магнитного потока растёт интенсивнее,
чем на остальных участках цепи.
Если касательную к начальной части характеристики намагничива-
ния продолжить до горизонтальной прямой, проведённой через точку
^-=7 на оси ординат, то отрезок ас укажет на величину МДС возбуж-
в
дения Fo , а отрезок ab - на величину МДС зазора F$ . Отношение этих
МДС называется коэффициентом насыщения
=	(5.9)
я F. ab
о
По величине кц можно судить о степени насыщения магнитной це-
пи машины. Обычно машина работает при насыщенной магнитной систе-
ме, т. е. при кр > 1. Для машин нормального исполнения км = 1Д5 - 7,75.
28
Машины постоянного тока: учебное пособие
6.	Реакция якоря и круговой огонь
При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода ток
в обмотке якоря практически отсутствует, и в магнитной цепи машины
действует лишь одна магнитодвижущая сила обмотки возбуждения
Fo. Магнитное поле машины в этом случае является симметричным от-
носительно оси полюсов (рис. 6.1, а), а график распределения магнитной
индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к
трапецеидальной (рис. 6.1, б).
%
Рис. 6.1. Магнитное поле машины в режиме холостого хода :
а - магнитное поле машины; б - распределение индукции в зазоре
Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, кото-
рый создаст магнитодвижущую силу якоря Fa. Допустим, что МДС об-
мотки возбуждения равна нулю, и в машине действует лишь МДС яко-
ря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, пред-
ставленный на рис. 6.2, а.
Рис. 6.2. Магнитное поле реакции якоря (а) и распределение
индукции в зазоре (б)
Из рис. 6.2, а видно, что МДС якоря направлена по линии щёток (в
данном случае по геометрической нейтрали). Кроме того, следует обратить
внимание, что хотя якорь вращается, пространственное направление МДС
Машины постоянного тока: учебное пособие
29
обмотки якоря остаётся неизменным, так как зависит исключительно от
положения щёток.
Наибольшее значение МДС якоря имеет на линии щёток (кривая 1
на рис. 6.2, б), а по вертикальной оси полюсов эта МДС равна нулю.
Однако распределение магнитной индукции в зазоре от магнитного по-
тока якоря совпадает с распределением МДС лишь в пределах полюс-
ных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция
резко уменьшается (кривая 2 на рис. 6.2, б). Объясняется это увеличением
магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном пространстве.
Здесь нужно заметить, что распределение магнитной индукции в зазоре
зависит от направления вращения якоря. Если принять, что данному рас-
пределению магнитной индукции в зазоре соответствует направление вра-
щения, указанное на рисунке, то при вращении якоря в противоположную
сторону, согласно правилу правой руки, изменяется направление тока в
обмотке якоря, а,следовательно, и направление линий магнитной индукции.
В результате линии индукции будут входить в тот край полюса, из ко-
торого они выходили (на рисунке данное направление принято за поло-
жительное, т. е. выше горизонтальной оси) и выходить из того края по-
люса, в который они входили. Это приведёт к тому, что график магнит-
ной индукции в воздушном зазоре зеркально отразится относительно го-
ризонтальной оси.
Величина магнитодвижущей силы обмотки якоря Fa определяется
числом проводников в обмотке якоря на полюсном делении т и величи-
ной тока ia в этих проводниках
Г<’=5>'«Г’	(61)
ли
N
где -число проводников обмотки на единицу длины окружности якоря;
mJ
i = „я.
а 2а
- ток в проводниках обмотки якоря, равный току параллельной
ветви.
Обозначив	получим следующее выражение МДС якоря
(6.2)
Здесь А -линейная нагрузка якоря, представляющая собой часть магнито-
движущей силы якоря, приходящуюся на 1 см длины окружности якоря.
Значение линейной нагрузки может быть от 65 до 700 А/см, в зависимо-
сти от мощности машины.
Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока действуют
две магнитодвижущие силы: МДС возбуждения Fo и обмотки якоря Fa.
30
Машины постоянного тока: учебное пособие
Влияние магнитодвижущей силы обмотки якоря на магнитное поле
машины называется реакцией якоря.
Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его несим-
метричным относительно оси полюсов машины. Вследствие этого резуль-
тирующее поле оказывается смещённым к одному из краёв каждого главно-
го полюса. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачи-
вается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физиче-
ская нейтраль О - О '(линия, соединяющая точки окружности якоря, в кото-
рых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали
О- О на угол р (рис. 6.3, а). Чем больше нагрузка машины, тем сильнее
искажение результирующего поля, а, следовательно, тем больше угол
смещения физической нейтрали. При работе машины в режиме генера-
тора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а
при работе двигателем - против вращения якоря.
Рис. 6.3. Результирующее магнитное поле реакции якоря (а)
и распределение индукции в зазоре (б)
Искажение результирующего поля машины неблагоприятно сказыва-
ется на её рабочих свойствах:
во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической при-
водит к более тяжёлым условиям работы щёточного контакта и может
служить причиной искрообразования на коллекторе;
во-вторых, искажение результирующего поля машины влечёт за собой
перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре. На рис. 6.3, б
показан график распределения магнитной индукции результирующего по-
ля в воздушном зазоре, полученный совмещением кривых (рис. 6.1, б и
6.2, б). Из графика следует, что магнитная индукция в воздушном зазоре
машины распределяется несимметрично, резко увеличиваясь под теми
краями полюсов, где указанные кривые (показаны пунктирной линией)
располагаются по одну сторону относительно горизонтальной оси. В ре-
зультате мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в момент по-
Машины постоянного тока: учебное пособие
31
падания их активных сторон в зоны максимальных значений индукции
повышаются. Это приводит к росту напряжения между смежными кол-
лекторными пластинами. При значительных перегрузках прокладка между
ними может быть перекрыта электрической дугой, в результате чего ра-
бота электрической машины может быть нарушена. Таковы последствия
реакции якоря в машине с ненасыщенной магнитной системой.
Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у
большинства электрических машин, то подмагничивание одного края по-
люсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечни-
ка якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого
края и находящегося под ним зубцового слоя якоря.
Это благоприятно сказывается на распределении индукции в зазоре,
которое становится более равномерным, так как максимальное значение
ицдукции уменьшается на величину участка I (рис. 6.3, б). Однако вели-
чина результирующего потока при этом уменьшается. Другими словами,
реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагни-
чивает машину. В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у
генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий мо-
мент.
Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смеще-
нии щёток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе
со щётками смещается и вектор магнитодвижущей силы якоря (рис.6.4).
Рис. 6.4. Реакция якоря при щётках, сдвинутых с нейтрали:
а - по направлению вращения генератора;
б - против направления вращения генератора
При этом магнитодвижущая сила якоря Fa, помимо поперечной со-
ставляющей Facosft, приобретает ещё и продольнуюсоставляю-
щую/^ = направленную по оси полюсов.
Если машина работает в режиме генератора, то при смещении щё-
ток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря
ad действует встречно МДС возбуждения Fo, что ведёт к ослаблению
32
Машины постоянного тока: учебное пособие
основного магнитного потока машины; при смещении щёток против вра-
щения якоря продольная составляющая МДС якоря действует согла-
сованно с Fo э что ведёт к некоторому увеличению основного магнитно-
го потока машины.
Если же машина работает в режиме двигателя, то при смещении
щёток по направлению вращения якоря продольная составляющая МДС
якоря действует согласованно с МДС Fo, а при смещении щёток
против вращения якоря F^ действует встречно с МДС возбуждения Fo
и размагничивает машину.
Вместе с тем следует указать, что смещение щёток с геометрической
нейтрали сопровождается ослаблением искажающего влияния реакции
якоря. Дело в том, что при положении щёток на геометрической нейтра-
ли вся МДС якоря ^ является поперечной (Faq= Fa), а при смещении
щёток на угол Д относительно геометрической нейтрали поперечная со-
ставляющая МДС якоря уменьшается (F^^ Facosp).
Возникновение кругового огня на коллекторе. При эксплуатации маши-
ны постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или
множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым
огнём.
Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое
напряжение между смежными пластинами. При работе машины изоляцион-
ные промежутки между смежными коллекторными пластинами перекрыва-
ются угольной пылью и осколками щёток, которые могут замыкать между со-
бой пластины, образуя «мостики».
В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют
довольно большое активное сопротивление и индуктивность, мостики сгора-
ют при небольшом токе, и явление кругового огня протекает сравнительно
безвредно. В этом случае на коллекторе наблюдается небольшое искрение,
которое иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловле-
но повышенной разностью потенциалов между пластинами коллектора. При
большем токе происходит оплавление смежных пластин, при этом образуют-
ся кратеры диаметром 2-3 мм и на коллекторе наблюдаются так называемые
вспышки. Это явление более опасно, так как оплавленные края коллекторных
пластин вызывают быстрый износ щёток, а иногда их полное разрушение.
В машинах большой мощности, а также в машинах средней и малой
мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пла-
стинами круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на
коллекторе. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже
замыкает накоротко щёткодержатели разной полярности (перекрытие коллек-
тора). Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным
Машины постоянного тока: учебное пособие
33
световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это похоже на взрыв
бомбы). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вы-
зывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоля-
торы щёткодержателей и т. п., т. е. выводит машину из строя.
Очень часто круговой огонь возникает внезапно, что сильно затрудняло
изучение его природы. Довольно длительное время была распространена ги-
потеза, согласно которой первоначальной причиной возникновения кругового
огня является вытягивание дуги из-под щётки. Но она не подтвердилась прак-
тикой и экспериментами, при которых возникновение кругового огня наблю-
далось в генераторах, работающих в режиме холостого хода, без щёток, т. е. в
условиях, когда не может быть искрения под щётками. С помощью скорост-
ной киносъёмки было установлено, что в машинах большой мощности круго-
вой огонь развивается из единичной вспышки между смежными коллектор-
ными пластинами, возникающей в результате замыкания изоляции между
пластинами, вызванного угольной пылью, осколками щёток или медными за-
усенцами.
Превращение единичной вспышки в круговой огонь происходит в не-
сколько этапов. Сначала из-за наличия мостика между смежными пластинами
возникает первичная короткая дуга. Ток в дуге быстро увеличивается и про-
странство над коллектором ионизируется, т. е. заполняется раскалёнными
светящимися парами меди. По мере перемещения короткой дуги вместе с
коллектором, всё большее пространство становится ионизированным. В ре-
зультате дуга перекрывает несколько пластин, что ведёт к ещё большему воз-
растанию тока. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но
всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины.
Способы предотвращения кругового огня. Для уменьшения вероятно-
сти возникновения кругового огня необходимо снижать максимальное на-
пряжение между смежными коллекторными пластинами. В крупных ма-
шинах для этого используют обмотки якоря с одновитковыми секциями
(ci)c = /), снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами
до 15-18 В (при этом соответственно снижают активную длину якоря) и
принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря,
т. е. индукции Втах. Наиболее просто можно уменьшить Втах, увеличив
воздушный зазор, поэтому у машин постоянного тока обычно воздушный
зазор выполняют больше, чем в других машинах. Однако увеличение
воздушного зазора требует соответственно повышения МДС обмотки
возбуждения (для создания необходимого магнитного потока), что приво-
дит к увеличению размеров статора и всей машины.
Более выгодно применить воздушный зазор, минимальный под сере-
диной полюса и расширяющийся к краям, где возрастает МДС якоря.
При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увели-
чивается в меньшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной
34
Машины постоянного тока:учебное пособие
реакцией якоря. Следовательно, расширяющийся зазор требует меньшего по-
вышения МДС обмотки возбуждения, чем равномерный.
Рис. 6.5. Принципиальная схема (а) и схема расположения в машине (б)
компенсационной обмотки:
1 - главный полюс; 2 - обмотка возбуждения; 3 - компенсационная обмотка;
4 -добавочный полюс; 5- обмотка добавочного полюса; б - якорь
Ещё более кардинальной мерой является применение компенсацион-
ной обмотки (рис. 6.5), которая укладывается в пазы полюсных наконеч-
ников главных полюсов и включается последовательно с обмоткой якоря
таким образом, чтобы образуемая ею МДС FK была направлена встречно
МДС якоря Рщ и компенсировала её действие. При FK ~ F^ МДС якоря
практически не искажает магнитное поле в воздушном зазоре. Включение
компенсационной обмотки последовательно с обмоткой якоря обеспечи-
вает автоматичность компенсации МДС якоря при любой нагрузке маши-
ны. Однако компенсационная обмотка удорожает машину и существенно
усложняет её конструкцию. Поэтому компенсационную обмотку применяют
только в машинах большой мощности (начиная со 150 кВт), работающих
в тяжёлых условиях (частые пуски, толчки тока нагрузки, перегрузки по
току и т. п.). Компенсационную обмотку применяют также в тех случаях,
когда машина проектируется при жёстких габаритных ограничениях, так
как эта обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор, а,следовательно,
и размеры обмотки возбуждения.
7.	Коммутация в машинах постоянного тока
При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пла-
стины поочерёдно вступают в соприкосновение со щётками. При этом
переход щётки с одной пластины на другую сопровождается переключе-
нием секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и измене-
нием тока в этой секции. Процесс изменения тока в секциях при пере-
ключении их из одной параллельной ветви в другую называется комму-
Машины постоянного тока:учебное пособие
35
тацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммути-
рующей секцией, а время, в течение которого происходит процесс ком-
мутации, называется периодом коммутации Тк. Величина периода комму-
тации определяется отрезком времени, начиная с момента, когда коллек-
торная пластина вступает в соприкосновение со щёткой, и кончая мо-
ментом, когда пластина полностью выходит из соприкосновения с этой
щёткой
тк = (Ьщ/ь(7.1)
Ап
где АГ-число коллекторных пластин;
п - скорость вращения якоря;
Ьщ - ширина щётки;
Ьк - расстояние между серединами соседних коллекторных
пластин (коллекторное деление).
Рассмотрим процесс коммутации при условии, что щётки расположе-
ны на геометрической нейтрали и что в коммутирующей секции в тече-
ние всего периода коммутации не индуцируются электродвижущие силы.
Рис. 7.1. Изменение направления тока в
коммутирующей секции
Кроме того, ширину щётки примем равной коллекторному делению
(Ьи{ = Ьк)- В начальный момент коммутации (рис. 7.1, а) контактная по-
верхность щётки касается только пластины 1, а секция 1
(коммутирующая секция) относится к левой параллельной ветви обмотки
и ток в ней i = -%- . Затем пластина 1 постепенно сбегает со щётки и
на смену ей набегает пластина 2. В результате коммутирующая секция
36
Машины постоянного тока: учебное пособие
оказывается замкнутой щёткой и ток в ней постепенно уменьшается.
Объясняется это тем, что токи ц и i2 в пластинах 1 и 2 обратно про-
порциональны переходным сопротивлениям гщ (между щёткой и сбегаю-
щей пластиной 1} и гщ (между щёткой и набегающей пластиной 2)
2
i
_L = *• /»•
, г щ f г щ >
I 2	1
что же касается тока в коммутирующей секции /, то он равен разности
токов Л и /2.
По мере того как пластина 1 теряет контакт со щёткой, возрастает
величина ги. ,и поэтому уменьшается ток = /2 (/гщ).
1	2	1
Одновременно щётка переходит на пластину 2, при этом сопротивле-
ние уменьшается и ток i2 увеличивается : i2 ~ (гщ / гщ ). Когда же
*2	I 2
контактная поверхность щётки равномерно перекрывает обе коллектор-
ные пластины	(рис.7.1, б), ток в коммутирующей секции стано-
Ч *2
вится равным нулю, так как = /2 или ii - i2 = 0. В конце процесса ком-
мутации щётка полностью переходит на пластину 2 (рис. 7.1, в), а ток в
7
коммутирующей секции i вновь достигает величины Однако по на-
£
правлению этот ток противоположен току в начале коммутации, а сама
коммутирующая секция теперь оказалась в правой параллельной ветви
обмотки якоря.
Таким образом, за период коммутации ток в коммутирующей секции
изменяется от + i до - /, следовательно, процесс коммутации накладывает
определённые ограничения на пределы регулирования скорости машины,
так как ток должен успеть измениться за время перехода щётки с одной
пластины на другую. При изменении тока от + i до - i график измене-
ния представляет собой прямую линию (рис. 7.2, а). Такую коммутацию
называют прямолинейной^ или идеальной.
Прямолинейная коммутация является наиболее желательным видом
коммутации, так как она не вызывает в машине никаких вредных по-
следствий. Плотность тока под щёткой в течение всего периода коммута-
ции остается неизменной. Объясняется это тем, что при прямолинейной
коммутации величина тока в контакте «щётка - коллекторная пластина»
изменяется пропорционально изменению площади этого контакта.
Машины постоянного тока: учебное пособие
37
Однако в реальных условиях работы машин постоянного тока про-
цесс коммутации протекает значительно сложнее. Дело в том, что период
коммутации весьма мал и состав-
ляет приблизительно 10 -10 ~5с .
При таком быстром изменении
тока в коммутирующей секции
возникает значительная ЭДС са-
моиндукции
(7.2)
где Lc-индуктивность секции;
i - ток в коммутирующей
секции.
Кроме того, так как активные
стороны одновременно коммути-
рующих секций лежат в одних
пазах, то изменяющийся магнит-
ный поток каждой из этих сторон
наводит в других ЭДС взаимоин-
дукции
Рис. 7.2. Графики изменения тока в ком-
мутирующей секции.
а - прямолинейная;
б - замедленная;
в - ускоренная
ем=-Мс^, (7.3)
где Мс-взаимная индуктивность
одновременно коммути-
рующих секций.
Обе ЭДС создают в коммутирующей секции результирующую ЭДС
&р~	+	(7-4)
которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции н по-
этому называется реактивной. Кроме того, под влиянием реакции якоря
магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали)
приобретает некоторое значение Вк, под действием которой в коммути-
рующей секции наводится ЭДС внешнего поля
ек -Вк 21 а (ос иа ,	(7.5)
где 1а- длина активных сторон секции;
линейная скорость движения секции;
<ос - число витков в секции.
38
Машины постоянного тока: учебное пособие
Таким образом, в реальных условиях в коммутирующей секции наво-
дятся ЭДС
^е=ер^ек.	(7.6)
В случае, если машина не имеет добавочных полюсов, ЭДС ер и ек
направлены согласованно и создают в коммутирующей секции добавоч-
ный ток коммутации iK такого же направления, что и рабочий ток этой
секции в начальный период коммутации (рис. 7.1, а). Такое взаимодейст-
вие токов iK и i приводит к тому, что изменение тока в коммутирующей
секции задерживается. Замедляющее действие добавочного тока коммута-
ции объясняется тем, что этот ток создаётся, главным образом, реактив-
ной ЭДС, которая, как известно, своим действием препятствует изменению
тока в электрической цепи. Поэтому в момент равномерного перекрытия
щёткой пластин 1 и 2 ток в коммутирующей секции не достигает нуле-
вого значения, как это происходит при идеальной коммутации. Ток в
коммутирующей секции достигает нулевого значения во втором полупе-
риоде коммутации, т. е. коммутация становится криволинейной замедлен-
ной (рис. 7.2, б).
Если же машина имеет добавочные полюса, и их магнитодвижущая
сила более чем на 30% превышает магнитодвижущую силу сердечника
якоря Fa, то ек становится больше ер и в коммутирующей секции появ-
ляется добавочный ток коммутации /к, направленный противоположно
1
рабочему току секции i в начальный период коммутации (рис. 7.1, а).
Поэтому ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения
раньше момента равномерного перекрытия щёткой пластин 1 и 2. В
этом случае коммутация становится криволинейной ускоренной (рис. 7.2, в),
так как ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения за
Т
время, меньшее т. е. в первом полупериоде коммутации.
Сиособы улучшения коммутации. Основным средством улучшения
коммутации в современных машинах является применение добавочных
полюсов, с помощью которых в зоне коммутации создаётся магнитная ин-
дукция такой величины и знака, чтобы в коммутирующих секциях ин-
дуцировалась ЭДС внешнего поля ек, равная по величине и противопо-
ложно направленная реактивной ЭДС ер. В этом случае суммарная ЭДС
^е будет равна нулю и коммутация станет прямолинейной (идеальной).
Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами (рис. 7.3)
и создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией Вк,
Машины постоянного тока: учебное пособие
39
чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась
ЭДС ек--ер.
Обмотки добавочных полюсов соединяются последовательно с об-
моткой якоря, поэтому МДС обмоток добавочных полюсов следит за из-
менением тока в якоре в установившихся и переходных процессах. То
есть, если осуществить взаимную компенсацию ЭДС ек + е р= О для ка-
кого-то одного режима работы, то их компенсация автоматически обес-
печивается и при других режимах. Это обстоятельство обусловливает и
то, что воздушный зазор под добавочными полю-	j
сами увеличивают по сравнению с воздушным
зазором под главными полюсами, так как иначе [ /	\\
произойдёт насыщение добавочных полюсов, и I / J j \ \
автоматичность работы нарушится.	т tor~r
Полярность добавочных полюсов зависит от \\ ^4=^ //
направления вращения и режима работы маши-
ны. В генераторном режиме полярность доба-
вочного полюса должна быть такой же, как у	рис Расположение
следующего за ним по направлению вращения	добавочных полюсов и
главного полюса; в двигательном режиме - как у их полярность в зависи-
предшествующего ему по направлению вращения мости от режима
главного полюса (рис. 7.3). Все машины постоянно-
го тока мощностью выше 1 кВт для обеспечения удовлетворительной комму-
тации выпускаются с добавочными полюсами.
В машинах небольшой мощности скомпенсировать реактивную ЭДС
можно путём смещения щёток с геометрической нейтрали. Поперечная реак-
ция якоря искажает поле в машине, и в зоне коммутации на геометрической
нейтрали появляется поле. Если щётки оставить на геометрической нейтрали,
то ЭДС вращения, наводимая от этого поля, будет совпадать с ер и в машине
будет замедленная коммутация с неблагоприятными условиями, когда в ком-
мутирующей секции реактивная ЭДС и ЭДС вращения складываются.
Для того чтобы е р и ек вычитались, надо щётки сдвинуть за физиче-
скую нейтраль, где поле меняет свой знак. В генераторном режиме щётки
смещаются на одну-две коллекторные пластины по направлению вращения, а
в двигательном режиме - против направления вращения. Этот способ улуч-
шения коммутации имеет недостаток, связанный с тем, что ер компенсирует-
ся в одном режиме. Автоматической настройки при изменении нагрузки, ко-
торая есть в машинах с добавочными полюсами, при сдвиге щёток с ней-
трали нет.
40
Машины постоянного тока: учебное пособие
8.	Генераторы постоянного тока
Генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию,
подводимую к валу машины, в энергию постоянного тока.
Классификация. Свойства генераторов постоянного тока обусловлены в
основном способом питания их обмоток возбуждения. В зависимости от
этого различают следующие типы генераторов:
1)	с независимым возбуждением - обмотка возбуждения получает питание
от постороннего источника постоянного тока;
2)	с параллельным возбуждением - обмотка возбуждения подключена к
обмотке якоря параллельно нагрузке;
3)	с последовательным возбуждением - обмотка возбуждения включена
последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;
4)	со смешанным возбуждением - имеются две обмотки возбуждения: од-
на подключена параллельно нагрузке, а другая - последовательно с ней.
Рассматриваемые генераторы имеют одинаковое устройство и отли-
чаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Эксплуатационные свой-
ства генераторов определяются графически выраженными зависимостями,
называемыми характеристиками.
Так как генераторы обычно работают при неизменной скорости
вращения, то все характеристики строятся при условии п = const. Основ-
ными характеристиками генераторов являются следующие характеристики:
1. Характеристика холостого хода - зависимость напряжения на выходе
генератора в режиме холостого хода UQ от тока возбуждения 1в.
Uq ~ f(Ie) при 1Н = 0 и const.
2.	Нагрузочная характеристика - зависимость напряжения на выходе ге-
нератора U при работе с нагрузкой (1Н *0) от тока возбуждения Is.
£/ ~/(Ц) при IH = const и const.
3.	Внешняя характеристика - зависимость напряжения на выходе генера-
тора U от тока нагрузки 1Н.
U = f(IH) при Ц = const и const.
4.	Регулировочная характеристика - зависимость тока возбуждения 1в от
тока нагрузки 1Н при неизменном напряжении на выходе генератора.
Ц при U - const и const.
Генератор с независимым возбуждением. В генераторе этого
типа (рис.8.1) ток возбуждения 1в не зависит от тока якоря Iа, кото-
рый равен току нагрузки I н. Ток 1е определяется только положением ре-
гулировочного реостата Rp£, включенного в цепь обмотки возбуждения
Ie=Ue/(Re+RpjB),	(8.1)
где Ue - напряжение источника питания;
Re - сопротивление обмотки возбуждения;
Rpe - сопротивление регулировочного реостата.
Машины постоянного тока .‘учебное пособие
41
Обычно ток возбуждения невелик и составляет 7 - 3 % от
тока якоря.
Характеристика холостого хода. При холостом ходе
машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение Uo
на зажимах обмотки якоря равно ЭДС EQ. Частота вра-
щения якоря п поддерживается неизменной, и напряжение
при холостом ходе зависит только от магнитного потока
Ф, т. е. определяется током возбуждения 1в. Поэтому ха-
рактеристика UQ - f(Ie) подобна магнитной характери-
стике Ф -f(h) (рис. 8.2, а). Характеристику холостого хо-
да легко снять экспериментально.
Для этого сначала устанавливают ток возбуждения
таким, чтобы UQ примерно равнялось l}25UHOMy затем
уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличи-
вают его до прежнего значения. При этом получаются восходящая и нис-
ходящая ветви характеристики, которые выходят из одной точки. Расхож-
дение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе ма-
шины. При/в = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуци-
руется остаточная ЭДС Еос да, которая составляет 2-4% от ИНОм*
номинального
Рис. 8.1. Схема
генератора с
независимым
возбуждением
Рис. 8.2. Характеристики генератора с независимым возбуждением
Внешняя характеристика, (рис. 8.2, б). В режиме нагрузки напряжение
на выводах генератора меньше ЭДС
U=E-Ia^Ray	(8.2)
где сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последова-
тельно в цепь якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсацион-
ной обмотки).
С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:
1) из-за падения напряжения в сопротивлениях обмоток машины;
2)	из-за уменьшения ЭДС Е в результате размагничивающего действия
реакции якоря.
Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (её жёсткость) оценивает-
ся изменением напряжения при переходе от режима номинальной нагруз-
ки к режиму холостого хода
42
Машины постоянного тока:учебное пособие
SU=(U^UHOM)/U„OM.	(8.3)
Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5 -15%.
Регулировочная характеристика, (рис. 8.2, в). Она показывает, каким об-
разом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать посто-
янным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в
этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.
Рис. 8.3. Нагрузочная характеристика генератора с независимым
возбуждением и её построение с помощью характеристического
треугольника
Нагрузочная характеристика. Эта характеристика выражает зависимость
напряжения на выводах генератора от тока возбуждения при неизменных
токе нагрузки, например номинальном, и скорости вращения. При указан-
ных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС. Поэтому
нагрузочная характеристика при номинальном токе нагрузки 1Н ~ 1НОМ
(кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 7/ кото-
рую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характери-
стики при 1Н 0 (рис. 8.3, а). Разность ординат кривых 7 и 2 обусловлена
размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во
внутреннем сопротивлении £7? машины. Наглядное представление о
влиянии этих факторов дает характеристический, или реактивный, тре-
угольник АВС. Если к отрезку аА, равному в определённом масштабе на-
пряжению U, при некотором токе нагрузки 1Н и токе возбуждения 7е приба-
вить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения
la ^Ra в генераторе, то получим отрезок аВ, равный ЭДС: Е ~ U + la^Ra-
ЭДС генератора при нагрузке меньше, чем в режиме холостого хода
(£0 выше Е), что объясняется размагничивающим влиянием реакции яко-
ря. Если при нагрузке ЭДС Е индуцируется в обмотке якоря при некото-
ром токе /й, то в режиме холостого хода для создания этой ЭДС необ-
ходим ток возбуждения Гв <1в. Следовательно, отрезок ВС, равный разно-
сти токов возбуждения (7e-Z'e), представляет собой величину тока воз-
буждения, компенсирующего размагничивающее влияние реакции якоря.
При неизменном токе 7„ катет АВ, равный Ia^Ra ~Z„ £7?*,является по-
Машины постоянного тока: учебное пособие
43
стоянным; катет ВС зависит не только от тока , но и от степени насы-
щения магнитной системы, т. е. от тока возбуждения Ze. Однако в ряде
случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и принимают, что отре-
зок ВС пропорционален только току/н.
Такое допущение позволяет строить нагрузочные характеристики при
разных токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника АВС, Ес-
ли вершина С характеристического треугольника, построенного для неко-
торого тока 7*, расположена на характеристике 1 холостого хода (рис. 8.3, б),
а затем по этой характеристике перемещается треугольник АВС так, что
катет ВС остаётся параллельным оси абсцисс, то след точки А изображает
приближённо искомую нагрузочную характеристику 2 при заданном зна-
чении тока I*. Эта характеристика несколько отличается от реальной ха-
рактеристики 3 (она может быть снята опытным путём), так как величина
катета ВС характеристического треугольника изменяется из-за изменения
условий насыщения. Используя характеристику холостого хода с помощью
характеристического треугольника, можно построить и другие характери-
стики генератора: внешнюю и регулировочную.
Внешнюю характеристику (рис. 8.4, а) строят, исходя из характеристики
холостого хода 7. Построение производят в следующем порядке:
1)на оси ординат отмечают точку £>, соответствующую напряжению UHOM’,
2) через D проводят прямую AD, параллельную оси абсцисс и на ней распола-
гают вершину А характеристического треугольника, снятого при IH = 1Н ом;
3)	параллельно оси ординат располагают катет АВ, на кривой 1 находят
точку С;
4)	опустив перпендикуляр из вершины А на ось абсцисс, находят точку
Ак, соответствующую номинальному току возбуждения 1вном.
При построении искомой зависимости 2, т. е. напряжения U от тока
нагрузки 1Н	её точки можно легко определить:
1) номинальному току 1аном соответствует номинальное напряжение UHOM -
точка б;
2) току якоря 1а - 0- режим холостого хода - напряжение L/o, определяе-
мое по кривой 1 при токе возбуждения 1вном- точка а.
Другие точки (с, d ит. д.) можно построить, изменяя у характеристического
треугольника все стороны прямо пропорционально изменению тока яко-
ря. При этом вершины С', С",... должны находиться на кривой 7, а катеты
А'В*,А"В",.„ оставаться параллельными оси ординат.
Обычно при построении внешней характеристики проводят только
гипотенузы характеристических треугольников Л'С', Л "С	параллельные
АС до пересечения с характеристикой холостого хода и с линией ЛКВ.
Ординаты найденных точек Л', Л"... определяют искомые величины на-
пряжений при заданных токах нагрузки.
Если из точки Ак провести прямую, параллельную АС до пересече-
ния с характеристикой холостого хода в точке С к, то можно получить
44
Машины постоянного тока:учебное пособие
величину тока 1К - 1аномАкСк /АС, превышающую в 5 - 75 раз номиналь-
ный ток. Зная этот ток, можно рассчитать максимальный момент, механиче-
скую прочность вала и выбрать параметры аппаратуры защиты. Экспери-
ментальное определение данного тока затруднительно, так как в процессе
проведения опыта может возникнуть круговой огонь.
Рис. 8.4. Графики построения внешней (а) и регулировочной (б)
характеристик генератора с независимым возбуждением с по*
мощью характеристического треугольника
При построении регулировочной характеристики Iв = f(IH) (рис. 8.4, б)
сначала находят ток возбуждения 1вй, соответствующий номинальному
напряжению UHOM при холостом ходе. Затем определяют ток возбуждения
при номинальном токе нагрузки Для этогона прямой 2, параллель-
ной оси абсцисс и находящейся от неё на расстоянии UHOM, располагают
вершину А характеристического треугольника, снятого при 1Н = 1НОМ. Катет
АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна распола-
гаться на характеристике холостого хода 7. Абсцисса вершины А даёт ис-
комую величину тока возбуждения. Проводя прямые, параллельные гипо-
тенузе АС, получаем отрезки Л'С', Л "Сзаключённые между характе-
ристикой холостого хода 7 и прямой 2, соответствующей условию
U = UHOM- const. Эти отрезки представляют собой гипотенузы характери-
стических треугольников при различных токах нагрузки. Искомая регули-
ровочная характеристика 1в ~ f(IH) ~ кривая 3 - построена в нижнем ко-
ординатном углу. Значения тока возбуждения определяются абсциссами
точек Л, Л', Л".-., которым соответствуют токи нагрузки, пропорциональ-
ные длинам отрезков AC, А’С*, А”С",....
Основным недостатком генераторов независимого возбуждения явля-
ется необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока
- возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких
пределах от нуля до Umax путём изменения тока возбуждения, а также
Машины постоянного тока: учебное пособие
45
сравнительно жёсткая внешняя характеристика этого генератора являются
его достоинствами.
Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 8.5, а)
обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат парал-
лельно нагрузке. Следовательно, в данном случае используется принцип
самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание
непосредственно от обмотки якоря генератора. Принцип самовозбужде-
ния генераторов постоянного тока основан на том, что магнитная систе-
ма машины, будучи намагниченной, сохраняет небольшой магнитный по-
ток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фос т
(порядка 2 -3% от полного потока).
Рис. 8.5. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением
(а) и зависимости изменения ЭДС и падения напряжения ie в цепи
возбуждения при изменении тока возбуждения генератора (б).
При вращении якоря поток Фос т индуцирует в якорной обмотке
ЭДС Еос под действием которой в обмотке возбуждения возникает
небольшой ток ze. Если магнитодвижущая сила обмотки возбуждения
ie<oe имеет такое же направление, как и поток Фос т, то она увеличит
поток основных полюсов. Это, в свою очередь, вызовет увеличение ЭДС
генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продол-
жаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено
падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. когда ie = U^.
На рис. 8.5, б показаны характеристика холостого хода генератора
(кривая ОА) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения
=f(ie) (прямая ОВ). Точка пересечения С соответствует окончанию
процесса самовозбуждения, так как именно в ней ie ^R =	.
Угол наклона прямой ОВ можно определить следующим образом
z YR _
(84)
46
Машины постоянного тока:учебное пособие
Из выражения (8.4) следует, что угол наклона прямой ie^R ^f(ie)
к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбуждения.
Однако при некотором значении сопротивления реостата Rpe сопротив-
ление ^Re достигает величины, при которой зависимость iel^R^fOe)
становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого
хода (прямая OB'). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Со-
противление цепи возбуждения, при котором прекращается самовозбужде-
ние генератора, называется критическим ^R&Kp-
Следует ещё отметить, что самовозбуждение генератора возможно
лишь при скорости вращения, превышающей некоторое значение, назы-
ваемое критическим (пкр). Это условие вытекает из характеристики са-
мовозбуждения генератора (рис. 8.6), представляющей собой зависимость
напряжения в режиме холостого хода от скорости вращения при неиз-
менном сопротивлении цепи возбуждения
L/o ^f(n) при ^Re “ const.
Рис. 8.6. Характеристи-
ка самовозбуждения
Анализ характеристики самовозбуждения показы-
вает, что при малых скоростях вращения (п< пкр)
увеличение скорости вращения сопровождается
незначительным увеличением напряжения. Объясня-
ется это тем, что при п< пк р процесс самовозбу-
ждения ещё не наступил и появление напряжения
ий обусловлено лишь остаточным намагничивани-
ем магнитной цепи генератора. Процесс самовоз-
буждения начинается при п> пкр.В этом случае
увеличение скорости вращения сопровождается
резким ростом напряжения U().
Однако при скорости, близкой к номинальной, рост напряжения не-
сколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора.
Величина критической скорости вращения зависит от сопротивления це-
пи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.
Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока воз-
можно при соблюдении следующих условий:
1)	магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;
2)	присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы маг-
нитный поток этой обмотки совпадал по направлению с потоком ос-
таточного магнетизма Фос от;
3)	сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
4)	скорость вращения якоря должна быть больше критической.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис.
8.	7) менее жёсткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объяс-
няется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо
причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого
Машины постоянного тока:учебное пособие
47
возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), дейст-
вует ещё и третья причина - уменьшение тока возбуждения, вызванное
снижением напряжения от действия первых двух причин. Этим же объ-
ясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки
R„ ток 1„ увеличивается лишь до критического значения 1кр, а затем
при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток 1„ начинает
уменьшаться. Дело в том, что с увеличением тока 1Н усиливается размаг-
ничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока воз-
буждения), и машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором
даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое
уменьшение ЭДС машины. Так как величина тока определяется напряже-
нием на выводах генератора U и сопротивлением нагрузки R„
н
то при токах нагрузки 1„ <1К р> когда напряжение генератора уменьшает-
ся медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока
нагрузки. После того как IH ^IK р, дальнейшее уменьшение RH сопровожда-
ется уменьшением тока нагрузки, т. к. в этом случае U убывает быстрее,
чем уменьшается R„.
Особенно наглядно действие причин, уменьшающих напряжение гене-
ратора при увеличении тока нагрузки, видно из рис. 8.8, на котором пока-
зано построение внешней характеристики
по характеристике холостого хода и ха-
рактеристическому треугольнику.
Построение производится в такой же
последовательности, что и при построе-
нии внешней характеристики генератора
с независимым возбуждением. Однако
здесь имеются два существенных
отличия:
1) точка а в данном случае определяется
не по кривой 1 при токе возбуждения
7вноЛ/, а является ординатой точки пере-
сечения характеристики холостого хода
1 и прямой гв£Я
Рис. 8.7. Внешние характери-
стики генераторов с независи-
мым (2) и параллельным возбуж-
дением (/)
2)вершины А\ А", А'”., откладывают не на прямой, проходящей через
Цном параллельно оси ординат, а на прямой ie^Re=f(ie).
При установившемся коротком замыкании якоря ток1к генератора
с параллельным возбуждением сравнительно мал (рис. 8.7), так как в
этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно,
ток КЗ создаётся только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет
(0,4 - 0,8)1яом.
48
Машины постоянного тока .‘учебное пособие
Рис. 8.8. Графики построения внешней характеристики ге-
нератора с параллельным возбуждением с помощью ха-
рактеристического треугольника
Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с парал-
лельным возбуждением имеют такой же характер, как и у генератора с
независимым возбуждением.
Большинство генераторов постоянного тока, выпускаемых отечест-
венной промышленностью, имеют параллельное возбуждение. Для улуч-
шения внешней характеристики они обычно имеют небольшую последо-
вательную обмотку (один-три витка на полюс). При необходимости такие
генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением.
Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с последова-
тельным возбуждением (рис. 8.9, а) ток возбуждения Ц = 1а = поэтому
свойства этого генератора определяются лишь внешней характеристикой
(рис. 8.9, б, кривая /).
Рис. 8.9. Схема генератора с последовательным
возбуждением и его внешняя характеристика
Её можно построить по характеристике холостого хода (кривая 2) и реак-
тивному треугольнику АВС, стороны которого увеличиваются пропорцио-
нально току 1„. При токах, меныпих 1К с увеличением тока нагрузки воз-
растает магнитный поток Ф и ЭДС генератора Е, вследствие чего увеличи-
Машины постоянного тока: учебное пособие
49
вается и его напряжение U. Только при очень больших токах 1Н >1кр на-
пряжение U с возрастанием нагрузки уменьшается, так как в этом случае
магнитная система машины насыщается, и небольшое возрастание потока Ф
не может скомпенсировать увеличение падения напряжения на внутреннем
сопротивлении . Поскольку в генераторе с последовательным возбужде-
нием напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом
ходе оно близко к нулю, такие генераторы непригодны для питания боль-
шинства электрических потребителей, Их используют лишь при электри-
ческом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые
при этом переводятся в генераторный режим.
Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 8.10, а)
имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогатель-
ная (последовательная). Внешнюю характеристику генератора (рис. 8.10, б)
можно представить в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из об-
моток возбуждения (параллельной - кривая I и последовательной - кривая
2). Согласное включение двух обмоток позволяет получить приблизительно
постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки (кривая 3). Это
объясняется подмагничивающим действием МДС последовательной об-
мотки возбуждения, компенсирующей размагничивающее действие реак-
ции якоря и падение напряжения в цепи якоря.
Рис. 8.10. Схема генератора со смешанным возбуждением (а) и
его внешние характеристики (б)
Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя в
конце линии во всём диапазоне нагрузок оставалось практически неиз-
менным, то число витков последовательной обмотки увеличивают так,
чтобы МДС этой обмотки компенсировала ещё и падение напряжения в
проводах линии. При этом получается внешняя характеристика, при кото-
рой напряжение UHOM > Uo (кривая 4). Если последовательную обмотку
включить так, чтобы МДС была направлена против МДС параллельной об-
мотки (встречное включение), то напряжение генератора с ростом тока
50
Машины постоянного тока: учебное пособие
нагрузки резко уменьшается (кривая 5), что объясняется размагничиваю-
щим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой
направлена против МДС параллельной обмотки.
Генераторы смешанного возбуждения с согласным включением об-
моток возбуждения применяются для питания силовой нагрузки во всех
случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии, даже при рез-
ких изменениях тока нагрузки. Встречное включение обмоток применяется
лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных гене-
раторах, где необходимо получить круто падающую внешнюю характери-
стику.
9.	Электродвигатели ностояииого тока и иуск их в ход
Двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными
свойствами: изменение их частоты вращения достигается более простыми
средствами, чем в двигателях переменного тока. Поэтому двигатели по-
стоянного тока широко применяются в сложных системах электроприво-
да, где требуется регулирование скорости. Интенсивная автоматизация
промышленности и транспорта существенно увеличила потребность в
двигателях постоянного тока и темп роста их выпуска выше, чем в
среднем по электрическим машинам.
Классификация двигателей. Свойства двигателей постоянного тока как и
генераторов в основном определяются способом питания обмотки возбу-
ждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независи-
мым, последовательным и смешанным возбуждением. Схемы включения
двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов
только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения
тока при пуске.
Обратимость электрической машины. Машина постоянного тока с неза-
висимым или параллельным возбуждением, подключенная к сети с посто-
янным напряжением, может работать как в генераторном, так и в двига-
тельном режиме и переходить из одного режима работы в другой.
Согласно второму закону Кирхгофа уравнение для контура «обмотка
якоря - сеть»
Ia%Ra+U = E.	(9.1)
В процессе работы генератора постоянного тока в его якорной об-
мотке индуцируется ЭДС Е. При подключении к генератору нагрузки в
цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается на-
пряжение
U = E-IaXRa.	(9.2)
Машины постоянного тока: учебное пособие
51
В этом случае Е > U, и ток 1а совпадает по направлению с ЭДС Е\
машина работает в генераторном режиме (рис. 9.1, а). При этом электро-
магнитный момент М противоположен направлению вращения и, т. е. яв-
ляется тормозящим.
В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном по-
ле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС £, направление которой можно
определить по правилу «правой руки». По своей природе эта ЭДС ничем
не отличается от ЭДС, наводимой в якорной обмотке генератора. В дви-
гателе же она направлена против тока 1а и потому называется противо-
электродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря.
Для двигателя, работающего с постоянной скоростью вращения,
можно составить следующее уравнение
+	.	(9.3)
В этом случае Е <U, ток 1а направлен против ЭДС Е. В соответст-
вии с этим изменяет знак и электромагнитный момент М, т. е. он дейст-
вует по направлению вращения п: при этом машина работает в двига-
тельном режиме (рис. 9.1, б).
Из уравнения (9.3) следует, что подведённое к двигателю напряже-
нию уравновешивается противо-ЭДС якорной обмотки и падением на-
пряжения в цепи якоря. На основании (9.3) можно получить формулу
для определения тока якоря
г = и~Е
а~ •
Таким образом, генераторы с независимым
и параллельным возбуждением, подключенные
к сети с напряжением U, автоматически пере-
ходят в двигательный режим, если их ЭДС Е
меньше напряжения сети U. Эти двигатели ав-
томатически переходят в генераторный режим,
когда их ЭДС Е больше U. При работе машины
постоянного тока в двигательном режиме ЭДС
Е и вращающий момент М определяются по
формулам
Рис. 9.1. Схемы работы маши-
ны постоянного тока в гене-
раторном и двигательном ре-
жимах
Е = сеФп,
(9.5)
Л/ с^Ф1а,
(9-6)
но момент имеет противоположное направление по сравнению с генера-
торным режимом. Из формулы (9.5) и уравнения второго закона Кирхгофа
для двигательного режима можно получить формулу для определения час-
тоты вращения
52
Машины постоянного тока: учебное пособие
Е U-I £7?
п=— =-----«—«
сФ	сФ
е	е
(9.7)
Двигатель с параллельным возбуждением» В этом двигателе (рис. 9.2, а)
обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В
цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rpjs, а в цепь
якоря - пусковой реостат Rn. Реостат в цепи возбуждения служит для ре-
гулирования скорости вращения двигателя. Так, при увеличении сопротив-
ления реостата уменьшается ток в обмотке возбуждения 1в, а, следова-
тельно, уменьшается поток Ф, что вызывает увеличение скорости. При
уменьшении Rpe скорость вращения двигателя уменьшается. Физически
это объясняется тем, что уменьшение потока Ф вызывает уменьшение
противо-ЭДС, что, в свою очередь, ведёт к увеличению тока 1а (9.4).
Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент (9.6) и,
если при этом нагрузочный момент остаётся неизменным, то скорость
вращения двигателя увеличивается. В цепь обмотки возбуждения выключа-
тели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи по-
ток остаточного магнетизма Фос т индуцирует в якорной обмотке малень-
кую противо-ЭДС, что приводит к увеличению тока якоря до значений
опасных для двигателя. При небольшой нагрузке на валу скорость вращения
двигателя неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя,
т. е. механическому разрушению. Характерной особенностью двигателя па-
раллельного возбуждения является то, что его ток возбуждения Ц не зави-
сит от тока якоря 1а (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения,
по существу, независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим
действием реакции якоря, можно приближённо считать, что и поток двигате-
ля не зависит от нагрузки. При этом условии получаем, что зависимости
Л/ ~f(Ia) и п - f(Ia), называемые соответственно моментной и скоростной
характеристиками - линейные (рис. 9.2, б).
Механическая характеристика двигателя п =f(M) определяется урав-
нением
и	U M^Ra
СеФ СеФ СеФ СС Ф2
(9-8)
Если пренебречь реакцией якоря, можно принять Ф = const. Тогда меха-
ническая характеристика двигателя параллельного возбуждения представ-
ляет собой прямую линию,несколько наклонённую к оси абсцисс (рис. 9.3, а).
Угол наклона механической характеристики тем больше, чем больше
величина сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическая характе-
ристика двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи
якоря называется естественной (характеристика 7 на рис. 9.3, а). В этом
случае падение напряжения 7й£7?й в обмотках машины, включенных в
цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3 - 5% от U„0M. По-
Машины постоянного тока: учебное пособие
53
этому естественная характеристика жёсткая, т. е. скорость вращения не-
значительно изменяется с ростом нагрузки. При включении добавочного
реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего обра-
зуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих раз-
личным сопротивлениям реостата 7?и1, Rn2 и Rn3. Механические характери-
стики при включении дополнительного сопротивления в цепи якоря
Рис. 9.2. Схема двигателя с параллельным возбуж-
дением н его моментная и скоростная характеристики
Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими
характеристиками (рис. 9.3, б), под которыми понимают зависимость скоро-
сти вращения п, потребляемой мощности Р1, тока 1а « 1„ ,момента М и
КПД г] от мощности на валу двигателя Р2 при U = const и 1в - const.
Для анализа зависимости п =f(P2) обратимся к формуле
U-I XR
п = —£
с Ф
е
(9-9)
из которой видно, что при неизменном напряжении U на скорость вра-
щения влияют два фактора, падение напряжения в цепи якоря /й£#д и
поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки уменьшается числитель
; при этом вследствие реакции якоря также уменьшается зна-
менатель сеФ. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, не-
велико, и первый фактор влияет на скорость ращения сильнее, чем вто-
рой. В итоге скорость вращения двигателя с ростом нагрузки уменьшает-
ся. Если же реакция якоря в двигателе сопровождается более значитель-
ным ослаблением потока Ф, то скорость вращения с увеличением нагруз-
ки будет возрастать. Однако такая зависимость п ^f(P2) является неже-
лательной, так как она не обеспечивает устойчивой работы двигателя. По-
этому в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют
лёгкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбу-
ждения, которая называется стабилизирующей обмоткой. При включении
этой обмотки согласно с параллельной обмоткой возбуждения её МДС
54
Машины постоянного тока:учебное пособие
компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток
Ф во всём диапазоне нагрузок остаётся практически неизменным.
Зависимость	наоборот возрастает с ростом нагрузки. Это
объясняется тем, что в этом случае уменьшение скорости вращения вы-
зывает уменьшение противо-ЭДС (9.5), что в свою очередь вызывает
рост тока якоря (9.4). Естественно, что подобный же характер будут
иметь зависимости М-/(Р2),т&к как М=смФ1а и Px=f(P2), потому
Рис. 9.3. Механические и рабочие характеристики двигателя
с параллельным возбуждением
Зависимость r]=f(P2) имеет характер общий для всех электрических
машин. Такой её вид объясняется тем, что с увеличением нагрузки более
определённого значения рост электрических потерь начинает превышать
прирост полезной мощности. Более подробно об этом говорится в § 12.
Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к
источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигате-
лем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электриче-
ских приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генера-
тора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие ха-
рактеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характе-
ристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбу-
ждения 1в также не зависит от тока якоря 1а.
Двигатель с последовательным возбуждением, В этом двигателе (рис. 9.4,
а) ток возбуждения 1в -1а, поэтому магнитный поток Ф является некоторой
функцией тока якоря 1а. Характер этой функции изменяется в зависимости от
нагрузки двигателя. При небольших нагрузках магнитная система машины
ненасыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо
пропорциональна
Ф = кф1а.	(9.10)
В этом случае выражение электромагнитного момента можно записать
М =сикф1а1а=С1Ра.	(9.11)
Формула скорости вращения примет вид
Машины постоянного тока:учебное пособие
55
« ~ а а — а а
с kJ CI
е ф а	га
В этих выражениях к$ - коэффициент пропорциональности, С, и С2 - по-
(9.12)
Рис. 9.4. Схема двигателя с после-
довательным возбуждением и его
моментная и скоростная характе-
ристики
стоянные.
Таким образом, вращающий момент
двигателя при ненасыщенном состоянии
магнитной системы пропорционален квад-
рату тока, а скорость вращения обратно
пропорциональна току нагрузки. На рис.
9.4, б представлены моментная М = f(Ia)
и скоростная п = f(Ia) характеристики
двигателя последовательного возбужде-
ния. При больших нагрузках наступает
насыщение магнитной системы двигателя.
В этом случае магнитный поток при воз-
растании нагрузки практически не изме-
няется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный
характер. Скоростная характеристика двигателя последовательного возбу-
ждения показывает, что скорость вращения двигателя резко меняется при
изменениях нагрузки. Такую скоростную характеристику принято назы-
вать мягкой.
Механические характеристики п ~f(M) (рис.9.5,а) можно построить на
основании зависимостей п = f(la) и М = f(Ia)- При ненасыщенной магнит-
ной системе ток 1а из (9.11)
Ia = jMTCt,	(9.13)
и скорость вращения изменяется по закону
и-I %R U-I £R U-I %R
— а а  а а (j а а
сл 3	’
(9.14)
где С3-постоянная.
При насыщении магнитной системы зависимость п = f(M) становится
линейной.
Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями , Rn2 и
7?и3з кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство рео-
статных характеристик 2, 3 и 4, причём, чем больше Rn ,тем ниже распола-
гается характеристика.
Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждени-
ем приведены на рис. 9.5, б. Зависимости п -f(P2) и M-f(P2) являются
56
Машины постоянного тока: учебное пособие
нелинейными; зависимости Ia =f(P2)> Pi ^f(Pt) и *7 ^f(Pt) имеют пример-
но такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 9.5. Механические н рабочие характеристики
двигателя с последовательным возбуждением
Из рассмотрения рис. 9.5, а следует, что при уменьшении нагрузки двигате-
ля последовательного возбуждения скорость вращения резко увеличивает-
ся и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опас-
ных для двигателя значений (двигатель идёт в «разнос»). Поэтому такие
двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режи-
ме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспор-
тёры и пр.). Для более надёжной работы вал двигателя последовательного
возбуждения должен быть жёстко соединён с рабочим механизмом по-
средством муфты или зубчатой передачи. Применение ременной передачи
недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти
«разнос» двигателя.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным
возбуждением широко применяют в различных электрических приводах.
Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, про-
порциональный квадрату тока нагрузки, имеет особенно важное значение в
тяжёлых условиях пуска. Кроме того, они лучше переносят перегрузки.
Так, при заданной кратности перегрузки по моменту М/Мном= км ток
якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в км
раз./а/1амом = км, а в двигателе с последовательным возбуждением-
только в ^F раз: 7в//анол, = ^F".
Эти особенности двигателя с последовательным возбуждением явля-
ются одной из причин их широкого использования там, где имеется из-
менение нагрузочного момента в широких пределах и тяжёлые условия
пуска (грузоподъёмные и поворотные механизмы, тяговые двигатели на
транспорте, крановые двигатели в подъёмных устройствах и пр.).
Машины постоянного тока: учебное пособие
57
Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 9.6, а)
магнитный поток Ф создаётся в результате совместного действия двух
обмоток возбуждения - параллельной и последовательной. Поэтому его
механические характеристики (рис. 9.6, б, кривые 3 и 4) располагаются меж-
ду характеристиками двигателей с параллельным (прямая 7) и последова-
тельным (кривая 2) возбуждением. Скорость вращения этого двигателя оп-
ределяется выражением
U-I £7?
п=----2—2-
с (Ф + Ф )
е' 1 2Z
(9.15)
где Фх и Ф2 ~~ потоки соответственно параллельной и последовательной
обмоток возбуждения.
Знак «плюс» соответствует согласованному включению обмоток воз-
буждения (МДС складываются). В этом случае с увеличением нагрузки
общий магнитный поток увеличивается (за счёт потока последовательной
обмотки Ф2), что ведёт к уменьшению скорости вращения двигателя.
Рис. 9.6. Схема двигателя со смешанным возбуждением и
его механические характеристики
При встречном включении обмоток поток Ф2 при увеличении на-
грузки размагничивает машину (знак «минус»), что наоборот, увеличивает
скорость вращения. В зависимости от соотношения МДС параллельной и
последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить
характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике
1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2
(при малой МДС параллельной обмотки).
Двигатель смешанного возбуждения имеет ряд преимуществ по
сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель
может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки Фх ог-
раничивает скорость вращения двигателя в режиме холостого хода и
58
Машины постоянного тока: учебное пособие
устраняет опасность «разноса». Регулировка скорости вращения осуществ-
ляется реостатом Rpe в цепи параллельной обмотки возбуждения. Одна-
ко наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного воз-
буждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями предыду-
щих типов, что несколько ограничивает его применение.
Пуск двигателей в ход. Величина тока якоря двигателя определяется
формулой
(916)
а
Если принять U и У R неизменными, то ток 1„ зависит от величины
противо-ЭДС Е. Наибольшей величины ток 1а достигает при пуске дви-
гателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен
(я = 0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е= 0). Поэтому при непо-
средственном подключении двигателя к сети в его обмотке якоря
возникает пусковой ток
<917>
а
Обычно сопротивление У R невелико, поэтому величина пускового
тока достигает недопустимо больших значений, в 10-15 раз превышаю-
щих номинальный ток двигателя. Такой большой пусковой ток весьма
опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой
огонь, а, во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно
большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вра-
щающиеся части двигателя и может механически их разрушить. И нако-
нец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблаго-
приятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту
сеть.
Поэтому пуск в ход непосредственным подключением двигателя в
сеть применяется лишь для двигателей малой мощности (приблизительно
до 0,5 кВт). В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению об-
мотки якоря и небольшим вращающимся массам величина пускового то-
ка лишь в 3 ~5 раз превышает номинальный, что не представляет опас-
ности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то
при их пуске в ход для ограничения величины пускового тока приме-
няют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря. Этот
способ получил название реостатного пуска и находит наибольшее
применение. В начальный момент пуска при п-0 сопротивление реостата
делают наибольшим 7?йтах. В этом случае величина пускового тока
In~U/('£R+RniaB).	(9.18)
Машины постоянного тока:учебное пособие
59
Максимальное сопротивление пускового реостата Rn подбирается
так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пус-
ке /„ = (1,4 +1,8)1 ном,ъ для машин малой мощности /„ = (2 + 2,5)1 ном.
Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с парал-
лельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по рео-
статной характеристике 6 (рис. 9.7, а), соответствующей максимальному
значению сопротивления 7?nmax пускового реостата; при этом двигатель
развивает максимальный пусковой момент Mnmax. Регулировочный рео-
стат Rpje в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения 1в и по-
ток Ф были максимальными. По мере нарастания скорости якоря противо-
ЭДС увеличивается, а ток якоря 1а уменьшается. В соответствии с измене-
нием тока якоря изменяется и электромагнитный момент Л/. При дости-
жении некоторого значения Мп пйп часть сопротивления пускового реостата
выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Л/птах. При
этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и
разгоняется до значения Л/ппйп.
Рис. 9.7. Графики изменения частоты вращения и мо-
мента при реостатном пуске двигателя с параллельным
и последовательным возбуждением
Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового рео-
стата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных
характеристик б, 5, 4, 3 и 2 (жирные линии на рис. 9.7, а) до выхода на ес-
тественную характеристику 1. Сопротивление реостата следует уменьшать
так, чтобы в конце пуска оно было полностью выведено (7?„ - 0). В про-
тивном случае на нагрев реостата будет затрачиваться значительная энер-
гия, поступающая в двигатель из сети, и полезная мощность двигателя
будет намного снижена. Кроме того, длительный ток в сопротивлениях
реостата приведёт к их перегреву и даже перегоранию. Сопротивление
пускового реостата выбирается обычно так, чтобы пусковой ток превы-
шал номинальный не более чем в два-три раза. Средний вращающий
момент при пуске
60
Машины постоянного тока: учебное пособие
Мп ,с р 0*5 тах+min^ Const,	(9.19)
вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускоре-
нием.
Таким же способом пускается в ход двигатель с последовательным
возбуждением (рис. 9.7, б). Количество ступеней пускового реостата зави-
сит от жёсткости естественной характеристики и требований, предъяв-
ляемых к плавности пуска (допустимой разности Л/итах-Л/лпйп).
Для пуска в ход двигателей большой мощности применять пусковые
реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери
энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы в этом случае чрез-
мерно громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применя-
ют безреостатный пуск путём плавного повышения напряжения. Этот
способ позволяет устранить значительные потери энергии, присущие рео-
статному пуску. Однако для этого необходимо иметь отдельный источник
постоянного тока с регулируемым напряжением. В качестве такого источ-
ника может быть использован генератор независимого возбуждения, при-
водимый во вращение от какого-либо первичного двигателя, например
дизельного. Кроме этого, широкое развитие полупроводниковой техники
позволило применять для этих целей управляемые выпрямители, выпол-
ненные на тиристорах. Одновременно с выпрямлением напряжения сети
переменного тока они осуществляют регулирование выпрямленного на-
пряжения. Эти же источники используют также для регулирования часто-
ты вращения двигателя.
10.	Принципы регулирования частоты вращения двигателей
Способы регулирования частоты вращения. Частота вращения двигателя
постоянного тока определяется по формуле
U-I (%R +Я J
П = ---«—J1------= Пй — &п,	(10.1)
е
где я0 = и/сеФ-частота вращения при холостом ходе;
= CL^a + ^до^(сеФ) - снижение частоты, обусловленное суммарным
падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря
двигателя.
Следовательно, её можно регулировать тремя способами:
1)	включением добавочного реостата Rdo6 в цепь обмотки якоря;
2)	изменением магнитного потока Ф;
Машины постоянного тока:учебное пособие
61
3)	изменением питающего напряжения U.
Включение реостата в цепь якоря. При включении добавочного реоста-
та в цепь якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более
резко, чем при работе двигателя без реостата. Это справедливо как для
двигателя параллельного возбуждения, так и для двигателя последова-
тельного возбуждения. Особенно наглядно это видно, если сравнить есте-
ственные и искусственные характеристики на рис. 9.3, а и рис. 9.5, а.
Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать частоту
вращения (по сравнению с частотой при естественной характеристике).
Иногда существенным является то обстоятельство, что при включении в
цепь якоря значительного сопротивления характеристики двигателя стано-
вятся крутопадающими (мягкими), вследствие чего небольшие изменения
нагрузочного момента приводят к большим изменениям частоты враще-
ния. Данный способ регулирования скорости требует сравнительно про-
стого оборудования и поэтому часто применяется при пуске двигателя.
Изменение магнитного потока. Чтобы изменить магнитный поток, необ-
ходимо регулировать ток возбуждения двигателя. У двигателей парал-
лельного и смешанного возбуждения для изменения магнитного потока в
цепь обмотки параллельного возбуждения указанных двигателей включа-
ют регулировочный реостат (рис. 9.2, а и 9.6, а). Каждому сопротивлению
реостата соответствует определённый ток возбуждения, магнитный поток
и механическая характеристика, описываемая уравнением
U I	tj
u______а а _ u
С Ф С Ф С Ф
е	е	е
M^R
----nQ~ А Я
с с Ф2
е м
(Ю.2)
На рис. 10.1 показаны построенные по уравнению (10.2) зависимости
скоростей от магнитного потока п ~/(Ф) при различных, постоянных по
величине моментах двигателя. Как видно, если двигатель нагружен, то
при уменьшении магнитного потока, т. е. при меньших значениях тока
возбуждения, скорость сначала возрастает, а затем, достигнув максималь-
ного значения, уменьшается. При этом с увеличением нагрузки макси-
мальное значение скорости снижается. Регулирование скорости произво-
дится в области, где с уменьшением магнитного потока скорость возрас-
тает.
Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения
при различных магнитных потоках остаются прямолинейными (рис. 10.2).
Меньшим магнитным потокам соответствует большая скорость холостого
хода и при постоянном моменте статического сопротивления больший
перепад скорости. По мере снижения магнитного потока жёсткость меха-
нических характеристик несколько уменьшается.
62
Машины постоянного тока: учебное пособие
Из-за относительно большой индуктивности обмотки ток возбуждения и
магнитный поток при
Рис. 10.1. Зависимость
скорости двигателя от
магнитного потока
изменении сопротивления изменяются в течение
некоторого времени. Поэтому переход с одной
механической характеристики на другую при
регулировании скорости происходит при изме-
няющейся скорости в соответствии с так назы-
ваемыми динамическими характеристиками, одна
из которых ~ 3 показана штриховой линией на
рис. 10.2. Аналогичные рассуждения справедли-
вы и для мягких характеристик двигателя по-
следовательного возбуждения.
Динамическая характеристика может быть
построена в результате расчета переходного
процесса. Если установившиеся значения маг-
нитных потоков, соответствующие двум харак-
теристикам, отличаются значительно, то при пе-
реходе с одной характеристики на другую мо-
гут возникать недопустимо большой ток и момент двигателя. Более под-
робно переходной процесс при
Рис. 10.2. Механические характери-
стики двигателя при различных
магнитных потоках
ния. Для оценки этого способа
эффициенте регулирования
уменьшении магнитного потока в двига-
телях параллельного возбуждения рас-
смотрен в § 13 .
В двигателях последовательного
возбуждения изменить магнитный поток
можно тремя способами
1)	шунтированием обмотки возбуждения
реостатом RpjS ;
2)	секционированием обмотки возбужде-
ния;
3)	шунтированием обмотки якоря.
Включение реостата RpjS, шунти-
рующего обмотку возбуждения (рис.
10.3), а также уменьшение сопротивле-
ния этого реостата ведёт к уменьше-
нию тока возбуждения - Ia- IpjS , а,
следовательно, к росту частоты враще-
регулирования существует понятие о ко-
kpjs~ (Ipjs/1а)'Ю0%.
Обычно сопротивление реостата Rpje принимается таким, чтобы kpjS >50%.
При секционировании обмотки возбуждения происходит отключение
части витков. Это уменьшает суммарную индукцию катушки и в резуль-
тате приводит к уменьшению магнитного потока, что сопровождается
ростом частоты вращения.
Машины постоянного тока: учебное пособие
63
При шунтировании обмотки якоря реостатом увеличивается ток об-
мотки возбуждения, что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот
способ регулирования хотя и обеспечивает глубокую регулировку, явля-
ется очень неэкономичным и применяется весьма редко,
Изменение витающего напряжения на зажимах якоря.
Данный способ регулирования может быть применён
при питании двигателя от специального источника
электрической энергии с регулируемым напряжением. В
двигателе последовательного возбуждения для регули-
рования частоты вращения путём изменения питающего
напряжения в цепь его якоря включают регулировоч-
ный реостат. С увеличением сопротивления этого рео-
стата уменьшается напряжение на входе двигателя и
уменьшается его частота вращения. Этот метод регули-
рования применяется главным образом в двигателях
Рис. 10.3. Вклю-
чение регулиро-
вочного реостата
в двигателе с по-
следовательным
возбуждением
небольшой мощности. В случае значительной мощности
двигателя этот способ является неэкономичным из-за
больших потерь энергии в реостате.
Кроме того, реостат, рассчитываемый на рабочий
ток двигателя, получается громоздким и дорогостоя-
щим. При совместной работе нескольких однотипных
двигателей регулировка частоты вращения этим спосо-
бом осуществляется изменением схемы включения двигателей относи-
тельно друг друга. Так, при параллельном включении двигатели оказыва-
ются под полным напряжением сети, а при последовательном на каждый
из них приходится лишь часть напряжения сети. Такой способ регулиро-
вания применяется в электровозах, где устанавливается несколько одно-
типных тяговых двигателей.
Как видно из (10.2), при изменении питающего напряжения от Ux до
U2 пропорционально изменению напряжения изменяется только частота
вращения при холостом ходе
^02^01 ~ U2/Uх ,
а уменьшение частоты вращения, обусловленное воздействием нагрузки,
при Мм = const остается неизменным
&пх =Ап2 = const.
В связи с этим скоростные характеристики п ~ f(Ia) и механические
характеристики п = f(M) двигателя с параллельным возбуждением пред-
ставляют собой семейство параллельных прямых 7,2 и 3 (рис. 10.4, а).
Скоростные и механические характеристики двигателя с последова-
тельным возбуждением строят аналогично (рис. 10.4, б).
Регулирование частоты вращения двигателя путём изменения напря-
жения на зажимах якоря обычно ведут «вниз», т. е. уменьшают напряже-
ние и частоту вращения по сравнению с номинальными.
64
Машины постоянного тока: учебное пособие
Рис. 10.4. Скоростные и механические характеристи-
ки двигателей при регулировании частоты вращения
путём изменения напряжения на зажимах якоря
Изменение направления вращения. Чтобы изменить направление враще-
ния двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного мо-
мента М действующего на якорь. Как следует из формулы М - смФ1а,
это можно осуществить двумя способами: путём изменения направления
тока 1а в обмотке якоря или изменения направления магнитного потока
Ф, т. е. тока возбуждения. Для этого переключают провода, подводящие
ток к обмотке якоря или обмотке возбуждения.
11.	Работа двигателей в тормозных режимах
Виды электрического торможения. Электрические двигатели использу-
ются не только для приведения во вращение механизмов, но и для их
торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить ме-
ханизм или уменьшить его частоту вращения без применения механиче-
ских тормозов.
Различают три вида электрического торможения двигателей посто-
янного тока:
1)	рекуперативное торможение - генераторное торможение с отдачей элек-
трической энергии в сеть;
2)	динамическое или реостатное торможение - генераторное торможение с
гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке
якоря;
3)	электромагнитное торможение - торможение противовключением.
Во всех трёх указанных режимах электромагнитный момент М воздей-
ствует на якорь в направлении, противоположном п, т. е. является тор-
мозным. Рассмотрим более подробно эти режимы.
Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением
переходит в режим рекуперативного торможения, если его частота вра-
Машины постоянного тока: учебное пособие
65
щения становится больше значения и/(сеФ). При этом ЭДС Е начи-
нает превышать напряжение сети U. В этом случае ток якоря 1а изменяет
своё направление и машина переходит в генераторный режим. В этом ре-
жиме машина создаёт тормозной момент, а выработанная электрическая
энергия отдаётся в сеть и может быть полезно использована.
+М
Рис. ILL Схема и механические характеристики ма-
шины постоянного тока в двигательном и генератор-
ном режимах
В машине с параллельным возбуждением (рис. 11.1, а) механические
характеристики генераторного режима являются продолжением механиче-
ских характеристик двигательного режима в область отрицательных мо-
ментов (рис. 11.1, б). Поэтому переход из двигательного режима в генера-
торный может происходить автоматически, если под действием внешнего
момента якорь будет вращаться с частотой п > п 0. Можно перевести ма-
шину в генераторный режим и принудительно, если перевести её на рабо-
ту с характеристики 1 на характеристику 2, уменьшив путем увеличе-
ния магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения,
подводимого к двигателю.
Двигатель с последовательным возбуждением при его обычной схе-
ме включения работать в генераторном режиме с отдачей энергии в
сеть не может. Действительно, генераторный режим с отдачей энергии в
сеть может возникнуть, когда Е >U, что возможно, еслип > п0. Поскольку
у двигателя последовательного возбуждения nQ~ <х>, то работа двигателя
в генераторном режиме исключается. При необходимости рекуперативного
торможения схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая
двигатели в генераторы с независимым возбуждением.
Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически пере-
ходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллей-
бусах, трамваях и других устройствах с частыми остановками, где двига-
тель должен обладать мягкой механической характеристикой.
66
Машины постоянного тока:учебное пособие
Динамическое торможение. При этом виде торможения двигателя с па-
раллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присое-
диняют к ней реостат Rdo6 (рис. 11.2, а).
Рис. 11.2. Схема и механиче-
ские характеристики двигателя
с параллельным возбуждением
в режиме динамического тор-
можения
Ток якоря при динамическом торможении
меняет своё направление. При этом маши-
на работает в генераторном режиме и соз-
даёт тормозной момент, но выработанная
электрическая энергия бесполезно гасится
в реостате. Регулирование тока
^-E/(ZRa^Rdoe),
т. е. тормозного момента Л/, осуществляют
путём изменения сопротивления R#o6,
подключенного к обмотке якоря.
В процессе торможения по мере
уменьшения скорости постепенно умень-
шают Rdo6, чтобы поддержать средний ток якоря, а 7 следовательно, и
тормозной момент на заданном уровне (рис. 11.2, б). При очень больших
частотах вращения в режиме торможения приходится уменьшать ток
возбуждения, чтобы ЭДС машины Е не превзошла допустимого значения.
При п == 0 тормозной момент М равен нулю, следовательно, машина не
может быть заторможена в неподвижном состоянии.
Рис. 11.3. Схемы машины с после-
довательным возбуждением в ре-
жимах: двигательном (а) и динами-
ческого торможения (б)
При динамическом торможении двигате-
лей последовательного возбуждения не-
обходимо переключать обмотку возбуж-
дения (рис. 11.3, а, б). Это делается для
того, чтобы при изменении направления
тока в якоре (при переходе из двига-
тельного режима в генераторный) на-
правление тока в обмотке возбуждения
оставалось неизменным и создаваемая
этой обмоткой МДС совпадала по направ-
лению с МДС Foc т от остаточного маг-
нетизма якорной обмотки. В противном случае машина размагничивается.
На рис. 11.4 показаны зависимости ЭДС Е оттока якоря 1а при различ-
ных частотах вращения (пх >п2>п3>п4) ивольтамперные характеристики
6^7?^ У?	полного сопротивления, включенного в цепь якоря
(&доб1 >^доб2
Точки пересечения Ах, А 2 иА3 указанных зависимостей определяют зна-
ет Фп
чение тока якоря 1а - — е -—, т. е. частоту вращения п и сопротив-
S7? +л
а доб
Машины постоянного тока:учебное пособие
67
ление Rdo6, при которых машина работаете режиме динамического тор-
можения. Так, например, при подключении к машине реостата с сопротив-
лением Rdo6l тормозной режим при частоте вращения пх может быть
реализован (точка А г); при уменьшении же её до значения п2 он невоз-
можен, так как в этом случае вольтамперная характеристика сопротивле-
ния цепи якоря располагается по касательной к зависимости Е ~f(Ia), но
не пересекает её. В соответствии с рис. 11.4 можно заключить, что при
увеличении Rdo6 динамическое торможение оказывается возможным при
более высоких частотах вращения.
Рис. 11.4. Зависимости ЭДС от тока якоря для
двигателя с последовательным возбуждением в
режиме динамического торможения

Двигатель со смешанным возбуждением также может работать в
режиме динамического торможения.
Электромагнитное торможение. В этом режиме изменяют направление
электромагнитного момента М сохраняя неизменным направление тока из
сети, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и
при изменении направления вращения двигателя - путём переключения про-
водов, подводящих ток,к обмотке якоря (рис. 11.5, а) или к обмотке возбуж-
дения. Чтобы ограничить ток в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят
добавочное сопротивление R(>o6- Регулирование тока 1а -	~, т. е.
а доб
тормозного момента М, осуществляют путём изменения сопротивления Rdo6
или ЭДС Е (тока возбуждения 1в). Механические характеристики в этом
режиме для двигателей с параллельным и последовательным возбуждени-
ем показаны на рис. 11.5,бив.
С энергетической точки зрения электромагнитное торможение явля-
ется наиболее невыгодным, поскольку машина потребляет как механиче-
скую, так и электрическую энергию, которые гасятся в обмотке якоря и
во включенном в её цепь реостате. Однако при этом способе можно по-
лучать большие тормозные моменты при низких частотах вращения и
даже при 0, поскольку в этом случае ток Ia ~ U/(^Ra + R^e)-
68
Машины постоянного тока: учебное пособие
а)
Рис. 11.5. Схема и механические характеристики
двигателей в режиме электромагнитного торможения
Кроме рассмотренных тормозных режимов, также представляет инте-
рес так называемый режим противовключения, используемый для целей
регулирования скорости опускания грузов на кранах и других подъёмно-
транспортных машинах. Прежде чем приступить к рассмотрению данного
режима 7 необходимо принять во внимание некоторые сведения относи-
тельно поведения электропривода и, следовательно, производственного
механизма. Данное поведение при регулировании скорости и изменении
нагрузки зависит от сил или моментов, действующих в системе, а также
от моментов инерции и масс вращающихся и поступательно движущихся
частей электропривода и производственного механизма. В системе двига-
тель - производственный механизм в общем случае действуют два мо-
мента: момент, развиваемый двигателем, и момент статического сопротив-
ления. Момент статического сопротивления может быть вызван силами
трения, силой тяжести груза, действием ветра, различного рода деформа-
циями материалов и т. д., а также несколькими причинами одновремен-
но. Чтобы уравнение движения электропривода было универсальным, ско-
рость и моменты считают величинами алгебраическим и принимают для
них следующие условные положительные направления. За условное по-
ложительное направление скорости принимают её направление, соответст-
вующее подъёму грузов. За условное положительное направление момента
М двигателя принимают направление, совпадающее с условным положи-
тельным направлением скорости, а за условное положительное направле-
ние момента статического сопротивления Мс - противоположное направ-
ление. В простейшем случае двигатель соединяется с рабочим органом
производственного механизма без промежуточных передач. В этом случае
с учётом принятых выше условных положительных направлений можно
написать уравнение движения в виде
= (11.1)
Машины постоянного тока:учебное пособие
69
где Ми Мс- момент двигателя и момент статического сопротивления
в Н-м;
J- момент инерции частей, вращающихся со скоростью ф,
в кгм2;
ф- угловая скорость вращения двигателя в рад/с .
Выражение в правой части формулы представляет собой динамиче-
w	, Т d(o
ский момент Мдин = J* ~т~ , возникающий при всяком изменении скоро-
сти двигателя в связи с инерцией вращающихся частей двигателя и
приводимого им в действие механизма.
В практике чаще пользуются не угловой скоростью, а скоростью п,
выраженной в об/мин
2лп ли	1	ач
а ~бо^зо'	(1L2)
Учитывая это, получим
М-Мс=-^%.	(11.3)
at
Из
ческого
(11.3) следует, что если момент двигателя равен моменту стати-
dn
сопротивления, т. е. М Мс, то = О, и, следовательно, п = const.
В этом случае имеет место установившийся режим работы электропри-
вода, который характеризуется определённым постоянным значением мо-
мента и соответствующей ему скоростью. А теперь перейдём непосредст-
венно к рассмотрению режима противовключения.
Под режимом противовключения понимают режим, при котором двига-
тель, будучи включен в сеть, под действием постороннего момента или запа-
са кинетической энергии вращается в сторону, противоположную той, в ко-
торую он вращался бы при таком же включении в двигательном режиме.
Режим противовключения удобно пояснить на примере грузоподъёмного
механизма, где он может быть использован для опускания грузов.
Допустим, что в схеме двигателя параллельного, последовательного или
смешанного возбуждения (рис. 11.6) контакт К замкнут, двигатель работает
на естественной характеристике и с постоянной скоростью п при момен-
те М- Мс поднимает груз.
Если разомкнуть контакт К и включить в цепь якоря сопротивление г,
ток якоря и момент двигателя уменьшатся. Двигатель перейдёт при этом
на характеристику 7 и в первое мгновение при скорости п будет разви-
вать момент . Так как Мх <МС9 то, вследствие недостатка динамическо-
го момента, скорость подъёма груза начнёт уменьшаться. Это вызовет
70
Машины постоянного тока: учебное пособие
уменьшение противо-ЭДС и увеличение тока, следовательно, момент дви-
гателя будет увеличиваться.
Рис. 11.6. К пояснению режима противовключения
Как видно из рис. 11.6, при/? = 0момент двигателя Мг <МС. Поэтому
под действием момента Мс, вызванного силой тяжести груза, якорь
двигателя начнёт вращаться в противоположную сторону (п <0), а груз бу-
дет опускаться. Изменение направления скорости приведёт к изменению
направления индуцированной ЭДС, и следует считать Е<0. Из формулы
_ Ц-Е +	+ M	.....
а Y.R +r ZR +r ZR +r	k ' 7
а	а	а
видно, что при Е < 0 ток 1а не изменит своего направления, вследствие чего
не изменит направления и момент двигателя. Поскольку скорость и момент
направлены в разные стороны (п < 0, а Л/ > 0), двигатель работает в тор-
мозном режиме.
Данный режим является режимом противовключения, так как якорь
двигателя вращается в направлении, противоположном тому, в котором он
должен был бы вращаться при данном способе его включения в двига-
тельном режиме. С увеличением | п\ в режиме противовключения возрастает
|£], что приводит к увеличению тока якоря и момента двигателя. Устано-
вившийся режим наступит при скорости п (, при которой М- Мс. Скорост-
ные и механические характеристики (рис. 11.6) двигателей в режиме проти-
вовключения являются продолжением характеристик двигательного ре-
жима и располагаются в IV квадранте, где п < 0,1а > 0 и М> 0.
Изменяя величину сопротивления г, можно получать различные скоро-
сти опускания груза в режиме противовключения. Недостатком режима про-
тивовключения является то, что характеристики получаются слишком мягки-
ми,и скорость в сильной степени зависит от нагрузки двигателя. В частности,
если окажется, что Мс <Л/2, то груз будет подниматься. Так как в режиме
противовключения ток и ЭДС якоря совпадают по направлению (Е < 0, а
1а > 0), то двигатель работает, по существу, в качестве генератора и преобра-
Машины постоянного тока:учебное пособие
71
зует потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энер-
гию. Последняя, в свою очередь, преобразуется в тепло в сопротивлениях це-
пи якоря. В этих же сопротивлениях расходуется и энергия, потребляемая
цепью якоря из сети. Обычно торможение противовключением предшест-
вует изменению направления вращения двигателя (реверсированию).
12. Потери и КПД машин постоянного тока
В процессе работы электрической машины в ней происходит преоб-
разование одного вида энергии в другой. При этом часть энергии, посту-
пающей в машину, рассеивается в отдельных участках, превращаясь в те-
пло.
В электрической машине существует три вида потерь: магнитные
(потери в стали), электрические (потери в меди) и механические. Рас-
смотрим расчёт величины каждого вида потерь.
Магнитные потери вызываются перемагничиванием участков маг-
нитной цепи машины. Они складываются из потерь от гистерезиса и по-
терь от вихревых токов
Рс-Рг + Р^	(121)
Потери на гистерезис - потери на перемагничивание. Они связаны с
затратами энергии магнитного поля на ориентацию и переориентацию
хаотичных магнитных полей доменов - областей самопроизвольного на-
магничивания, которые есть в каждом магнитном материале.
Потери на вихревые токи связаны с активным сопротивлением ма-
териала магнитопровода и его формой. Их можно уменьшить, если маг-
нитопровод сделать неоднородным, т. е. ввести в его состав диэлектрик.
Поэтому магнитопровод, набираемый из листовых магнитных материалов,
содержит между листами лаковую плёнку или специальную прокладоч-
ную бумагу.
Величина магнитных потерь в значительной степени зависит от зна-
чений магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника яко-
ря, т. е. от скорости вращения и не зависит от нагрузки машины, поэто-
му при п = const их можно считать постоянными.
Электрические потери в машине обусловлены нагревом обмоток и
щёточного контакта. Потери в цепи параллельной обмотки возбуждения
Рэ.в=ив]в.	(12.2)
Здесь -напряжение на зажимах обмотки возбуждения.
Потери в обмотках цепи якоря
Рэ^Ра^а-	<12-3)
72
Машины постоянного тока: учебное пособие
Сопротивление обмоток в цепи якоря У/? в этой формуле нужно при-
водить к температуре 75<C по следующей формуле
Z* =YRa в[1+«<75*-е)],	(12.4)
а 75
где У R Л - сопротивление обмоток в цепи якоря при температуре
окружающей среды 0;
а - температурный коэффициент, для меди а = 0,004 1/град.
Электрические потери имеют место также и в контакте щёток
Рщ~ьищ1а.	(12.5)
Здесь Дпереходное падение напряжения на щётках;принимается по
таблицам в соответствии с маркой щёток.
Как видно из формул (12.3) и (12.5), величина электрических потерь в
цепи якоря и в щёточном контакте зависит от нагрузки машины, и по-
этому эти потери называют переменными.
Механические потери в машине Рмех складываются из потерь на
трение в подшипниках Рп, трение щёток о коллектор Р* и потерь на
вентиляцию Рв
Рмех- Р„+ Рх + Рв.	(12.6)
Все эти потери для данной машины зависят лишь от скорости вращения
якоря, потому при п - const их можно считать постоянными.
Сумма магнитных и механических потерь составляет потери холо-
стого хода
Р^Рс + Рмех-	(12.7)
Если машина работает в качестве двигателя в режиме холостого хода, то
электрическая мощность на входе машины
P^P*+UeIe,	(12.8)
откуда потери холостого хода
Р^Р»-ив1в.	(12.9)
Таким образом, потери холостого хода могут быть определены экспери-
ментально.
Кроме перечисленных потерь, в машинах постоянного тока имеется
ряд трудно учитываемых потерь, которые складываются из потерь от
вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях,
потерь в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при
нагрузке, потерь в полюсных наконечниках, обусловленных пульсацией
основного потока вследствие зубчатости якоря и др. Добавочные потери
Рд составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учёту
величину. Поэтому величину добавочных потерь принимают согласно
Машины постоянного тока: учебное пособие
73
существующей технической документации- В настоящее время в машинах
без компенсационной обмотки величину добавочных потерь принимают
равной 7% от полезной мощности генераторов или 7% от подводимой
мощности для двигателя. В машинах с компенсационной обмоткой вели-
чина добавочных потерь принимается равной 0,5%.
Если машина работает в качестве генератора, то выполняется равен-
ство
Р^Рэ*+Рс+РМеХ+Рд,	(12.10)
где Рх -подводимая механическая мощность;
РЭЯ1= Е1а - электромагнитная мощность, которая представляет собой
полную электрическую мощность, получаемую в результате преобразова-
ния механической мощности.
Если же машина работает в качестве двигателя, то имеет место сле-
дующее
Р2-Рэм-Рс-РМеХ-Рд>	(12.Н)
где Р2-полезная мощность или мощность на валу;
Рэу - Е1а - электромагнитная мощность, которая численно равна пол-
ной механической мощности двигателя.
Коэффициент полезного действия машины постоянного тока пред-
ставляет собой отношение полезной мощности Р2 к полной мощности Р,
7 = Рг/Р,.	(12.12)
Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь
У\Р=Ре+ Рмех + Рзя + Рза+ Рш+ Рд	(12.13)
V	Л» С «Я-	(J	Ч.	7
и учитывая, что Р2 = Рi~^P и Р^Р2 + можно определить КПД
машины по одной из следующих формул
P-ZP	УР
7=_1—— =/-^2	,	(12.14)
Г	Г
1 1
^р^р	(1215)
2
Формулой (12.14) удобно пользоваться при определении КПД двига-
теля, так как легко и достаточно точно можно определить подводимую к
нему электрическую мощность Рх UIa, измерив вольтметром и ампер-
метром напряжение и ток.
74
Машины постоянного тока:учебное пособие
Формулой (12.15) удобно пользоваться при определении КПД гене-
ратора, когда легко определить полезную, отдаваемую в сеть мощность
Р2.В обоих случаях нужно знать сумму потерь они подсчитыва-
ются или определяются экспериментально.
Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75 -0,92 для
машин мощностью 100 кВт и 0,93 -0,97 для машин мощностью свы-
Рис. 12.1. График зависимости
порциональных квадрату
ше 100 кВт. Указанные значения КПД со-
ответствуют номинальной нагрузке машины.
С изменением нагрузки машины изменяется
её КПД. Эта зависимость выражается гра-
фиком 7 = /Данном ) (рис. 12.1). В режиме
холостого хода КПД машины равен нулю,
так как Р2 = 0. При увеличении нагрузки
КПД сначала увеличивается быстро, а затем
медленнее; при нагрузке 0,75 - 0,85 от но-
минальной КПД достигает максимального
значения. Дальнейшее увеличение нагрузки
сопровождается уменьшением КПД, так как
при этом рост электрических потерь, про-
тока, начинает превышать прирост полезной
мощности.
Машины постоянного тока: учебное пособие
75
13. Переходные процессы в машинах постоянного тока
Под переходным процессом понимается процесс перехода от одного
установившегося режима к другому, например, от неподвижного состоя-
ния к работе с заданной скоростью, от работы с одной заданной скоро-
стью к работе с другой заданной скоростью и т. д.
В машинах постоянного тока наиболее наглядно можно представить
переходный процесс при самовозбуждении генератора параллельного воз-
буждения и переходный процесс в двигателе постоянного тока парал-
лельного возбуждения при уменьшении магнитного потока.
В генераторе с параллельным возбуждением для контура «якорь -
обмотка возбуждения» при условии, что реакция якоря и падение напря-
жения в якоре пренебрежимо малы, можно применить уравнение
die/dt,	(13.1)
где е - мгновенное значение ЭДС в обмотке якоря (переменная величина,
зависит от тока возбуждения);
/в-мгновенное значение тока возбуждения;
^Re - Re + Rp,e ~~ суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора
(сопротивлением^R# пренебрегаем из-за его малости по сравнению с £R#);
Le -суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.
Рис. 13.1. Принципиальная схема генератора с параллельным
возбуждением (а) и зависимости изменения ЭДС и падения
напряжения ie^Re в Цепи возбуждения при изменении
тока возбуждения генератора (б)
Все члены, входящие в (13.1), можно изобразить графически
(рис. 13.1, б). ЭДС е при некотором значении ie тока возбуждения можно
определить по характеристике ОА холостого хода генератора, а падение
напряжения ie У R - по вольтамперной характеристике ОВ его цепи воз-
76
Машины постоянного тока: учебное пособие
Суждения. Характеристика ОВ представляет собой прямую, проходящую
через начало координат под углом/к оси абсцисс; при этом =
Выразим производную die/dt
die/dt=(e-ie^R)/Le,
следовательно, если разность е-гвУЯ > 0, то производная die/dl> 0,и
происходит процесс увеличения тока возбуждения Нарастание тока и
магнитного потока показано на рис. 13.2, на котором изображена зависи-
L
мость = f(dTe). Здесь Тв - —~----постоянная времени цепи обмотки
ZRe
возбуждения. Из рисунка видно, что нарастание происходит по начально-
му участку экспоненты, а затем фиксируется на номинальном уровне.
Это обеспечивается путём уменьшения Тв. Наибольший эффект даёт
уменьшение числа витков обмотки возбуждения (в два-три раза) и уста-
новка в её цепь специального регулятора. Это даёт возможность потоку
и ЭДС генератора быстро нарастать, что требуется в машинах, приме-
няемых в системах автоматики и некоторых типах электропривода. В
противном случае ток будет возрастать непропорционально потоку, так
как на начальном участке кривой намагничивания даже небольшому из-
менению тока соответствует большое изменение магнитного потока.
Рис. 13.2. Кривые изменения магнитао-
го потока и тока возбуждения при
возбуждении генератора
Установившийся режим в цепи
обмотки возбуждения наблюдается
при die/dt - 0, т. е. в точке пересече-
ния С характеристики холостого хо-
да О А с прямой ОВ. В этом случае
машина работает с некоторым уста-
новившимся током возбуждения 7в0 и
ЭДС Eq ~ Uo. Физически установив-
шееся значение тока возбуждения
7во =	соответствует режиму,
при котором ЭДС уравновешивается
падением напряжения в активном
сопротивлении .
Таким образом, для самовозбу-
ждения генератора необходимо выполнение определённых условий:
1) процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в
начальный момент, когда ie = 0, ъ обмотке якоря наводится некоторая
начальная ЭДС. Такая ЭДС может быть создана потоком остаточного
магнетизма, поэтому для начала процесса самовозбуждения необходи-
мо, чтобы в генераторе имелся поток остаточного магнетизма, ко-
торый при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Еос т. Обыч-
но этот поток имеется в машине из-за наличия гистерезиса в её маг-
Машины постоянного тока: учебное пособие
77
нитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропус-
кая через обмотку возбуждения ток от постороннего источника;
2) при прохождении тока ie по обмотке возбуждения её МДС Fo долж-
на быть направлена согласно МДС остаточного магнетизма Focm .В
этом случае под действием разности	происходит процесс
нарастания тока /в, магнитного потока возбуждения Фв и ЭДС е. Если
указанные МДС направлены встречно, то МДС обмотки возбуждения
создаёт поток, направленный против потока остаточного магнетизма,
машина размагничивается, и процесс самовозбуждения не сможет на-
чаться;
3)положительная разность e-ie^R необходимая для возрастания тока
возбуждения ie от нуля до установившегося значения /во, может воз-
никать только в том случае, если в указанном диапазоне изменения то-
ка ie прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода
ОА. При увеличении сопротивления цепи возбуждения возрастает
угол наклона у прямой ОВ к оси тока 1в и при некотором критиче-
ском значении угла ук р (соответствующем критическому значению со-
противлениям/?^^ ) прямая ОВ'практически совпадает с прямолиней-
ной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ~ie М^в и
процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для
самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи
возбуждения было меньше критического значения.
Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что У R <^R	, то
в	вв К
в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При
случайном уменьшении тока Ze ниже установившегося значения /в0 или
увеличении его свыше /в0 возникает соответственно положительная или
отрицательная разность е - ie ^Rff > стремящаяся изменить ток ie так, что-
бы он стал снова равным /в0 . Однако при ^Re >^R&Kp устойчивость
режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора
увеличить сопротивление цепи возбуждения до значения, большего
/?’Т° его магнитная система размагничивается, и ЭДС уменьшается
до Еос т. Если генератор начал работать при ^R	, то он не
сможет самовозбудиться. Следовательно, условие ^Rff	ограничи-
вает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора
и его напряжения. Обычно можно уменьшать напряжение генератора,
увеличивая сопротивление У R , лишь до (0,6-0,7) UH ом.
При регулировании скорости путём изменения магнитного потока в
двигателях постоянного тока возникает переходный процесс, обусловли-
78
Машины постоянного тока : учебное пособие
ваемый нарушением равенства между моментом двигателя и статическим
моментом. Рассмотрим данный процесс более подробно.
Допустим, в двигателе параллельного возбуждения путём изменения
сопротивления в обмотке возбуждения магнитный поток был уменьшен
на 25%. Если за начальное значение потока, соответствующее предшест-
вующему режиму, принять значение Ф^,то новое значение потока будет
равно
= 0,75-
Очевидно, что с изменением магнитного потока изменится и элек-
тромагнитный момент М = смФ1а, но, чтобы оценить это изменение,
нужно ещё знать,как изменится ток якоря 1а.
Для оценки изменения тока якоря 1а воспользуемся методом относи-
тельных единиц.
Примем напряжение сети равным единице
Uc- U- 1.
Для крупных серийных машин постоянного тока можно принять, что
ЭДС Е, индуцируемая в якорной обмотке двигателя, будет равна
Е*0,9-ис=^9.
Тогда для ЭДС Е(у предшествующего режима и ЭДС Е} можно записать
Е(О) ” Сеп(о) &(0) ”
~ сеп(0) ~ се П(0)Ф(0) *
При этом мы допускаем, что скорость не изменилась с изменением маг-
нитного потока. Это связано со значительной инерционностью механиче-
ской системы.
Зная ЭДС E(Oj и Е}, можно найти соответствующие токи 1а^ и ZaI
J - U~E(0)- 1-0.9
а<°> £R T.R ’
а	а
Т _ и~Е1  1-0,75-0,9
01 YR £R '
а	а
Найдём отношение	оценив тем самым,как изменится ток с из-
менением магнитного потока
I
^О)
1-0,75-0,9
1-0,9 ~3’25-
Теперь, зная токи 1а(0) и
/а1, можно найти моменты
и Л/j и
оценить их соотношение
Машины постоянного тока: учебное пособие	79
^(0) ~ См&(0)^а(О)’
МI м^ai ~~ м
Ч _ 0,75-3,25 , ..
---------i---=2Л4.
М(О)
Итак, изменение магнитного потока на 25% повлекло за собой воз-
растание момента и тока якоря при неизменном значении скорости, т. е.
можно записать следующие равенства
Ли ~ 3,25 1а(о) ’	2>44 М(о) ; «I ~ п(0),
До начала переходного процесса момент предшествующего режима
равен статическому	двигатель работал в установившемся
режиме. Так как Мх >МС, начнётся переходный режим. Вследствие избы-
точного динамического момента двигатель будет разгоняться. В результа-
те увеличится значение противо-ЭДС
Е = сеФ*п,
и ток якоря будет уменьшаться
= и~Е
а X# ’
а
что, в свою очередь, вызовет уменьшение момента, так как момент про-
порционален току
М=сиФ-1а.
ЬЛл
Рис. 13.3. Графики зависимостей M(t), n(t)n Ia(t)
Для выяснения закона изменения скорости n(t) воспользуемся урав-
нением движения электропривода
80
Машины постоянного тока:учебное пособие
(132)
Так как в этом уравнении два неизвестных, нужно воспользоваться ме-
ханической характеристикой (рис. 13.4)
п = «о-ЬМ,
где b - коэффициент, определяющий угол наклона прямой.
Для двигателя параллельного возбуждения [1,122]
Рис. 13.4. Механическая ха-
рактеристика
I) — а боб
С сФ2
м е
Тогда выражения для моментов можно за-
писать
М = fn0 -n)/b; Мс = (п„-пс)/Ь.
Подставив данные выражения в (13.2), по-
лучим
Jb dn
«о n nQ+nc 955*dC
Th
Обозначим 7777^ Тм, тогда
У} dd
'Г ^П
nc—n = TM или
c Mdt
dn 1 M „
—-—l- —-— yj —
dt T
M
T~n
Af
Решим данное неоднородное линейное дифференциальное уравнение с
учётом начальных условий: t == 0, n(t) = п^.
п'+ у- Пс.	(13.3)
м м
к + у- = 0 -характеристическое уравнение
Af
к = -у~ - корень характеристического уравнения
Af
n(t)^Cxe-общее решение однородного уравнения
Машины постоянного тока: учебное пособие
81
Найдём частное решение неоднородного уравнения
~	k t
к ~ О, тогда п (t)=Ae -А- частное решение.
Тогда общее решение
n(t) = й (t)+ n*(t)= Ct е'"» + А.
Подставим его в исходное дифференциальное уравнение (13.3)
-+ -^С,е-*1’* + -±-А = пс,
м	м	мм
А = пс. И общее решение примет вид
n(t) - С1е~еТм + пс.
Воспользуемся начальными условиями дифференциального уравнения
п(О) = Сг + пс=п(о).
(7 j ~ п № — и с.
С учётом этого окончательный вид зависимости n(t) будет следующим
n(t) = пс+ (п(0)-пс)е~‘/Гм.
Таким образом, n(t) будет возрастать по экспоненте до значения пС9
причём зависимости Ia(t)n M(t) будут убывать также по экспоненте. Гра-
фики указанных зависимостей представлены на рис. 13.3.
82
Машины постоянного тока: учебное пособие
14. Бесконтактные двигатели постоянного тока
Для нормальной работы двигателя постоянного тока необходимо из-
менять направление тока в проводниках якорной обмотки при изменении
его положения относительно полюсов магнитного поля статора. Это пе-
реключение в обычных двигателях постоянного тока обеспечивается с
помощью коллектора. Однако наличие этого устройства, принципиально
необходимого для двигателей постоянного тока, вызывает появление у
этих двигателей некоторых нежелательных свойств.
В первую очередь к ним относится необходимость постоянного над-
зора и ухода за коллекторно-щёточным узлом, так как при эксплуатации
двигателя щётки истираются, а коллектор загрязняется и обгорает. Кроме
того, неизбежное искрение на коллекторе затрудняет применение двигате-
лей во взрывоопасных помещениях и средах.
Стремление устранить механический коллекторно-щёточный узел и
заменить его каким-либо бесконтактным устройством с теми же функ-
циями привело к появлению так называемых бесконтактных двигате-
лей постоянного тока (БДПТ). Эти двигатели имеют такие же характе-
ристики, как двигатели с обычным коллектором, но обладают более вы-
сокой надёжностью и простотой в эксплуатации, не создают при своей
работе дополнительного шума.
В настоящее время разработано несколько видов таких двигателей,
отличающихся друг от друга способом возбуждения, схемами включения
обмоток и типами электрических коммутирующих устройств.
Подробное описание всех типов бесконтактных двигателей постоян-
ного тока выполнить очень трудно, поэтому остановимся лишь на пояс-
нении основных принципов их действия, общих для всех двигателей.
Принцип действия БДПТ. Схема 14.1 иллюстрирует принцип работы
так называемого вентильного двигателя, у которого коммутация тока в
якорной обмотке осуществляется с помощью полупроводникового комму-
татора. К вентильным относятся также двигатели постоянного тока с вра-
щающимся выпрямителем, токоподвод к якорю которых происходит с
помощью скользящего щёточного контакта.
Рассмотрим работу БДПТ, в котором двигательная часть содержит
двухполюсный ротор с постоянными магнитами и трёхфазный якорь с
катушками АА\ ВВ', СС'. В качестве инвертора здесь используется инвер-
тор тока, обеспечивающий неизменное значение первичного тока Id бла-
годаря индуктивности Ld (рис. 14.1). Инвертор И собирается на управляе-
мых полупроводниковых элементах - тиристорах или транзисторах (для
БДПТ малой мощности). Управление инвертором в наиболее простом ва-
Машины постоянного тока: учебное пособие
83
рианге осуществляется системой управления СУ с помощью бесконтакт-
ных датчиков положения ротора ДПР. Датчик положения ротора пред-
ставляет собой встроенный в машину узел, состоящий из чувствительных
элементов, закреплённых на статоре, и сигнальных элементов, закреплён-
ных на роторе.
Для БДПТ разработано несколько типов датчиков положения ротора,
которые при своей работе обычно используют энергию магнитного или
электрического поля или лучевую энергию. Помимо ДПР в БДПТ могут
использоваться датчики, фиксирующие по-
ложение амплитуды полного магнитного по-
тока, длительность периода коммутации вен-
тилей, а также датчики, сигналы которых
пропорциональны напряжению и току дви-
гателя (датчики нагрузки).
Рассмотрим процесс действия вентиль-
ного БДПТ. Пусть в момент ц ротор и свя-
занный с ним поток возбуждения Фв за-
нимают положение, изображённое на рисунке,
а ДПР включают соответствующие полупро-
водниковые элементы фазы Л и протекаю-
щий в катушке АА' ток I , создаёт поток
ФА( tj, направленный под некоторым уг-
лом к потоку Фв. Благодаря магнитным си-
Рис. 14.1. Схема бесконтакт-
ного двигателя постоянного
тока
лам, ротор начнёт поворачиваться так, чтобы поток Фв совпал с пото-
ком ФА(ti). Это объясняется тем, что ротор с постоянными магнитами
представляет собой, по сути, магнитную стрелку. Согласно опыту
Эрстеда, магнитная стрелка, расположенная параллельно прямолинейному
проводнику, при пропускании по проводнику электрического тока пово-
рачивается и располагается перпендикулярно к нему. Когда оси потоков
Фе и ФА( tx) сблизятся, ДПР дают сигналы на переключение соответст-
вующих элементов инвертора, благодаря чему возникает ток /, в фазе
В, а ток I , исчезает. (Порядок индексов в обозначении тока соогветству-
дд
ет его направлению в проводниках катушек.) Поток якоря скачком пере-
водится в положение Фв( t2), что вызовет дальнейший поворот ротора
против часовой стрелки. При сближении осей потоков Фв иФв(t2) по
сигналу ДПР элементы инвертора опять переключаются, возникает ток
в катушке фазы С, фаза В отключается, создаётся очередное скачкооб-
разное перемещение потока якоря на 60° в положение Фс( что при-
водит к дальнейшему повороту ротора, затем создается ток 1^аи т. д.
84
Машины постоянного тока: учебное пособие
Обычно на роторе БДПТ имеются высокопроводящие контуры (демпфер-
ные обмотки, полюсные наконечники и др ), которые , согласно правилу
Ленца,стремятся ослабить изменение магнитного потока в роторе. Поэто-
му скачкообразные перемещения потока относительно ротора сглажива-
ются, и для БДПТ средней и большой мощности можно полагать, что поток
якоря вращается равномерно со средней скоростью ротора.
Способы регулирования частоты вращения БДПТ.
1	изменение напряжения питания. Вращение ротора приводит к наве-
дению в обмотках якоря ЭДС вращения, которая пропорциональна час-
тоте вращения ротора п и потоку. Форму кривой ЭДС вращения в
первом приближении можно считать синусоидальной. ЭДС вращения,
подобно ЭДС коллекторных двигателей, стремится скомпенсировать
приложенное к якорю напряжение. Ясно, что, чем больше подводимое к
двигателю напряжение, тем больше должна быть компенсирующая его
ЭДС, а,следовательно, и частота вращения ротора.
2	изменение значения Фв (например, с помощью тока возбуждения, если
в БДПТ имеются обмотки возбуждения). Если уменьшать Фв, сохраняя
неизменным напряжение питания, то для поддержания требуемой ЭДС
вращения двигатель ускорится до больших значений п.
3	изменение угла опережения включения катушек на статоре по
отношению к положению ротора. В этом случае увеличение частоты
вращения п вызывается тем, что переключение катушек происходит
прежде, чем ротор успеет повернуться перпендикулярно относительно
токоведущей катушки.
Таким образом, в БДПТ имеется вращающаяся МДС якоря и ротор с
магнитными полюсами, вращающийся с той же (синхронной) скоростью,
что и МДС якоря, и индуцирующий в якоре синусоидальную ЭДС вра-
щения. Это позволяет в дальнейшем анализировать БДПТ на базе теории
синхронных машин.
В то же время при определенных условиях БДПТ по происходящим
в них процессам близки к коллекторным двигателям постоянного тока.
Поэтому в ряде случаев можно исследовать БДПТ по средним парамет-
рам с использованием элементов теории классических машин постоянно-
го тока.
Машины постоянного тока: учебное пособие
85
Приложение
Контрольные вопросы
1	. Назначение коллектора в машинах постоянного тока при работе в ге-
нераторном и двигательном режимах.
2	. Почему уравнительные соединения первого рода не применяются в
волновой обмотке машины постоянного тока?
3	. Условия возникновения продольной и поперечной реакции якоря в
машинах постоянного тока. Влияние реакции якоря на магнитное поле
машины.
4	. При каких условиях сильнее всего сказывается размагничивающее
действие поперечной реакции якоря?
5	. При каких условиях физическая и геометрическая нейтрали в машинах
постоянного тока совпадают ?
6	. Как влияет реакция якоря на распределение основного магнитного по-
ля в воздушном зазоре при работе машины постоянного тока в двига-
тельном режиме ?
7	. Способы улучшения коммутации машин постоянного тока в генера-
торном и двигательном режимах.
8	. Пределы регулирования частоты вращения двигателей постоянного то-
ка последовательного и параллельного возбуждения.
9	. Назначение дополнительных полюсов в машине постоянного тока. Как
связана полярность дополнительного полюса с режимом работы ?
10	.С какой целью обмотку добавочных полюсов подключают последова-
тельно с обмоткой якоря, а воздушный зазор под добавочным полю-
сом увеличивают по сравнению с величиной зазора под главным по-
люсом?
11	.Условия самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного
возбуждения.
12	.Как изменяется ЭДС генератора постоянного тока смешанного возбу-
ждения при увеличении нагрузки ?
13	.Сравните механические характеристики двигателей последовательного
и параллельного возбуждения.
14	.Как повлияет на характеристики двигателя постоянного тока увеличе-
ние воздушного зазора между главными полюсами и якорем ?
15	.Как изменится частота вращения у двигателей последовательного и
параллельного возбуждения при понижении нагрузки на валу ?
16	.Почему при обрыве обмотки возбуждения у двигателей постоянного
тока с параллельным возбуждением ток обмотки якоря увеличивается
и становится опасным для двигателя?
86
Машины постоянного тока:учебное пособие
17	. Почему с понижением частоты вращения при постоянной мощности
вращающий момент двигателя возрастает?
18	.Как изменится частота вращения двигателя последовательного возбу-
ждения, если параллельно обмотке возбуждения включить добавочное
сопротивление Rdo6^Re
19	.Какими способами можно уменьшить скорость двигателя последова-
тельного возбуждения ?
20	.Почему во время пуска по мере разгона двигателя постоянного тока
уменьшается ток якоря ?
21	.Определить сопротивление пускового реостата для двигателя с парал-
лельным возбуждением, имеющего следующие паспортные данные:
UHOM = 220 В, 1НОМ == 20 A, Ra = 0,5 Ом, при условии, что пусковой ток
не должен превышать номинального значения.
22	.Объяснить, при каких условиях двигатель постоянного тока можно
включить для работы в сеть переменного тока.
23	.Может ли у двигателей с параллельным и последовательным возбуж-
дением ЭДС быть больше подводимого напряжения ?
24	. Объяснить возникновение потерь на гистерезис и вихревые токи в
отдельных элементах машины постоянного тока.
25	.С какой целью якорь машины постоянного тока, сердечники главных
полюсов набирают из листов электротехнической стали?
26	.Пути повышения КПД машин постоянного тока.
27	.Выполнить анализ кривых п Ia = f(t), М характеризующих
переходный процесс в двигателе постоянного тока параллельного воз-
буждения при уменьшении магнитного потока.
28	.Как должна быть выполнена конструкция бесконтактного двигателя
постоянного тока?
29	.Каким образом можно осуществить реверс бесконтактного двигателя
постоянного тока?
Машины постоянного тока:учебное пособие
87
Примеры решения задач
Задача № L Сколько полюсов у машины постоянного тока, если при токе
1а - 980 А на якорь действует электромагнитный момент М ~ 1310 Н-м.
Магнитный поток Ф = 0,05 Вб, число параллельных ветвей а = 2. Якорь
имеет Z = 42 и активных проводников в пазу пак = 2.
Решение. Запишем выражение для определения момента
М=сиФ1а	(1)
и выразим из него значение постоянной си
м
См Ф1 
а
По определению
С - PN
м а-2л ’
где N- общее число проводников обмотки якоря.
(2)
(3)
тогда
Сравнив (2) и (4), получим
откуда
Ответ: 2р — 8.
N = Z-naK,
с м
pZ*n
ак
а-2л
(4)
м  PZnm
Ф1 а*2я ’
а
~ М*а*4я
2р = ------
Z-n *Ф-1
ак
а
2 _ 1310-2-4#
Р 42-2-0,05-980
Задача № 2. Четырёхполюсная машина постоянного тока имеет диаметр
якоря D - 0,21 м. Ширина расчётной полюсной дуги - 0,103 м, длина
магнитопровода якоря 1а = 0,248 м. Число пазов якоря Z = 21, максималь-
ное значение индукции воздушного зазора при данном токе возбуждения
В$ щах = 0,66 Тл, обмотка простая волновая. Требуется:
а). Рассчитать среднюю индукцию в воздушном зазоре.
б). Определить число проводников обмотки якоря # при условии, чтобы
при п = 1500 об/мин в обмотке якоря генератора наводилась Е = 209 В.
в). Определить шаги обмотки и дать её схему при I.
88
Машины постоянного тока : учебное пособие
Решение.
а)	. Для машин постоянного тока Вс р определяется по формуле [10, 46]
Вс D ~ 0,637 Ветах,
С* Lr	т	ф ШАЛ 7
где 0,637 - коэффициент полюсного перекрытия.
Вс „ «0,637- 0,66 -0,42 Тл.
б)	. Найдём величину магнитного потока в зазоре
ф = всръе1а,
где bs 1а-площадь,охватываемая линиями магнитной индукции.
Зная Ф, найдём ЭДС, наводимую в якорной обмотке,
£* — с нФ с е it В с р b & 1а
и выразим постоянную се
Е
По определению
с - PN
е а-60 ’
Сравнив (5) и (6), получим
Е „ pN
пВ bj а-6(Г
с р S а
откуда
„	Е-2а-60
В -Ь-1 -п-2р'
с р 5 а
(5)
(6)
v —________209-2*60	& 39Q
0,42* 0,103*0,248* 1500*4
а). Определим число элементарных пазов обмотки
Z3Ji^ КZ'пэл.
/^£ = 21*1=21.
Зная число элементарных пазов и коллекторных пластин, определяем ша-
ги обмотки S, *

S, т	21 1
2р	4	4
Машины постоянного тока:учебное пособие
89
У2=У~У1 =10-5 = 5.
Схема рассчитанной простой волновой обмотки показана на рис. П.1.
Рис. П.1. Развёрнутая схема простой волновой обмотки
2/> = 4; ZM = 21
Ответ: а). Вс р ^0,42 7л.
£).Л^390.
Задача М3, Определить максимальную МДС реакции якоря двухполюсной
машины постоянного тока при положении щёток на геометрической ней-
трали, если якорь при D - 0,21 м имеет число активных проводников
^ак = 396, Ц = 100 А. Обмотка простая волновая с числом витков в сек-
ции а>с == 2. Найти значения составляющих МДС при сдвиге щёток на 4
коллекторных деления.
Решение. Определим полюсное деление
_ ж-Р
Т ~w
т= £^1= о,33м.
МДС обмотки якоря при положении щёток на геометрической нейтрали
F	N -
^amax a
где = -ток параллельной ветви;
-число проводников на единицу длины окружности якоря для
двухвитковой секции.
Тогда
90
Машины постоянного тока:учебное пособие
N I
F =____________« .Т
ат™ 2-x-D 2а
С учётом типа обмотки определим значение Famax
„	_	396 ЮО Л	л
Faaax 2-ж-0,21’ 2 ‘°’33 4952А
При сдвиге щёток с геометрической нейтрали (рис. 6.4) МДС Fa имеет
как поперечную составляющую
^aq ~~
так и продольную составляющую
ad ~~
Найдём угол смещения Д при сдвиге щёток на 4 коллекторных деления.
Число коллекторных пластин
-А-
Градусная мера, приходящаяся на одно коллекторное деление
Д'= 360*799 = 3,64°
Угол смещения Р будет равен четырём Р'
Р=4-Р'=4-3,М°= 14,6°
Тогда
= 4952- cos(14,6 J = 4792 А,
= 4952 • ,пи(14,63 = 1248 А.
Ответ: Famax = 4952 A, Faq = 4792 A, F^ = 1248 А.
Задача № 4. Генератор параллельного возбуждения имеет следующие дан-
ные: Рном = 75 кВт, U„OM = 230 В, 1„ом = 326 А, 1вИОМ = 5,8 А,
= 0,0064 Ом, Ядов иол = 0,0023 Ом, t] = 89%. Определить при но-
а 15°
минальном режиме электромагнитную мощность, сумму механических,
магнитных и добавочных потерь, электрические потери, потери холостого
хода. Падение напряжения в контакте щёток принять равным А ищ - 1 В.
Решение, Определим номинальный ток якоря
Т ~ J +/
*аном 1 ном лвном-
/в»Ож=326 + 5,8 = 331,8Л.
ЭДС генератора при номинальном режиме
Машины постоянного тока: учебное пособие
91
Ецом ^ном + ^аном^К о ?
а 15
где £7? нужно привести к температуре 75СС:
а 15*
. = £Я [1+а-(75о-15°)].	(7)
а 75	а 15°
£7? й - 0,0064 /7+ 0,004^°] -0,00794 Ом,
а 75*
Тогда
Еиом = 230 + 331,8-0,00794 = 232,6 Д
и электромагнитная мощность при номинальном режиме
Р = Е I
1 эм н ом	н ом ан ом
будет равна
Р ^„^=232,6-331,8 = 77,2^.
По определению КПД найдем полную номинальную мощность Р{ ном
Я1 НОМ~ ЯHOM^fy
Я том = 75/0,89 = 84,3 кВт.
Для генератора разность Р1Ном ~Яэином представляет собой сумму ме-
ханических, магнитных и добавочных потерь
Я мех + Рс + Я а = 84,3 - 77,2 = 7,1 кВт.
Л*<7 Л	Кг	f	ft
Электрические потери при номинальном режиме будут равны
Яэлном~ ^номЬном + ^аном^Я ° + ^^щ^аном*
а 75
Рэлном= 230-5,8 + 331,82 -0,00794 +1- 331,8 = 2,54 кВт.
Потери холостого хода в генераторе будут равны
Р ЪНОМ~ Р ЭЯНОМ + Я мех + Р с + Р
Р$НОм^ 2,54 + 7,1 = 9,64 кВт.
Ответ; РЭЛ^ 77,2 кВт^ Рм^х + Р^ + Р7,1 кВт^ Р whom 2,54 кВту
Р0ном= 9,64 кВт.
Задача № 5, Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением под-
соединен к сети U ~ ПО В. При токе якоря 1а = 25 А и при п = 1000 об/мин
двигатель развивает номинальный момент, сопротивление якоря машины
^7?л = 0,4 Ом. Какой будет частота вращения машины, если момент на-
грузки увеличить вдвое ? При решении пренебречь падением напряжения
на щетках и реакцией якоря.
Решение, Номинальный момент двигателя
Я55-С7-7
М = —__________~
1ПЯОМ	„
92
Машины постоянного тока:учебное пособие
ном
9,55-110-25
1000
= 26,3 Нм.
Значение удвоенного момента составит
М == 2- Мном= 2- 26,3 = 52,6 Нм.
ЭДС дюигятеля
С другой стороны,
E=U-Ia£Ra.
£ = НО -25-0,4 =1005.
Е = сеФп.
(8)
Из (8) найдём значение произведения сеФ
Е 100 _
СеФ п 1000
Умножив сеФ на получим произведение смФ
2я
сиФ = сеф//-= 0,1-— = 0,955 .
" е 2л л
Скорость вращения двигателя
и M^Ra  и M^Ra
сФ сс Ф2 С® сФ'С Ф'
П =
Ответ: п = 880 об/мин.
110
0,1
- да-880
Задача №6. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет
следующие данные: Рном ” 43 кВт, UUOM - 220 В, 1а = 225 Л, пном= 1550
об/мин,	= 0,05 Ом, 1вНом= Определить скорость вращения
а 15°
двигателя при тормозном моменте на валу М =0,6-Миом и дополнитель-
ном сопротивлении в цепи якоря &доб = 2. Реакцией якоря и па-
а!5°
дением напряжения в щёточном контакте пренебречь, магнитный поток
считать пропорциональным току.
Решение. Номинальный момент двигателя
Машины постоянного тока: учебное пособие
93
9550*Р
и =____________ном
1V1 н ом ы
И
ном
(9)
1Z _ 9550 43	,,
^ном 1550	265 Н м.
Тормозной момент на валу
М=0,6-Мном= 0/265 = 159 Нм,
ЭДС двигателя
Е = U„OM -Ia .	(10)
а 75
По формуле (7) найдем приведенное к 75 ‘С сопротивление обмотки якоря
о = 0,05/7+ 0,004-607- 0,062 Ом
а
Тогда
£-220-2250,062 = 2065.
С другой стороны,
Е ^е^'^пом'	0*0
Из (11) найдем значение произведения сеФ
^-А-кяГ0-133	”2>
ном
Умножив сеФ на 4^-, получим произведение смФ
2л
с„Ф = сеФ^= 0,133-^-= 1,27.
2Л	Я
Скорость вращения двигателя
U MfxR +ra J и M<ZR ,+2£R .)
Л — ном _	а дор — ном _________а 75____а 75
С Ф г г Ф2 С Ф	С Ф*С Ф
е	е	ем
П =
220	159-(0,062+ 2-0,062) =
ОДЗЗ 0ДЗЗ-Ц7
1479 об/мин.
Ответ: п = 1479 об/мин.
Задача № 7. Двигатель параллельного возбуждения, выполненный с простой
волновой обмоткой (2а « 2), имеет следующие технические данные:
94
Машины постоянного тока: учебное пособие
Ун ом = 220 В, Ia~24,lA,^R	= 0,643 Ом, R„ = 298 Ом, Ф = 0,00477 Вб,
а 13*
N - 812, 2р - 4. Определить ЭДС якоря, скорость вращения якоря, элек-
тромагнитный момент и электромагнитную мощность двигателя.
Решение. По формуле (7) найдем приведенное к 75 <С сопротивление об-
мотки якоря
£ Я	= 0,643 fl+ 0,004-60 °]= 0,797 Ом.
а 75°
По формуле (10) найдбм ЭДС двмгзаеля
£ - 220 - 24,1*0,797 = 200,8 В.
В соответствии с (8) выразим скорость двигателя
п = —,
с Ф
е
где се найдем в соответствии с (6)
с = 2-812 = 27 1
е 160	' •
Тогда
" = 27,1-0,00477 = 1553 о6/мин-
В соответствии с (3) найдём постоянную с и
„ _ 2-812 _„й,
с"~ T2F-258,5'
Зная см,в соответствии с (1) найдём электромагнитный момент
М = 258,5-0,00477-24,1 =29,7 Нм.
Электромагнитная мощность двигателя
Ра» = £/«-
/> = 200,8-24,1 = 4,84 кВт.
Ответ: Е = 200,8 В, 1553 об/мин, М = 29,7 Н-м, Рэл1 = 4,84 кВт.
Задача № Л Двигатель параллельного возбуждения с номинальными дан-
ными UttOM = 220 В, 1иом= 59,8 Л, пиом= 1500 об/мин, 1вном^ 1,34 А экс-
плуатируется в качестве генератора параллельного возбуждения. Опреде-
лил», при какой частоте вращения напряжение генератора будет 220 В,
если сопротивление в якорной цепи =	а ток ЯКОРЯ остаёт-
ся неизменным.
Решение, Найдём ток якоря двигателя
Iа ~ н ом~Цн ом -
Машины постоянного тока: учебное пособие
95
1а~ 59,8 -1,34 = 58,46А.
ЭДС Едв, индуцируемая в обмотке якоря двигателя, меньше напряжения
UUOM на величину 1а У R .Но при использовании машины в качестве
генератора мы должны получить от неё ЭДС Еген больше напряжения
UHOM на величину Ia ^Ra - Таким образом, ЭДС машины в режиме дви-
гателя и генератора будут равны
^дв~ ^иом ~~1а 22^д ’
^ном^
Едв= 220 - 58,46-0,183 = 209,3 Д
220 + 58,46-0,183 = 230,7 В.
Как видно из формул, ЭДС обмотки якоря
PN
Е ^60
Ф‘П,
при неизменном потоке возбуждения увеличить Еген можно только за
счёт увеличения скорости вращения. При этом необходимое увеличение
скорости вращения определяется из отношения [5,128]
п Е
ген — ген
П Е
ов	дв
откуда
^ген И
Е
ген
де Е
дв
пге„ = 1500-^^ = 1653 об/мин.
209,3
Ответ; пген ~ 1653 об/мин.
Задача № 9. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет
следующие данные: PttOM = 10 кВт, UHOM = 220 В, 1аном^ 55 А, пном^
1090 об/мин, У R = 0,5 Ом, J = 0,5 кг-м2. При работе в номинальном ре-
***
жиме Мс = const. Требуется:
а)	. Определить изменение скорости двигателя при введении в цепь якоря
5 предполагая значительную инерционность механической
системы.
б)	. Найти закон изменения момента M(t) при увеличении сопротивления в
цепи обмотки возбуждения, в результате чего магнитный поток умень-
шился на 20%.
96	Машины постоянного тока : учебное пособие
Решение.
а)	По формуле (9) найдём номинальный момент двигателя
iz _ 9550-10 _ «аг и
Ми оМ	1090	Н*м.
Изменение скорости
М f£R +Кл J А/ fzR +3-ZR )
Дп = ном а доб __ ном' а______________а_	(13)
С С Фг	СеФсмФ
ем	км
Найдём ЭДС двигателя
E=UHOM-Ia№OMYR .
п С/Л*	I* П С/Л*
£ = 220 - 55-0,5 = 192,5 5.
По формуле (12) найдем произведение сеФ
с ф = 12?^ = о 177
е 1090	’
-	60	-
Умножив сеФ на получим произведение смФ
2 л
смФ = сеФ-^-= 0,177-22 = 1,69.
Z7t	7t
В соответствии с (13) изменение скорости будет равно
.	87,6* (0,5 + 3 -0,5) ns z-/
АД 0,177 1,69	586 QdZ,WW-
б)	. Новое значение магнитного потока будет равно 80% от значения
предшествующего режима Ф^
Ф^ОДФ^.
Для оценки изменения тока якоря и момента воспользуемся методом от-
носительных единиц.
Примем напряжение сети равным единице
Uc= U=L
Для крупных серийных машин постоянного тока можно принять, что
ЭДС Е9 индуцируемая в якорной обмотке двигателя, будет равна
Е*0,9 -^ = 0,9.
Выразим ЭДС Еф> предшествующего режима и ЭДС Е{
Е(0) “ сеп(0) Фф) ~
се п(0) ФI ~ Се П(0) Ф(0)	Е(0)>
Машины постоянного тока: учебное пособие
97
а также ток якоря 1а^ предшествующего режима и ток якоря
U-Е , по
т _________(0)_^ 1—0,9
а(°> ЕЛ ЕЛ ’
а	а
I - U~Ei - 1-0.8-0.9
m ЕЛ ЕЛ
а	а
Найдем отношение /т/1
L _ 1-0,8 0,9_?Р
I 1-0,9	2,8'
<*(0)
То есть /а1 =2,8-Za^ .
Зная 1а^ и 1а1, найдем моменты и А/{ и оценим их соотношение
^(0) = CM&(0) 1а(0) ’
см	см	>
2,24.
Таким образом М{ - 2,24-М^.
Предшествующий режим в нашем случае - номинальный, поэтому
М{ = 2,24-Л/^ = 2,2^Мпом - 2,24-87,6 = 196,2 Нм.
В общем виде закон изменения момента можно представить [1,123]
M(t) = М(0) + (Mt -М(0))е-^» = МИо^ (М,-Мяом)е'^. (14)
Найдем значение постоянной Тм [1,126]
т - J'(ZRa + Rdo6)- 03-(0^ + 3-0Д_п,.
"	9,55-сФ-сиФ	9,55-Wm\J®	’	'
В соответствии с (14) закон изменения момента M(t) примет вид
M(t) = 87,6 + (196,2 - 87,0е’‘4’35.
M(t) = 87,6 + 108,6е-м)35.
Отлепи а). кп~ 586 об/мин.
б). M(t) = 87,6 + 108,6e*,/O35.
98
Машины постоянного тока: учебное пособие
Список литературы
1.	Борисов Ю. М.5 Соколов М. М. Электрооборудование подъёмно-
транспортных машин. М.: Машиностроение, 1971.
2.	Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины: В
2 ч. Ч. 2. М.: Высшая школа, 1987.
3.	Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа,
1985.	_________
4.	Веселовский О. Н. Очерки по истории электротехники. MJ Изд-во
МЭИ.,1993.
5.	Кацман М. М. Электрические машины и трансформаторы. М.: Высшая
школа, 1971.
6.	Копылов И. П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986.
7.	Кучера Я., Галл Й. Обмотки электрических вращающихся машин.
Прага: Изд-во Чешской Академии наук, 1963.
8.	Москаленко В. В. Электродвигатели специального назначения. М.:
Энергоиздат, 1981.
9.	Токарев Б. Ф. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Ю.Хвостов В. С. Электрические машины. Машины постоянного тока. М.:
Высшая школа, 1988.
99
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................................................... 3
Историческая справка............................................. 5
1.	Назначение и устройство машин постоянного тока........... 11
2.	Принцип действия машин постоянного тока.................... 12
3.	Обмотки машин постоянного тока..............................14
4.	Наведение ЭДС при холостом ходе............................ 22
5.	Магнитная цепь машины постоянного тока................... 24
6.	Реакция якоря и круговой огонь........................... 28
7.	Коммутация в машинах постоянного тока.................... 34
8.	Генераторы постоянного тока.............................. 40
9.	Электродвигатели постоянного тока и пуск их в ход........	50
10.	Принципы регулирования частоты вращения двигателей...... 60
11.	Работа двигателей в тормозных режимах................... 64
12.	Потери и КПД машин постоянного тока..................... 71
13.	Переходные процессы в машинах постоянного тока.......... 75
14.	Бесконтактные двигатели постоянного тока................ 82
Приложение
Контрольные вопросы........................................    85
Примеры решения задач......................................... 87
Список литературы............................................. 98
Учебное издание
КИСЛИЦЫН Анатолий Леонидович
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Учебное пособие
Редактор Н. А. Евдокимова
Изд. лиц. 020640 от 22. 10. 97. Подписано в печать 24.09.99.
Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл. печ. л 5, 82. Уч.- изд. л. 6,00. Тираж 150 экз. Заказ 93S.
Ульяновский государственный технический университет
432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.
Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец 32.