Устройства машины постоянного тока реферат

Машины постоянного тока

Учреждение образования

“Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина”

Реферат

Тема: “Машины постоянного тока”

Выполнил студент 3 курса группы

ФМ-31

Брест, 2009


Содержание

Общие
сведения

Принцип
работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря

ЭДС и
электромагнитный момент генератора постоянного тока

Реакция
якоря

Коммутация

Способы
возбуждения генераторов постоянного тока

Обратимость
машин постоянного тока. двигатели

Двигатель
параллельного и независимого возбуждения

Двигатели
последовательного возбуждения

Двигатель
смешанного возбуждения

Коллекторные
двигатели переменного тока


Общие сведения

В современной электроэнергетике используется преимущественно
переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется
теми достоинствами постоянного тока, которые сделали его незаменимым при
решении многих практических задач. Так, среди электрических машин двигатели
постоянного тока занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позволяют
осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая
при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока
делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и
железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз).
Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых
металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов.
Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн,
электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для
зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного
тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными
двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на
полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Машины постоянного тока входят также в электрооборудование
автомобилей, судов, самолетов и ракет.


Принцип работы и устройство генератора постоянного
тока. типы обмоток якоря

Принцип работы генератора постоянного тока основан на
возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (Рис.6-1, а). За один
оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы
ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют
коллектор – два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с
внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только
активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в
противоположном направлении по сравнению предыдущим, соединенное с этой
стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря
такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя
его значение изменяется (пульсирует, Рис.6-1, б).

Устройство промышленного генератора постоянного тока
изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины I,
изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с
обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС
самоиндукции и реакции якоря.

В большинстве случаев электромагниты питаются от самого
генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой
металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической
стали. В продольных пазах на поверхности якоря размещается обмотка якоря,
состоящая из соединенных между собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и
тока обмотка якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное
сопротивление между полюсами уменьшается благодаря стальному сердечнику якоря. Выводы
обмоток припаивают к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным
пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей припаивают
к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же
валу крепят и вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов
5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора
образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может
свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные
щетки, вставленные в щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто
прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (Рис.6-3),
при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются
столько раз, сколько полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при
этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности
соединяют вместе.

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более
подробно.

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку
в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку – спиральной.
При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут
индуцироваться ЭДС (Рис.6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины
обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины – противоположный.

4

Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то
тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно
компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять
изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь)
так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко
заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки
одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число
витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться низменными. Если
теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине
обмотки установится постоянный ток.

Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки
щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая
через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении
щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные
между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно
геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет
иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так
как в заворачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать
изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами
коллектора, а щетки наложить на коллектор (Рис.6-4, б). Если у такой машины
сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (Рис.6-5, а). Если
далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой
(Рис.6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть,
что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть
соответственно увеличен. Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной
обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается
через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной
стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности,
а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь
соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному
расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому
в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого
витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя
часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным
проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых,
спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины
с кольцевым якорем не изготовляют.

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным.
Обмотки барабанного якоря (Рис.6-6) укладывают в специальные пазы на
поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом
соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция – это часть обмотки
между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются
активными; секции изготовляют по шаблону.

ЭДС и электромагнитный момент генератора
постоянного тока

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины,
скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть
определена по формуле . (1). Применительно
к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно
упрощается введением понятия средней индукции. Пусть магнитный поток,
создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах
общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью
допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре,
поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

, (2)

где d – диаметр сердечника якоря, l – образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя
ЭДС одного проводника обмотки при  = 90° равна

, (3)

где l – длина активной части проводника
(равна образующей цилиндра якоря); v – линейная (окружная) скорость движения
проводника.

Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср и
линейной скорости  и после
преобразования получим:

, (4)

где n – скорость вращения якоря.

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в
каждой параллельной ветви будет  активных
проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно
записать:

, (5)

где  – ЭДС генератора.

Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения
получим:

. (6)

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры,
зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина
постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно
имеем:

. (7)

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна
значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для
поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС
либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и
другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем,
работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток
изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Мощность генератора
постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = ), причем под работой А следует понимать
работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем,
за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без
потерь). Тогда эту формулу можно записать так:

, (8)

где F – сила, действующая на якорь. При
таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила , а на N
проводников обмотки

. (9)

Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать
следующим образом:

, (10)

Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение
для мощности:

==. (11)

Так как Ф, то
окончательно имеем:

. (12)

Для общего момента машины М можно записать:

,

где  постоянный
для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции. Таким
образом, электромагнитный момент машины выражается формулой М = сФ1я.
(13)

Реакция якоря

666

В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его
обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных
ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный
поток – поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится
ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет
накладываться на ток полюсов, т.е. имеет место явление, называемое реакцией
якоря

Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного
зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к
излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния
реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы,
одновременно улучшающие коммутацию тока.

Коммутация

  

Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное
переключение секций обмотки из одной параллельной ветви в другую, при этом ток
в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как
время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если
учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то
процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной
ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.

Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной
ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют
процессом коммутации, а продолжительность этого процесса – периодом коммутации.

Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере
обмотки с двумя параллельными ветвями.

Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с
коллекторной пластиной 1 (Рис.6-8, а), ток нагрузки I,
протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется в обе параллельные ветви.
Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой
параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется
процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет
с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами
секция будет замкнута накоротко щеткой (Рис.6-8, б) Так как за все время
коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по
мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим
краем будет увеличиваться, а под сбегающим – уменьшаться, распределяясь обратно
пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде
постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно
щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за
это время ток в выделенной секции (провода 1-4) изменяется от + до нуля и от нуля до – . Так как секция имеет большую
индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный
ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции.
Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем
щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между
этой пластиной и щеткой произойдет искрение.

Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (Рис.6-8,
в), выделенная нами секция 1-4 оказалась в левой параллельной ветви, ток в ней
изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация
следующей секции, т.е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение.

Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно
в таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов
во всех проводниках будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока,
возникающего в коммутируемых секциях, в машинах высокого напряжения применяют
твердые угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления в
замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока
главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов. Этот метод
основан на следующем.

ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при
прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения
тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в
коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный
ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные
полюсы размещают на геометрической нейтрали и снабжают обмотками, включенными
последовательно в цепь нагрузки (Рис.6-9). Дополнительные полюсы своим полем
индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки,
и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных

Рис.6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции
якоря. У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения ставят
дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателя – такой же
полярности. Это условие автоматически выполняется при переходе машины из режима
работы генератора в режим двигателя, так как направление тока изменяется на противоположное.

У большинства машин постоянного тока делают по два дополнительных
полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую
пару главных полюсов делают один дополнительный полюс.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного
потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы
постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения
различают: независимого, параллельного, последовательного и смешанного
возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку
возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный
реостат (Рис.6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на Рис.6-11) с увеличением тока нагрузки несколько
уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря,
причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается
весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения является
генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через
регулировочный реостат к зажимам того же генератора (Рис.6-10, б). Такое
включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I,
напряжение на зажимах генератора U” уменьшается
из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает
уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора
UB уменьшается несколько быстрее (кривая 2
на Рис.6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному
уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки
напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь
остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного
возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку
возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (Рис.6-10, в). При
отсутствии нагрузки (=0) в якоре все же
возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на Рис.6-11).
С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после
достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро
уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего
действия реакции якоря.

Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки
генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0ВУ
– включаемую параллельно якорю, ОВ2 (дополнительную) – последовательно
(Рис.6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки
одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение
напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы
скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

Обратимость машин постоянного тока. двигатели

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного
тока, обратимы, т.е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход
генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках
якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут
постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет
действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (Рис.6-12,
и). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки
возбуждения приводит якорь во вращение.

Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при
изменении направления тока только в якоре (Рис.6-12, б) или только в обмотке
возбуждения (Рис.6-12, б) направление вращения якоря изменяется на
противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не
изменяет направления вращения якоря (Рис.6-12, г)

Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов
постоянного тока, т.е. они имеют точно такое же устройство (за исключением
немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель
постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря  включить
в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре
установится ток , значение которого
может быть определено по закону Ома:

. (17)

Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет
лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение – порядка сотен вольт, то
пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное
значение тока для данного двигателя в 10-30 раз. Такой ток не только не
желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и
сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно
осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток
уменьшится и будет равен:

. (18)

Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой
ток не превышал номинальный более чем в 1,1 – 1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь
придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней
индуцируется ЭДС самоиндукции , полярность
которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС вызывает ослабление
тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т.е. по
мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная
часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при
выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением:

. (19)

Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической
энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (19) представим в
следующем виде:

. (20)

Получили уравнение электрического равновесия, согласно
которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции  и падением напряжения на сопротивлении
якоря

Умножив обе части уравнения (20) наIя,
получим:

. (21)

В этом новом уравнении (21) левая частьIяU представляет собой не что иное, как электрическую мощность,
потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части  – мощность, поглощаемую сопротивлением
якоря  (электрические потери в якоре).
Очевидно, что член  представляет собой
электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно,  и есть та часть потребляемой из сети
электрической мощности,, которая преобразуется в механическую (включая
механические потери).

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока
влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в
механическую. При неподвижном якоре  = 0 преобразование
(полезное) отсутствует ( = 0), хотя
потребляемая из сети мощность  максимальна.
Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя (0)
потребляемая из сети мощность () уменьшается,
а преобразованная мощность становится отличной от нуля (0).

Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение
(19) значение ЭДС из соотношения (7). После преобразования получим:

. (22)

Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря  значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически
прямо пропорциональна подводимому напряжению U и
обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости
вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при
постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд
может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает
скорость его вращения (и наоборот).

Действительно, если при установившемся токе в якоре и
скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и
электрическое равновесие (20) нарушится. Для восстановления этого равновесия
при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться, быстрее, так как ЭДС самоиндукции
пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя
может быть выражено той же формулой, что и для генератора (13).

Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного
тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда
уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении
механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше
тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению
ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном
потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство
вращающего и тормозного моментов.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к
якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого,
параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.


Двигатель параллельного и независимого возбуждения

Схема включения двигателя постоянного, тока параллельного
возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке 6-13. Если обмотку
возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на
напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения.

Скоростная характеристика n=f (Iя) таких двигателей
при U =const и Iв = const приведена на
рисунке 6-14, для объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя (22):

.

Изменение скорости вращения может происходить за счет
изменения нагрузки и магнитного потока. Но изменение тока нагрузки лишь
незначительно изменяет внутреннее падение напряжения благодаря малости
сопротивления цепи якоря, которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток
нагрузки в конечном счете лишь незначительно уменьшает скорость вращения
двигателя. Что касается магнитного потока Ф, то вследствие реакции якоря при
увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к
незначительному увеличению скорости вращения. Таким образом, скорость вращения
двигателя параллельного возбуждения очень мало изменяется.

Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно
регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо изменением магнитного
потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой
цепи являются очень опасными для двигателей параллельного и независимого
возбуждения, так

как ток в якоре возрастает до недопустимо большого значения.
В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько
возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный
режим – “разнос” двигателя).

Двигатели независимого возбуждения нашли широкое применение
в качестве исполнительных двигателей в схемах автоматики, а иногда в качестве
так называемого электромагнитного тормоза. Когда необходим большой пусковой
момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки.
Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз,
метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т.д.)
и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

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

Двигатели последовательного возбуждения

Схема двигателя постоянного тока последовательного
возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем,
поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так
как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков,
это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с
реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

Скоростную характеристику можно получить на основании
уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет
вид:

n=,

где  – сопротивление
обмотки возбуждения.

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя
сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение
напряжение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного
потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это
характерная особенность двигателя последовательного возбуждения.

Значительное уменьшение нагрузки приведёт к опасному для
двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и
особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за
небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что
скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель
может “разнести”). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех
случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами
непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи
недопустимо, так как ремень может оборваться, либо соскочить, двигатель при
этом полностью разгрузится.

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

Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую
характеристику) двигателя

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

M=

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

Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели
последовательного возбуждения можно принять в тех случаях, когда необходим
большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность
их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на
электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных
установках (краны и т.д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры)
в автомобилях и авиации.

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

Двигатель смешанного возбуждения

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения
изображена на рисунке 6-18. На каждом полюсе такого двигателя имеются обмотки –
параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки
складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).

Уравнения скорости вращения и вращающего момента для них
выражаются так:

 и М = с1я
пр ± Фпс),

где знак плюс относится к согласному включению обмоток
возбуждения, минус – к встречному. В зависимости от соотношения магнитных
потоков обеих обмоток по свойствам двигатель приближается к двигателям
параллельного либо последовательного возбуждения. Как правило, у двигателей
смешанного возбуждения последовательная обмотка является главной (рабочей), а
параллельная – вспомогательной. Благодаря магнитному потоку параллельной
обмотки скорость вращения такого двигателя не может возрастать беспредельно при
малых нагрузках (или на холостом ходу), т.е. двигатель не будет “разносить”.

Двигатели с согласным включением нашли широкое применение в
тех случаях, когда необходим большой пусковой момент и изменение скорости при
переменных нагрузках (включая малые нагрузки и холостой ход). Двигатели же со
встречным включением применяют для получения постоянной скорости при изменяющейся
нагрузке.

На рисунке 6-19 приведены для сравнения нагрузочные
характеристики двигателей с различными способами возбуждения.

Коллекторные двигатели переменного тока

Одновременное изменение тока в якоре и обмотке возбуждения
двигателя постоянного тока не изменяет его направления вращения. Это свойство
используется в коллекторных двигателях переменного тока, где ток с частотой
сети одновременно изменяет свое направление в обеих обмотках.

Конструкция коллекторных двигателей переменного тока
значительно сложнее конструкции двигателей постоянного тока. Всю магнитную
систему набирают из отдельных изолированных друг от друга листов
электротехнической стали, чтобы избежать ее сильного нагревания от столь
частого перемагничивания. Для уменьшения реактивного сопротивления двигателя,
ухудшающего cos сети,
станину снабжают компенсационной обмоткой, расположенной равномерно по
окружности статора и соединенной последовательно с якорем. Для улучшения
компенсации ЭДС самоиндукции в секциях якоря статор делают неявнополюсным. Для
получения удовлетворительной коммутации, при которой короткозамкнутая секция
оказывается подобной короткозамкнутой обмотке трансформатора, число витков в
секциях уменьшают, увеличивая число секций, и ограничивают ток включением между
секциями и коллектором специальных резисторов. Наличие большого числа секций и
пластин коллектора сильно увеличивает размеры коллектора, что является внешним
отличительным признаком коллекторных двигателей переменного тока от двигателей
постоянного.

Почти все коллекторные двигатели переменного тока имеют
последовательное возбуждение. Двигатели параллельного возбуждения из-за большой
индуктивности обмотки возбуждения (большого сдвига фаз между током в якоре и
потоком) имеют весьма незначительный вращающий момент, поэтому на практике
такие двигатели не применяют.

Иногда встречаются маломощные так называемые универсальные
двигатели, которые работают как от постоянного, так и от переменного тока. В
этих двигателях обмотка рассчитана на работу постоянного тока, а часть ее (отвод)
– на работу переменного тока, так как сопротивление одной и той же обмотки
меньше для постоянного, чем для переменного тока.

Из-за сложности конструкции и дороговизны коллекторные
двигатели большой мощности применяют в редких случаях, где это экономически
оправдывает себя, например для привода одного механизма с широкими пределами
регулирования скорости. Иногда встречаются трехфазные коллекторные двигатели с
питанием со стороны ротора, в которых перемещение щеток по коллектору дает
регулирование скорости в широких пределах, но этот двигатель очень дорог.

Широкое распространение получили маломощные (до 200 Вт) универсальные
коллекторные двигатели последовательного возбуждения. Их применяют для нужд
бытового электропривода (швейных машин, пылесосов, для мелких электродрелей,
вентиляторов и т.д.)

Содержание

  1. Читать реферат по физике: «Машины постоянного тока» Страница 1
  2. Электрические машины постоянного тока
  3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.doc
  4. Машины постоянного тока устройство и принцип действия
  5. Устройство простейшей машины
  6. Режим генератора
  7. Режим двигателя
  8. Принцип обратимости
  9. Преобразование энергии
  10. Электрические машины постоянного тока

Читать реферат по физике: «Машины постоянного тока» Страница 1

«Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина» Реферат

Тема: «Машины постоянного тока» Выполнил студент 3 курса группы

Руководитель: Брест, 2009

СодержаниеОбщие сведения 3Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря 4ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока 9Реакция якоря 12Коммутация 14Способы возбуждения генераторов постоянного тока 17Обратимость машин постоянного тока. двигатели 19Двигатели последовательного возбуждения 26Двигатель смешанного возбуждения 29Коллекторные двигатели переменного тока 31

Общие сведения

В современной электроэнергетике используется преимущественно переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется теми достоинствами постоянного тока, которые сделали его незаменимым при решении многих практических задач. Так, среди электрических машин двигатели постоянного тока занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (Рис.6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют коллектор — два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, Рис.6-1, б).

Устройство промышленного генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины I, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря. В большинстве случаев

Источник

Электрические машины постоянного тока

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Декабря 2012 в 23:53, реферат

Описание работы

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности. Значительное распространение электродвигателей постоянного тока (Direct Current electric motors or DC electric motors) объясняется их ценными качествами: высокими пусковым (starting), тормозным (braking) и перегрузочным (overload) моментами (torque), сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения. Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов.

Файлы: 1 файл

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.doc

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

(ELECTRIC MACHINES OF THE DIRECT CURRENT)

4.1 Общие сведения

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока (Direct Current electric motors or DC electric motors) объясняется их ценными качествами: высокими пусковым (starting), тормозным (braking) и перегрузочным (overload) моментами (torque), сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных (low-power) двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока (DC generators) общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов (electric equipments of flying machines). Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; их максимальная мощность достигает 30 кВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге (electrical haulage), в приводе подъемных устройств (lifting machines), для привода металлорежущих станков (cutting machine). Мощные двигатели (powerful motors) постоянного тока применяются для привода прокатных станов (rolling mills) и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток (direct current) для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания (power supply) для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (low voltage current) (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения (excitation winding) мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

4.2 Устройство принцип действия машины постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами (poles) и вращающегося ротора (якоря) с коллектором (commutator). Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с. – электродвижущая сила (electro motive force).

На одном валу с якорем (armature) жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор — характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.

Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле (magnetic field) машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами (permanent magnets) в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину (frame), сердечники полюсов (poles body) и сердечник якоря (armature core), дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними.

Существует два режима работы электрических двигателей:

— режим генератора (generator mode);

— режим двигателя (motor mode).

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии (line of flux) полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем (mechanical rectifier), эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь (ротор).

4.3 Устройство и расположение главных и добавочных полюсов

Каждая машина постоянного тока имеет одну или несколько пар главных полюсов (main poles), расположенных по окружности якоря (armature girth) строго симметрично и поочередно: северный – южный – северный и т. д. Сердечник главного полюса набирают из листовой электротехнической стали (electric grade sheet) и крепят к станине при помощи болтов. Шихтовка (reclaimer operation) сердечника уменьшает потери в стали от вихревых токов (eddy currents), которые возникают в сердечнике из-за пульсации магнитного тока, обусловленных зубчатостью якоря. Эти потери могут стать очень большими, так как сталь сердечника обычно насыщена.

На каждый главный полюс надеты одна или несколько катушек (coils), предназначенных для создания магнитного потока машины или для других целей. Обмотка параллельного возбуждения (winding of parallel excitation), создающая, как правило, основной магнитный поток, выполнена проводом малого сечения. Обычно катушки этой обмотки имеют самые большие размеры. Обмотка последовательного возбуждения (winding of consecutive excitation) служит чаще для компенсации размагничивающего действия реакции якоря, то есть является вспомогательной обмоткой, поэтому катушки ее невелики по размерам. Однако они выполнены из провода большого сечения, так как по ним проходит ток, равный току обмотки якоря.

Добавочные полюсы (interpoles) выполняют из цельного куска стали. Это обусловлено тем, что сталь добавочных полюсов при работе машины не насыщена, а воздушный зазор под ним больше, чем под главными, поэтому потери в стали от вихревых токов невелики. Добавочные полюсы устанавливают в промежутках между главными. Число их обычно равно числу главных полюсов, однако двухполюсные машины (bipolar machines) небольшой мощности могут быть выполнены и с одним добавочным полюсом.

4.4 Устройство якоря и коллектора

Вращающаяся часть машины постоянного тока включает в себя вал (shaft) с подшипниками (bearings), на который насажаны якорь с обмоткой, уложенной в пазах сердечника якоря (armature slots), коллектор (collector) и крыльчатку вентилятора (fan).

Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, которые располагаются так, чтобы образовался скос пазов сердечника на одно зубцовое деление. Это необходимо для уменьшения добавочных потерь и шумности машины. Сердечник якоря может иметь аксиальные вентиляционные каналы (ventilating passage). От проворачивания на валу сердечник удерживается продольной шпонкой (key) или рифлениями, а плотность прилегания листов друг к другу обеспечивается нажимными шайбами и кольцевой шпонкой.

Обмотка якоря выполнена из медного провода в виде жестких или мягких секций и уложена в пазы. На лобовые части обмотки намотаны проволочные бандажи, противодействующие центробежным силам. Концы секций обмотки присоединены к пластинам коллектора (commutator bars) с помощью петушков (commutator neck). Количество коллекторных пластин практически всегда равно числу секций обмотки якоря и равно или кратно числу пазов якоря. Пластины коллектора собраны в виде барабана (drum), изолированы друг от друга и от корпуса миканитовыми прокладками (mica plate) и плотно стянуты нажимными кольцами (или запрессованы в пластмассовую втулку).

Крыльчатка вентилятора (fan impeller) установлена на валу со стороны, противоположной коллектору. Она прогоняет через машину воздух, который засасывается в машину со стороны коллектора через специальные люки, и осуществляет тем самым отвод тепла, выделяемого при работе машины. Холодный воздух омывает сначала коллектор, затем якорь, катушки полюсов и после этого выбрасывается крылаткой в окружающееся пространство. Недостаток такого способа охлаждения состоит в том, что угольная пыль от щеток загрязняет всю машину. Однако при обратном направлении движения воздуха он, прежде чем попасть в машину, нагревался бы самим вентилятором, что в конечном итоге привело бы к увеличению габаритов и массы машины.

Положение вращающегося якоря относительно главных и добавочных полюсов строго зафиксировано с помощью подшипниковых щитов, в которых закреплены наружные кольца подшипников. В свою очередь подшипниковые щиты плотно закреплены на станине. В подшипниковых щитах предусмотрены люки для осмотра и ухода за коллектором, а также отверстие для прохода охлажденного воздуха. В машинах водозащищенного исполнения охлаждающий воздух внутрь машины не проходит и отводит тепло посредствам внешнего обдува, поэтому коллекторные люки таких машин снабжены глухими крышками.

4.5 Устройство щеточного аппарата

Щеточный аппарат (brush ring) совместно с коллектором служит для соединения обмотки якоря с внешней сетью и преобразования тока. Он состоит из траверсы (brush rocker), щеткодержателей (brush holders) и щеток.

Траверсу машины постоянного тока выполняют из стали или алюминиевого сплава. Она имеет вид кольца с разрезом и с выступами для закрепления пальцев щеткодержателей (brush-holder finger). Пальцы выполняют обычно из стеклотекстолита. Если же они выполнены из металла, то должны быть изолированы пластмассовыми втулками и шайбами. На пальцах закреплены щеткодержатели, которые служат для удержания щеток в определенном положении относительно коллектора. Щетки должны быть расположены в шахматном порядке, чтобы предотвратить неравномерный износ коллекторных пластин. Щетки устанавливаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Сила нажатия пружин должна обеспечить хороший контакт щетки с коллектором, не вызывая слишком больших потерь на трение. Проверка нажатия осуществляется динамометром или приближенно при помощи полоски папиросной бумаги. В последнем случае полоску папиросной бумаги надо положить под щетку и вытягивать ее. Если бумага выходит с трудом, но еще не рвется, то давление нормальное.

Источник

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Дата публикации: 26 ноября 2011 .
Категория: Статьи.

В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.

Устройство простейшей машины

На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим генератора

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v. (1)

Э. д. с. Eа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Iа. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Кривые ЭДС и тока простейшей машины постоянного тока

Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Eа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа:

Проводники обмотки якоря Iа с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)

направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен

Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа, (5)

где Dа – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока Iа у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Eа, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Направление ЭДС, тока и моментов в генераторе и двигателе постоянного тока

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = MвMтрMс, (7а)

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс, (7б)

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × IаIа 2 × rа (12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа 2 × rа. (13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник

Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока.

Устройство электрических машин

Постоянного тока. Обратимость машин

По назначению электрические машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели.

Генераторы вырабатывают электрическую энергию, поступающую в энергосистему; двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и транспортных средств.

Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин постоянного тока, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя.

Свойство обратимости не следует противопоставлять определенному назначению машины, которая обычно проектируется и используется либо как двигатель, либо как генератор. Значительно реже находят применение машины, предназначенные для работы как в генераторном, так и в двигательном режимах. Это так называемые стартер-генераторы, которые устанавливаются на некоторых подвижных объектах.

Генератор и двигатель отличаются расчетными и конструктивными особенностями. Поэтому использование двигателя в качестве генератора или генератора в качестве двигателя приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик машин, в частности к снижению коэффициента полезного действия.

В любой машине постоянного тока четко выделяются подвижная и неподвижная части. Подвижную (вращающуюся) часть машины называют ротором , неподвижную — статором .

Часть машины, в которой индуцируется электродвижущая сила, принято называть якорем, а часть машины, в которой создается магнитное поле возбуждения,— индуктором. Как правило, в машине постоянного тока статор служит индуктором, а ротор — якорем.

Статор машины постоянного тока называют также станиной. Станину изготовляют из магнитопроводящего материала (обычно литая сталь); он выполняет две функции, являясь, во-первых, магнитопроводом, по которому проходит магнитный поток возбуждения машины, и, во-вторых, основной конструктивной деталью, в которой размещаются все остальные детали. Изнутри к станине крепятся полюсы. Полюс машины состоит из сердечника, полюсного наконечника и катушки. При прохождении по катушкам постоянного тока в полюсах индуцируется магнитный поток возбуждения. Помимо главных полюсов в машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливаются дополнительные полюсы меньших размеров, предназначенные для улучшения работы машины. Катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря.

Сердечник якоря и коллектор кренятся на одном валу. Стальной вал якоря опирается на подшипники, закрепленные в боковых щитках машины. В свою очередь боковые щитки крепятся болтами к статору.

Для уменьшения вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковым покрытием. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух. В пазы сердечника якоря укладывают проводники обмотки якоря, соединенные с коллекторными пластинами. Коллектор набирают из медных пластин, разделенных. миканитовыми прокладками. Поверхность медных пластин специально обрабатывают, чтобы повысить их устойчивость к истиранию.

Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины осуществляется с п о мощью щеток, скользящих по коллектору.

Щетки вставляются в специальные обоймы щеткодержателя и прижимаются к коллектору спиральными или пластинчатыми пружинами. Щеткодержатели крепятся к траверсе, которую вместе со щетками можно поворачивать относительно статора на некоторый угол в ту или другую сторону. В качестве основы для изготовления щетки используют графит. Чтобы получить заданные свойства (определенную электропроводность, повышенную сопротивляемость к истиранию), в щетку добавляют порошки металлов (медь, свинец).

На рис. 5 .1. показан внешний вид машины постоянного тока серии П, выпускаемой отечественной промышленностью. Машины этой серии рассчитывают на различную мощность от 0,3 до 200 кВт. Двигатели серии П рассчитаны на напряжение 110 или 220 В, а генераторы — 115 или 230 В.

hello_html_756566ea.png

Рис. 5 .1. Внешний вид машины постоянного тока

hello_html_19725854.png

Рис. 9.2. Поперечный разрез машины постоянного тока:

1 — сердечник якоря с проводниками обмотки; 2 — катушка обмотки возбуждения; 3 — вал; 4 — главный полюс; 5 — дополнительный полюс; 6 — статор

Поперечный разрез машины постоянного тока схематически изображен на рис. 5 .2, где видны статор, создающий магнитный поток возбуждения, и ротор, в пазах которого размещены проводники обмотки якоря. Между полюсным наконечником и якорем имеется воздушный зазор, исключающий трение ротора о статор (рис. 5 .3, а). Магнитная индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности по закону, который называют трапецеидальным (рис. 5 .3, б).

Устройство машины постоянного тока изображено на рис. 5 .4.

Машины постоянного тока обычно имеют принудительное воздушное охлаждение, осуществляемое вентилятором, насаженным на вал якоря. Для мощных машин выработаны системы .водородного, а также водяного охлаждения.

hello_html_2095fba8.pnghello_html_m10502e94.png

Рис. 5 .3. Схематическое изображение воздушного зазора 1 между полюсным наконечником 2 и якорем 3 (а) и магнитная индукция в воздушном зазоре (б)

Для защиты машины от пыли и влаги конструктивные окна, обеспечивающие доступ к коллектору и щеткам, закрывают съемными стальными лентами или пластинами.

hello_html_m6ad979d4.png

Рис. 5 .4. Устройство машины постоянного тока:

1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4 — сердечник главного полюса; 5 — полюсная катушка; 6 — статор; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря

Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. В соответствии с законом Ампера на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.

Вращающийся вал якоря используют для привода в действие различных механизмов: подъемных и транспортных средств, станков, швейных машин и т. д.

Исходя из закона сохранения энергии можно считать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем.

Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому ее назвали противо -ЭДС. Именно противо -ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.

По закону электромагнитной индукции, противо- ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо -ЭДС.

Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и частота вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря проходит минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна.

Регулирование частоты вращения двигателей

постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

Обратимся еще раз к основному уравнению электродвигателя . Выражение для ЭДС двигателя ничем не отличается от выражения для ЭДС генератора. Это и понятно: и в том и в другом случае проводники обмотки пересекают силовые линии магнитного поля. Тот факт, что якорь генератора раскручивается механической, а якорь двигателя — электромагнитной силами, с точки зрения закона электромагнитной индукции не имеет значения.

С практической точки зрения важно представлять условия и способы регулирования частоты вращения двигателя. Выведенная формула позволяет решить эту задачу. Прежде всего отметим, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря стремятся сделать по возможности малым (в реальных машиных оно составляет сотые или тысячные доли ом).

Таким образом, существует два способа плавного изменения частоты вращения двигателя в широких пределах: 1) изменение и напряжения U, подведенного к якорю двигателя;. 2) изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения Iв).

Второй способ регулирования частоты вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями энергии: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери в регулировочном реостате пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменения частоты вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.

Возможность плавного и экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.

Во многих случаях возникает необходимость менять направление вращения якоря электродвигателя. Изменение направления вращения называют реверсированием.

Для реверсирования двигателя постоянного тока следует изменить направление магнитного потока возбуждения или тока якоря. При одновременном изменении направления потока возбуждения и тока якоря за счет изменения полярности напряжения источника питания направление вращения якоря двигателя не меняется.

Реверсирование двигателей осуществляют с помощью переключателей в цепи якоря или в цепи возбуждения.

Выражение для частоты вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока возбуждения частота неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до потока остаточного намагничивания, а двигатель идет «вразнос». Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя. Режим «разноса» является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.

Источник

Министерство образования рф

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Автоматики
и электромеханики

Кафедра Электрические
машины и аппараты

МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ

Реферат
по дисциплине «Электрические машины»

Исполнитель

студент
группы 7А91 _____________________Вакер В.С.

(подпись, дата)

Руководитель

доцент,
к.т.н. _____________________Игнатович В.М..

(подпись)

_____________________

(дата)

Томск-2002

Введение.

Электрические
машины постоянного тока широко применяются
в различных отраслях промышленности.

Значительное
распространение электродвигателей
постоянного тока объясняется их ценными
качествами: высокими пусковым, тормозным
и перегрузочным моментами, сравнительно
высоким быстродействием, что важно при
реверсировании и торможении, возможностью
широкого и плавного регулирования
частоты вращения.

Электродвигатели
постоянного тока используют для
регулируемых приводов, например, для
приводов различных станков и механизмов.
Мощности этих электродвигателей
достигают сотен киловатт. В связи с
автоматизацией управления производственными
процессами и механизмами расширяется
область применения маломощных двигателей
постоянного тока общего применения
мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы
постоянного тока общего применения в
настоящее время используются реже, чем
электродвигатели, поскольку значительное
распространение получают ионные и
полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели
и генераторы постоянного тока составляют
значительную часть электрооборудования
летательных аппаратов, Генераторы
постоянного тока применяют в качестве
источников питания; максимальная
мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели
летательных аппаратов используют для
привода различных механизмов; мощность
их имеет значительный диапазон – от
долей до десятков киловатт. На самолетах,
например, устанавливается более 200
различных электродвигателей постоянного
тока. Двигатели постоянного тока широко
используются в электрической тяге, в
приводе подъемных устройств, для привода
металлорежущих станков. Мощные двигатели
постоянного тока применяются для привода
прокатных станов и на судах для вращения
гребных винтов. Постоянный ток для
питания двигателей получается с помощью
генераторов постоянного тока или
выпрямительных установок, преобразующих
переменный ток в постоянный.

Генераторы
постоянного тока являются источником
питания для промышленных установок,
потребляющих постоянный ток низкого
напряжения (электролизные и гальванические
установки). Питание обмоток возбуждения
мощных синхронных генераторов
осуществляется во многих случаях от
генераторов постоянного тока
(возбудителей).

В зависимости от
схемы питания обмотки возбуждения
машины постоянного тока разделяются
на несколько типов ( с независимым,
параллельным, последовательным и
смешанным возбуждением).

Ежегодный выпуск
машин постоянного тока в РФ значительно
меньше выпуска машин переменного тока,
что обусловлено дороговизной двигателей
постоянного тока.

Соседние файлы в предмете Электрические машины

  • #
  • #

    02.05.2014163.49 Кб45Программа расчёта ветрогенератора [mcd].mcd

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

    02.05.201484.64 Кб92Чертеж двигателя 4А250.dwg

  • #

МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA

УСТРОЙСТВО И
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA

Мaшины
постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в
мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется
генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.

МПТ
конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми,
т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.

Мaшинa
имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную-
ротор (якорь).

. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa
якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).

Устройство мaшин постоянного токa

Фото 3

Мaшинa
имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4)
и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную
нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa
возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс.
Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного
потокa. Основных полюсов может выть несколько.

 Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под
щеткaми.

К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой
крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются
подшипники якоря.

К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми
(поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется
щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения
необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя
пружинa

Якорь предстaвляет собой подвижную чaсть. Нa него устaнaвливaется
сердечник с пaзaми (поз.5), в которые уложенa обмоткa якоря. Сердечник собирaется
(шихтуется) из тонколистовой электротехнической стaли. Перед сердечником устaновлен
 коллектор (поз. 1). Он состоит из изолировaнных друг от другa медных плaстин. Плaстины
имеют трaпецеидaльную форму и при сборке обрaзуют полый цилиндр. Кaждaя плaстинa
имеет рaсширенную нижнюю чaсть, которaя служит для крепления плaстин между
собой и нaзывaется «лaсточкин хвост». Сверху имеется выступaющaя чaсть, которaя
нaзывaется «петушок».

 

                                           петушок

лaсточкин хвост

 

. Фото 4

Якорь мaшины в сборе

Обмоткa якоря состоит из нескольких секций, которые
соединяются между собой через коллекторные плaстины. Для этого нaчaло кaждой
секции припaивaется к «петушку».

С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники,
которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.

Принцип рaботы мaшин постоянного токa

Принцип
действия генерaторa основaн   нa    использовaнии
зaконa электромaгнитной    индукции.

Принцип
рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa,
состоящaя из одной секции с одним витком.  Концы секции присоединены к двум
изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные
плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных
полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa.
Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении
рaмки одновременно переходили с одного полукольцa

Якорь
рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с
помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции
(имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции
будет нaводиться ЭДС

генератор

Рис.3

.
В мaгнитном поле  нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены
они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa
рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения
угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться.
Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят
вдоль силовых  линий,  не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При
этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется,
и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными
силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет
вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх
секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.

Следовaтельно,
при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя
ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы
ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены
неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление
токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число
секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился
виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.

При
рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них
проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть
врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля
постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по
обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий
момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных        

                                                                                                      F                          F

Но
при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют 
врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло
число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился
кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель
будет врaщaться с постоянной скоростью.

Реферат: Машины постоянного тока Принцип работы

Учреждение образования

«Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина»

Реферат

Тема: «Машины постоянного тока»

Выполнила студентка 3 курса группы

ФМ-31

Федюкович Юлия Александровна

Руководитель:

Брест, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Общие сведения

Принцип работы и устройство генераторов постоянного тока. Типы обмоток якоря

ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Реакция якоря

Коммутация

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Обратимость машин постоянного тока. Двигатели

Двигатель параллельного и независимого возбуждения

Двигатель последовательного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения

Коллекторные двигатели переменного тока

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современной электроэнергетике используется преимущественно переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется теми достоинствами постоянного тока, которые сделали его незаменимым при решении многих практических задач. Так, среди электрических машин двигатели постоянного тока занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА. ТИПЫ ОБМОТОК ЯКОРЯ

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (рис. 6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют коллектор — два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, рис. 6-1, б).

/>

Устройство промышленного генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины I, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря.

/>

В большинстве случаев электромагниты питаются от самого генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное сопротивление между полюсами уменьшается благодаря стальному сердечнику якоря. Выводы обмоток припаивают к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей припаивают к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же валу крепят и вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, в ставленные в щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (рис. 6-3), при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе.

/>

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более подробно.

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку — спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС (рис. 6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины — противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться низменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток.

Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так как в заворачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (рис. 6-4, б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (рис. 6-5, а). Если далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой (рис. 6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен. Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

/>

Минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным. Обмотки барабанного якоря (рис. 6-6) укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция — это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону.

ЭДС И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле

/>. (1)

Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции.

Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

/>/>, (2)

где d — диаметр сердечника якоря, l— образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при />= 90° равна

/>, (3)

где l- длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v — линейная (окружная) скорость движения проводника.

Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср и линейной скорости

/>

и после преобразования получим:

/>, (4)

где n — скорость вращения якоря.

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет />активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:

–PAGE_BREAK–

/>, (5)

где />— ЭДС генератора.

Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:

/>. (6)

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:

/>. (7)

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения.

Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = />), причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:

/>, (8)

где F — сила, действующая на якорь.

При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила

/>,

а на N проводников обмотки

/>. (9)

Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать следующим образом:

/>, (10)

Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение для мощности:

/>=/>/>=/>. (11)

Так как

/>Ф,

то окончательно имеем:

/>. (12)

Для общего момента машины М можно записать:

/>,

где

/>

постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции.

Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой

М = сФ1я. (13)

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

/>

В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток — поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т. е. имеет место явление, называемое реакцией якоря

Если отдельно изобразить картины полей полюсов (рис. 6-7, а) и якоря (рис. 6-7, б) и сравнить их, то можно видеть, что поле якоря является поперечным по отношению к полю полюсов. Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения), как и в синхронном генераторе с активной нагрузкой, под набегающими краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины индукция будет уменьшаться, а под сбегающими увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции якоря не только исказится картина поля (рис. 6-7, в), но уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится. Реакция якоря приведет к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол />(с геометрической нейтрали nn’ на физическую нейтраль mm’), где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол Р возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя физическая нейтраль смещается против направления вращения.

Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.

КОММУТАЦИЯ

Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.

/>/>/>

Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность этого процесса — периодом коммутации.

Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере обмотки с двумя параллельными ветвями.

Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с коллекторной пластиной 1 (рис. 6-8, а), ток нагрузки I, протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется в обе параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (рис. 6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим краем будет увеличиваться, а под сбегающим — уменьшаться, распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за это время ток в выделенной секции (провода 1—4) изменяется от +/> до нуля и от нуля до -/>. Так как секция

имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции. Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между этой пластиной и щеткой произойдет искрение.

Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (рис. 6-8, в), выделенная нами секция 1—4 оказалась в левой параллельной ветви, ток в ней изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация следующей секции, т. е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение.

Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно в таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов во всех проводниках будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока, возникающего в коммутируемых секциях, в машинах высокого напряжения применяют твердые угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов. Этот метод основан на следующем.

ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные полюсы размещают на геометрической нейтрали и снабжают обмотками, включенными последовательно в цепь нагрузки (рис. 6-9). Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных

Рис. 6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря. У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения ставят дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателя — такой же полярности. Это условие автоматически выполняется при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, так как направление тока изменяется на противоположное.

У большинства машин постоянного тока делают по два дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один дополнительный полюс.

СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

/>/>/>/>

    продолжение
–PAGE_BREAK–

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (рис. 6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на рис. 6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (рис. 6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U„ уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора UB уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на рис. 6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (рис. 6-10, в). При отсутствии нагрузки (/>=0) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на рис. 6-11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

/>

Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0ВУ — включаемую параллельно якорю, ОВ2 (дополнительную) — последовательно (рис. 6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

ОБРАТИМОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ДВИГАТЕЛИ

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (рис. 6-12, и). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.

/>/>/>/>

Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 6-12, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 6-12, б) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (рис. 6-12, г.)

Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря />включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток />, значение которого может быть определено по закону Ома:

/>. (17)

Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение — порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10—30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен

/>. (18)

Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1 —1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции />, полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т. е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением

/>. (19)

Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (19) представим в следующем виде:

/>. (20)

Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции />и падением напряжения на сопротивлении якоря />

Умножив обе части уравнения (20) наIя, получим:

/>. (21)

В этом новом уравнении (21) левая частьIяU представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части />— мощность, поглощаемую сопротивлением якоря />(электрические потери в якоре). Очевидно, что член />представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, />и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности,, которая преобразуется в механическую (включая механические потери).

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре />= 0 преобразование (полезное) отсутствует (/>= 0), хотя потребляемая из сети мощность />максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя (/>0) потребляемая из сети мощность (/>) уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля (/>/>0).

Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение (19) значение ЭДС из соотношения (7). После преобразования получим:

/>. (22)

Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря />значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).

/>

Действительно, если при установившемся токе в якоре и скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться, быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и для генератора (13).

Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

ДВИГАТЕЛЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема включения двигателя постоянного, тока параллельного возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке 6-13. Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения.

/>

Скоростная характеристика n=f(Iя) таких двигателей при U =const и Iв = const приведена на рисунке 6-14, для объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя (22):

/>.

Изменение скорости вращения может происходить за счет изменения нагрузки и магнитного потока. Но изменение тока нагрузки лишь незначительно изменяет внутреннее падение напряжения благодаря малости сопротивления цепи якоря, которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток нагрузки в конечном счете лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что касается магнитного потока Ф, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения. Таким образом, скорость вращения двигателя параллельного возбуждения очень мало изменяется.

Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо изменением магнитного потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи являются очень опасными для двигателей параллельного и независимого возбуждения, так как ток в якоре возрастает до недопустимо большого значения. В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный режим — «разнос» двигателя).

    продолжение
–PAGE_BREAK–

Двигатели независимого возбуждения нашли широкое применение в качестве исполнительных двигателей в схемах автоматики, а иногда в качестве так называемого электромагнитного тормоза. Когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подьемнотранс-портных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

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

ДВИГАТЕЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

/>/>

Скоростную характеристику можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:

n=/>,

где /> — сопротивление обмотки возбуждения.

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения.

Значительное уменьшение нагрузки приведёт к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться, либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.

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

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

M=/>

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

Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.

/>

Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно принять в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подьемнотранспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

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

ДВИГАТЕЛЬ СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения изображена на рисунке 6-18. На каждом полюсе такого двигателя имеются обмотки — параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).

/>

Уравнения скорости вращения и вращающего момента для них выражаются так:

/>

и

М = с1я (Фпр ± Фпс),

где знак плюс относится к согласному включению обмоток возбуждения, минус— к встречному. В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток по свойствам двигатель приближается к двигателям параллельного либо последовательного возбуждения. Как правило, у двигателей смешанного возбуждения последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная — вспомогательной. Благодаря магнитному потоку параллельной обмотки скорость вращения такого двигателя не может возрастать беспредельно при малых нагрузках (или на холостом ходу), т. е. двигатель не будет «разносить».

Двигатели с согласным включением нашли широкое применение в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент и изменение скорости при переменных нагрузках (включая малые нагрузки и холостой ход). Двигатели же со встречным включением применяют для получения постоянной скорости при изменяющейся нагрузке.

На рисунке 6-19 приведены для сравнения нагрузочные характеристики двигателей с различными способами возбуждения.

/>

КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Одновременное изменение тока в якоре и обмотке возбуждения двигателя постоянного тока не изменяет его направления вращения. Это свойство используется в коллекторных двигателях переменного тока, где ток с частотой сети одновременно изменяет свое направление в обеих обмотках.

Конструкция коллекторных двигателей переменного тока значительно сложнее конструкции двигателей постоянного тока. Всю магнитную систему набирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, чтобы избежать ее сильного нагревания от столь частого перемагничивания. Для уменьшения реактивного сопротивления двигателя, ухудшающего cos/>сети, станину снабжают компенсационной обмоткой, расположенной равномерно по окружности статора и соединенной последовательно с якорем. Для улучшения компенсации ЭДС самоиндукции в секциях якоря статор делают неявнополюсным. Для получения удовлетворительной коммутации, при которой короткозамкнутая секция оказывается подобной короткозамкнутой обмотке трансформатора, число витков в секциях уменьшают, увеличивая число секций, и ограничивают ток включением между секциями и коллектором специальных резисторов. Наличие большого числа секций и пластин коллектора сильно увеличивает размеры коллектора, что является внешним отличительным признаком коллекторных двигателей переменного тока от двигателей постоянного.

Почти все коллекторные двигатели переменного тока имеют последовательное возбуждение. Двигатели параллельного возбуждения из-за большой индуктивности обмотки возбуждения (большого сдвига фаз между током в якоре и потоком) имеют весьма незначительный вращающий момент, поэтому на практике такие двигатели не применяют.

Иногда встречаются маломощные так называемые универсальные двигатели, которые работают как от постоянного, так и от переменного тока. В этих двигателях обмотка рассчитана на работу постоянного тока, а часть ее (отвод) — на работу переменного тока, так как сопротивление одной и той же обмотки меньше для постоянного, чем для переменного тока.

Из-за сложности конструкции и дороговизны коллекторные двигатели большой мощности применяют в редких случаях, где это экономически оправдывает себя, например для привода одного механизма с широкими пределами регулирования скорости. Иногда встречаются трехфазные коллекторные двигатели с питанием со стороны ротора, в которых перемещение щеток по коллектору дает регулирование скорости в широких пределах, но этот двигатель очень дорог.

Широкое распространение получили маломощные (до 200 Вт) универсальные коллекторные двигатели последовательного возбуждения. Их применяют для нужд бытового электропривода (швейных машин, пылесосов, для мелких электродрелей, вентиляторов и т. д.)