Электрический двигатель: устройство, принцип работы, механическая характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Забайкальский государственный университет

Горный факультет

Кафедра открытых горных работ

Реферат

По дисциплине: «Электрооборудование и энергоснабжение»

На тему: «Электрический двигатель: устройство, принцип работы, механическая характеристика»

Выполнил: ст.гр. ГО-10

Рубцов А.Н.

Проверил:

Позлудко С.Г.

Чита 2013

1. Электродвигатели постоянного тока

Принцип действия электродвигателя иллюстрирует рис. 1. На рис. 1,а провод с током, направленным от читателя (кружок с крестиком, изображающим задний, оперенный конец стрелы), перпендикулярен магнитному полю, существующему между магнитными полюсами N и S. Магнитный поток вокруг провода, создаваемый его током, направлен по часовой стрелке. Он увеличивает магнитное поле над проводом и уменьшает его под проводом. Магнитные силовые линии, подобно упругим нитям, стремящимся сократиться, действуют на провод с силой F, направленной вниз. Когда ток в проводе направлен так, как показано точкой на рис. 7,б (символизирующей острие стрелы, летящей навстречу), магнитное поле усиливается под проводом и ослабляется над ним, и сила F, действующая на провод, направлена вверх. На рис. 1,в изображен простой виток провода, расположенный параллельно оси полюсов. В этом случае возникает вращающий момент 2Fd, стремящийся повернуть виток по часовой стрелке. Чтобы такое вращение поддерживалось, направление тока в витке должно измениться на обратное, когда последний перейдет через вертикальное положение. Для этого необходим коллектор, изменяющий направление тока после каждой половины оборота.

Рис. 1 Двигатель постоянного тока, принцип действия. а - сила, действующая на один провод витка в магнитном поле, направлена вниз; б - сила, действующая на второй провод, направлена вверх; в - две силы поворачивают виток в вертикальное положение; г - направление тока в проводах реального двигателя при этом изменяется на обратное (что показано точками и крестиками в кружках), и витки продолжают вращаться

1.1 Конструкция

Якорь двигателя постоянного тока обычно имеет большое число витков провода и соответствующих им секций коллектора, так что при заданных токе якоря и напряженности магнитного поля вращающий момент практически постоянен. На рис.1,г представлен якорь двигателя постоянного тока (в разрезе), находящийся в магнитном поле между двумя полюсами магнита. Вращающий момент, действующий на якорь, пропорционален напряженности магнитного поля и току в обмотке якоря. Момент на выходном валу двигателя несколько меньше теоретического значения, поскольку часть его затрачивается на преодоление трения, а часть теряется из-за вихревых токов и гистерезиса в железе якоря.

В двигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединяется к зажимам источника неменяющегося напряжения, так что магнитное поле почти постоянно.

Поэтому вращающий момент пропорционален току якоря (рис. 2). На рис. 3 представлена схема включения двигателя с последовательным возбуждением, в которую входит пусковое устройство.

Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, а потому, если пренебречь насыщением железа, магнитное поле пропорционально току якоря. Если ток якоря увеличить вдвое, то магнитное поле удвоится, а вращающий момент увеличится в 4 раза.

Таким образом, в двигателе с последовательным возбуждением вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря (кривая А на рис. 8). В двигателе же со смешанным возбуждением параллельная обмотка возбуждения создает постоянное магнитное поле, а последовательная (если пренебречь насыщением) - пропорциональное току в ней.

Поэтому вращающий момент такого двигателя возрастает с увеличением нагрузки быстрее, чем для двигателя с параллельным возбуждением, но медленнее, чем для двигателя с последовательным (кривая В на рис. 2).

Рис. 2 Вращающий момент двигателя постоянного тока: А - с последовательным, В - со смешанным и С - с параллельным возбуждением, в зависимости от тока, наводимого в якоре

Рис. 3 Пускатель двигателя с последовательным возбуждением (схема включения). Обмотка возбуждения включается последовательно с якорем. При удвоении тока якоря магнитное поле тоже удваивается

1.2 Механическая характеристика

Поскольку якорь двигателя вращается в магнитном поле, в проводниках якоря, как и в генераторе, наводится ЭДС Е. Но эта ЭДС противоположна току якоря и напряжению V во внешней цепи на входных зажимах. Можно показать, что частота вращения двигателя равна KsEj, где Ks - постоянный множитель, Е - противо-ЭДС, а j - магнитный поток.

1.3. Двигатель с параллельным возбуждением. Противо-ЭДС немного уменьшается с увеличением нагрузки, что связано с падением напряжения на обмотке якоря, составляющим 2-7% выходного напряжения V. Поскольку обмотка возбуждения присоединена к зажимам источника неизменяющегося напряжения, поток j почти постоянен. Поэтому частота вращения немного падает с увеличением нагрузки, как показывает кривая С на рис. 10. Двигатели с параллельным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется почти постоянная частота вращения, - в силовых передачах с постоянной частотой вращения, в металлорежущих станках, печатных машинах. Частоту вращения можно задавать и регулировать, изменяя ток возбуждения посредством реостата в цепи возбуждения.

1.2.Двигатель с последовательным возбуждением. Противо-ЭДС отличается от напряжения на выходных зажимах на 3-8% - таково падение напряжения на последовательной обмотке возбуждения и на обмотке якоря. Магнитный поток пропорционален току якоря (в пренебрежении насыщением). Поэтому частота вращения приблизительно обратно пропорциональна току якоря (кривая А на рис. 10). Когда этот ток приближается к нулю, частота вращения быстро нарастает, т.е. двигатель выходит из-под контроля. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением должен быть жестко связан с нагрузкой (например, посредством зубчатой передачи или другого устройства, ограничивающего частоту вращения). Благодаря быстрому нарастанию вращающего момента с увеличением тока такой двигатель очень подходит в качестве тягового для поездов метро и железнодорожных электровозов, для которых требуются большие пусковые моменты, быстрое ускорение и большие вращающие моменты при преодолении подъемов. Он применяется также на подъемниках, кранах и в автомобильных стартерах.

1.3. Двигатель со смешанным возбуждением. Магнитный поток j в двигателе с увеличением тока возрастает, а частота вращения быстро падает (кривая В на рис. 10). В отличие от двигателя с последовательным возбуждением у двигателя со смешанным возбуждением частота вращения не нарастает беспредельно в отсутствие нагрузки. Такие двигатели применяются для лифтов, поскольку последовательная обмотка возбуждения создает большой вращающий момент, необходимый для быстрого ускорения, а параллельная обеспечивает постоянную частоту вращения после разгона. Они также незаменимы в приводах, требующих периодического приложения больших вращающих моментов - для мощных ножниц, штампов, прессов и прокатных станов. При уменьшении тока сам двигатель и другие вращающиеся элементы, например маховики, передают нагрузке свою кинетическую энергию, что позволяет существенно снизить пиковые нагрузки энергоблоков.

1.3 Применение

Двигатели постоянного тока имеют хорошие рабочие характеристики, а именно: широкий диапазон регулирования частоты вращения, возможность задания фиксированных частот вращения, быстрые разгон и торможение, постоянный вращающий момент и пригодность для автоматического регулирования, благодаря чему они находят все более широкое применение.

Во многих непрерывных технологических процессах требуется подавать, причем часто на большой скорости, лист или ленту материала (бумаги, резины, стали) на вход машины или группы машин. В таких условиях необходимо быстро и точно регулировать натяжение листа. Неправильно установленное натяжение может приводить к разрыву листа или к снижению качества продукции. Регулирование натяжения необходимо и при намотке ленты; иначе натяжение будет слишком быстро нарастать с увеличением диаметра рулона, что тоже грозит разрывом ленты или ее нежелательным деформированием. По этим причинам в электроприводах постоянного тока применяется автоматическое регулирование. На выходе машины устанавливается датчик, сигнал которого поступает на блок сравнения регулятора. При наличии рассогласования между регулируемым параметром продукции и «уставкой» (его заданным значением) сигнал ошибки подается на исполнительный орган автоматического регулятора, который и устраняет рассогласование. Автоматические регуляторы приводов постоянного тока, переключая токи и напряжения, почти мгновенно изменяют частоту вращения двигателей постоянного тока.

2. Синхронные двигатели переменного тока

Трехфазный синхронный генератор - обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение - микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис. 13). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна и равна

S = (120f) /P (об/мин).

Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий - ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы.

Рис. 4 Форма ротора синхронного двигателя. При постоянной частоте переменного тока частота вращения постоянна

В отсутствие вращения момент на валу синхронного двигателя равен нулю. Чтобы он заработал, нужно довести его до частоты вращения, близкой к синхронной. Это можно сделать при помощи вспомогательного двигателя.

2.1 Асинхронные двигатели переменного тока

Если синхронный двигатель служит приводным двигателем генератора постоянного тока, то последний можно использовать в качестве двигателя для разгона синхронного двигателя до синхронной частоты. Пуск синхронного двигателя можно также осуществлять при помощи асинхронного двигателя.

В момент пуска ток обмотки якоря может в 3-8 раз превышать нормальное рабочее значение. Чрезмерное понижение напряжения источника питания предотвращают, понижая в этот период подводимое напряжение при помощи последовательно включаемого токоограничивающего реактора.

Ротор многофазного асинхронного двигателя выполняется в виде шихтованного цилиндрического якоря, набранного из тонких кольцевых пластин с осевыми пазами. Существуют обмотки ротора двух видов: короткозамкнутая (типа «беличьей клетки») и фазная. Короткозамкнутая обмотка выполняется либо из медных стержней, заложенных в пазы и припаянных на концах к массивным торцевым кольцам, замыкающим их накоротко, либо из алюминиевых проводников в пазах и концевых колец, отлитых зацело непосредственно в сердечнике, помещенном в форму. Фазная обмотка состоит из отдельных обмоток для всех фаз, вложенных в пазы ротора, с выводами на токособирательные кольца. Щетки позволяют вводить в цепь ротора сопротивление для увеличения пускового момента, а иногда и для регулировки частоты вращения. Обычно статор - первичный элемент, к которому подводится питание, а ротор - вторичный, в котором наводятся токи. Вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазными токами статора, наводит токи в проводниках ротора. Направление наведенных токов таково, что они, взаимодействуя с индуцирующим их полем, создают вращающий момент, действующий в направлении вращающегося магнитного поля. Таким образом, ротор вращается вслед за полем. Но он не может вращаться с той же частотой, так как тогда наведенные токи были бы равны нулю, а значит, отсутствовал бы вращающий момент. Поэтому неизбежно и необходимо «скольжение» ротора. Скольжение s определяется равенством

s = (N - N2)/N,

где N2 - частота вращения ротора. Например, если синхронная частота вращения N четырехполюсного 60-Гц асинхронного двигателя равна 1800 об/мин, а частота вращения ротора - 1728 об/мин, скольжение равно s = (1800 - 1728)/1800 = 0,04, т.е. 4%. Частота токов ротора равна sf, где f - частота токов в статоре. Например, в упомянутом двигателе частота токов в роторе равна 0,04ґ60 = 2,4 Гц.

2.2 Механическая характеристика

Когда вал ротора нагружается, возникает потребность в увеличении тока в проводниках ротора. Для этого должна увеличиться скорость пересечения магнитного потока статора, а, следовательно, с увеличением нагрузки должно увеличиваться скольжение ротора. Поскольку частота ротора возрастает с увеличением его скольжения, токи, наводимые в проводниках ротора, все больше и больше сдвигаются по фазе относительно магнитного потока, так что, пройдя через максимум, вращающий момент уменьшается.

Рис. 5 Механическая характеристика. 1 - зависимость вращающего момента от частоты вращения и скольжения ротора для двигателя с короткозамкнутым ротором; 2 - то же после увеличения сопротивления ротора; 3 - то же после того, как сопротивление ротора сделано равным реактивному сопротивлению в отсутствие вращения

Максимальный вращающий момент изменяется пропорционально квадрату сетевого напряжения и обратно пропорционально величине реактивного сопротивления ротора при нулевой частоте вращения, а следовательно, обратно пропорционально величинам индуктивности ротора и частоты статора; он не зависит от активного сопротивления ротора. Кривая 1 относится к двигателю с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент (при скольжении 100%), как правило, равен полному моменту нагрузки или больше его. Двигатель с короткозамкнутым ротором прост, механически надежен, обладает высоким КПД и широко применяется в приводах с постоянной частотой вращения в тех случаях, когда не требуются большие пусковые моменты. Кривая 2 показывает, как влияет на характеристику увеличение сопротивления ротора. Максимальный вращающий момент не изменяется, но максимум смещается в сторону увеличения скольжения и, следовательно, уменьшения частоты вращения. Сделав сопротивление цепи ротора равным ее реактивному сопротивлению в отсутствие вращения, можно получить максимальный вращающий момент при пуске (кривая 3). Чтобы можно было вводить сопротивление в цепь ротора, нужен ротор с фазной обмоткой, концы которой были бы выведены на токособирательные кольца коллектора. Тогда с помощью внешнего реостата, выполняющего роль пускателя или контроллера, можно ввести в цепь ротора сопротивление и получить максимальный вращающий момент при пуске. После разгона ротора это сопротивление можно отключить, и тогда двигатель может работать на характеристике 1 или 2. Сопротивление фазного ротора не может быть сделано столь же малым, как обычное сопротивление короткозамкнутого, так что при прочих равных условиях скольжение такого ротора больше.

Двигатель с последовательным возбуждением, в котором возбуждение максимально при пуске и уменьшается после его разгона до нормальной частоты вращения, обеспечивает большой вращающий момент.

Двигатели с фазными роторами используются в тех случаях, когда требуются большие пусковые моменты, например, в электровозах и подъемниках, а также тогда, когда желательно регулирование частоты вращения.

3. Генераторы постоянного тока

На рис. 1,а показан виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси 00ў в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показано стрелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 приведены на графике рис. 6,б. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3), ЭДС равна нулю; когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем, ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлению при прохождении мимо южного полюса. Поэтому ЭДС меняет знак через каждую половину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и, стало быть, течет переменный ток. Если предусмотреть в конструкции токособирательные (контактные) кольца, то переменный ток пойдет во внешнюю цепь.

Рис. 1 Генераторы переменного (а) и постоянного (в) тока и их ЭДС (б и г соответственно)

3.1 Конструкция

Генератор постоянного тока должен давать ток, который всегда течет в одном направлении. Для этого нужно переключать контакты внешней цепи в тот момент, когда ЭДС падает до нуля, прежде чем она начнет нарастать в другом направлении. Это делается с помощью коллектора, схематически изображенного на рис. 6,в. В показанном простейшем случае он представляет собой кольцо, разрезанное на две части по диаметру. Один конец витка присоединен к одному из полуколец, другой - к другому. Щетки расположены так, что они перекрывают зазоры между полукольцами, когда плоскость витка перпендикулярна магнитному полю (в положениях 1 и 3) и ЭДС равна нулю. Как явствует из рисунка, каждый раз, когда ЭДС меняет знак, переключаются концы внешней цепи, так что ток в ней течет всегда в одном направлении (рис. 1,г). Если к витку, показанному на рис. 1,в, добавить еще один, перпендикулярный ему, то его ЭДС будет соответствовать кривой bb, сдвинутой относительно первоначальной на 90° Полная ЭДС будет соответствовать сумме двух кривых, т.е. значительно более гладкой кривой e. На практике используется большое число витков и коллекторных сегментов так что пульсации ЭДС незаметны.

Два вращающихся витка дают кривую тока е, равную сумме тока ааа, даваемого одним витком, и тока bbb, даваемого другим витком, перпендикулярным первому.

Рис. 2 Конструкция генератора с многочисленными витками, расположенными по окружности цилиндрического якоря. Генератор дает практически постоянный ток. 1 - коллектор; 2 - щетки; 3 - магнитные полюса; 4 - витки; 5 - вал; 6 - якорь. Коллектор состоит из секций, число которых равно числу витков якоря. Ток вырабатывается при вращении вала за счет механической энергии

электродвигатель генератор ток

4. Генератор с параллельным возбуждением

Многие генераторы сами создают магнитное поле возбуждения (работают в режиме самовозбуждения). В генераторе с параллельным возбуждением, схема которого представлена на рис. 2, цепь возбуждения присоединена к зажимам якоря, причем предусмотрен последовательный реостат для изменения тока и, следовательно, напряжения генератора. Обмотка возбуждения состоит из большого числа витков сравнительно тонкой проволоки, так что ее сопротивление велико и ток возбуждения обычно не превышает 0,5-3% номинального выходного тока генератора. Генератор развивает свое напряжение от нуля за счет небольшого остаточного магнетизма в железной магнитной цепи. Якорь пересекает это слабое поле, и в обмотке возбуждения появляется слабый ток. Его направление таково, что создаваемое им слабое поле возбуждения добавляется к остаточному полю. В результате начинает увеличиваться наводимая ЭДС, снова увеличивается ток возбуждения, а с ним и магнитное поле. ЭДС начинает быстро нарастать, и ее рост ограничивается только реостатом в цепи возбуждения и магнитным насыщением железа.

Рис. 2 Генератор с параллельным возбуждением (схема включения). Поле возбуждения создает обмотка, питаемая током, который вырабатывает сам якорь

5. Генератор со смешанным возбуждением

При подключении нагрузки к генератору с параллельным возбуждением напряжение на его зажимах падает, в частности, из-за того, что нагрузка отбирает часть тока возбуждения. Такое понижение нежелательно по многим соображениям: это может приводить, например, к изменению яркости осветительных ламп и пр. Его можно исключить, добавив еще одну обмотку возбуждения, соединенную последовательно либо с нагрузкой (короткий шунт), либо с якорем (длинный шунт). Тогда ток нагрузки будет проходить через последовательную обмотку возбуждения и увеличивать магнитное поле. Степень компаундирования можно регулировать посредством переменного резистора с малым сопротивлением, шунтирующего последовательную обмотку возбуждения Если напряжение в отсутствие нагрузки равно напряжению при номинальной нагрузке, то генератор называется плоско-компаундированным если напряжение под нагрузкой больше, чем в ее отсутствие, то он - перекомпаундированный (кривая А). Недокомпаундированные генераторы (кривая D) используются редко.

Рис. 4 Генератор со смешанным возбуждением снабжен дополнительной обмоткой возбуждения, включенной последовательно: а - с нагрузкой; б - с якорем

6. Генераторы переменного тока

6.1 Конструкция

В синхронных генераторах обмотку якоря (т.е. ту обмотку, в которой индуцируется ЭДС) обычно делают неподвижной (и называют обмоткой статора), а обмотку возбуждения - вращающейся (и называют обмоткой индуктора), причем машины с иным расположением обмоток называют обращенными. Дело в том, что напряжение на обмотке якоря нередко бывает большим (до 25 кВ); то же относится к рабочим токам. Если якорь неподвижен, то легче изолировать выводы его обмотки, присоединяемые к внешним токоведущим шинам. Обмотка возбуждения же обычно потребляет значительно меньше 1% генерируемой мощности и питается постоянным током при напряжении 125 или 250 В. Передача столь малой мощности при низком напряжении на обмотку вращающегося индуктора через щеточно-коллекторный аппарат не сопряжена с большими трудностями.

Частота тока f связана с частотой вращения S и числом P полюсов статора или ротора соотношением f = SP/120 Гц. Если P = 4, а частота вращения S = 1800 об/мин, то f = (1800ґ4)/120 = 60 Гц. Такая частота (60 Гц) чаще всего применяется в электротехнике; она достаточно велика, чтобы не было заметно мигания осветительных ламп, но в то же время достаточно мала для удовлетворительной работы большинства машин. В отношении конструкции обмотки возбуждения синхронные генераторы бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения; они подходят для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с выфрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах клиньями, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха. Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными, так что на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального (амплитудного) значения. Почти все мощные синхронные генераторы (и двигатели) охлаждаются водородом.

Список использованной литературы

1. “Справочник по электроснабжению и электрооборудованию”. Под общей редакцией А. А. Федорова. Том первый. “Электроснабжение”, “Энергоатомоиздат”. 1986 г.

2. “Правила устройств электроустановок”. Издание 6 - е. Энергоатомоиздат.1986 г.

3. Федоров А.А. , Каменев В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Плащанский Л. А. , Основы электроснабжения горных предприятий., МГГУ, 2006 год

5. Медведев Г.Д. “Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий” М.: недра, 1988 г.

6. Цапенко Е.Ф. и др. “Горная электротехника” - М.: недра, 1986 г.

Размещено на Allbest.ru