Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока по своему назначению делятся на электрические генераторы (или просто генераторы), преобразующие механическую энергию в электрическую при постоянном напряжении (генераторы являются источниками электрической энергии), и электрические двигатели (электродвигатели), преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Эта механическая энергия используется для приведения во вращение какого-либо исполнительного механизма (станок, лебедка, колеса трамвая, электропоезда и т. д.).

Кроме того, существуют некоторые специальные виды машин, например машины, предназначенные для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока или наоборот; микромашины, используемые в системах автоматического регулирования, в измерительных и счетно-решающих устройствах в качестве датчиков (например, датчиков скорости) и др.

Электротехнической промышленностью выпускаются машины постоянного тока различной мощности и напряжения. Условно их можно подразделить на следующие группы по мощности:

микромашины, мощность которых измеряется от долей ватта до 500 Вт;

машины малой мощности - 0,5 ? 10 кВт;

машины средней мощности - от 10 до нескольких сотен киловатт;

машины большой мощности - свыше нескольких сотен киловатт.

Напряжение машин постоянного тока изменяется от 6-12 В для используемых на автотранспорте до 30 кВ для используемых в радиотехнических установках.

Большое применение находят машины постоянного тока мощностью до 200 кВт на напряжение 110-440 В с частотой вращения 550-2870 об/мин. Микромашины имеют частоты вращения от нескольких оборотов до 30000 об/мин.

В промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве наиболее широко используют электродвигатели. Генераторы применяют для питания устройств связи, радиотехнических установок и т.д. В последние годы в качестве источников постоянного тока все более широко применяют более экономичные и простые в эксплуатации статические полупроводниковые преобразователи.

электрический постоянный ток двигатель

1.Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока состоит из неподвижной части - статора 1 и вращающейся части - ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф₀.

Рис.

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции. В пазы 5 ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется ЭДС. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

Рис.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

гдеВ - магнитная индукция; l - длина проводника; v - его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение ЭДС. Когда виток занимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

Направление ЭДС в проводнике определяется по правилу правой руки. Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках - е_щ.

Рис.

Хотя ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. ЭДС с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор - из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга. В результате этого пульсации ЭДС обмотки якоря уменьшаются. При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

2.Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1) генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами;

2) генераторы, с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы); генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы); генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая - последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью - мощностью, отдаваемой генератором приемнику; номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря; номинальным током якоря; током возбуждения; номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

3.Электродвижущая сила якоря

Электродвижущая сила обмотки якоряпредставляет собой ЭДС, которая индуцируется в обмотке и измеряется между разнополярными щетками. Следовательно, ЭДС якоряЕможет быть вычислена как алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС в проводниках обмотки, входящих в одну параллельную ветвь:

где N - число проводников в обмотке якоря; а - число пар параллельных ветвей; N/(2a) - число проводников, входящих в одну параллельную ветвь; е_х - мгновенное значение ЭДС в проводнике х; В_х - магнитная индукция в той точке окружности якоря, в которой расположен проводник х.

При вращении якоря число проводников в параллельной ветви не меняется и при достаточно большом количестве пазов якоря и числе проводников в обмотке якоря места положения проводников, образующих параллельную ветвь, остаются неизменными в пространстве между полюсами. Это позволяет заменить сумму магнитных индукций В_хпроизведением среднего значения магнитной индукции В_срна число слагаемых:

Тогда

Длина окружности якоря, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением:

где D - диаметр якоря; р - число пар полюсов.

Поэтому, воспользовавшись соотношением между линейной скоростью и частотой вращения , получим , где п - частота вращения, об/мин.

Таким образом, ЭДС якоря

где - магнитный поток.

Для конкретной машины значения р, N и а являются постоянными. Поэтому коэффициент , а ЭДС якоря машины постоянного тока

Итак, для изменения ЭДС якоря генератора необходимо изменить либо магнитный поток путем изменения тока возбуждения, либо частоту вращения двигателя, вращающего якорь генератора.

4.Принцип действия двигателя постоянного тока

Электрическая энергия подводится к обмоткам якоря и возбуждения двигателя постоянного тока, которые имеют такое же устройство, как и обмотки генератора. Благодаря коллектору подводимый постоянный ток меняет направление в проводниках обмотки якоря, когда при вращении якоря они переходят в другую параллельную ветвь, т. е. попадают в пространство под другим полюсом. Таким образом, направление тока в праводниках обмотки якоря, находящихся под данным полюсом, остается все время неизменным.

Рис.

Как известно, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электромагнитная сила F, направление которой определяется правилом левой руки. При указанном на рисунке направлении тока в обмотке якоря и полярности полюсов якорь машины вращается под действием силы Fпротив часовой стрелки. Таким образом, машина постоянного тока развивает вращающий момент и к ее валу может быть приложен тормозной момент - механическая нагрузка.

При вращении якоря двигателя проводники его обмотки пересекают магнитный поток и в них индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рисункепод каждым полюсом условно показан один проводник обмотки якоря с направлением тока I_я в нем и определенным согласно направлению вращения якоря направлением ЭДС якоряЕ, значение которой определяется по формуле . Видно, что ЭДС якоря двигателя направлена противоположно току в нем, а следовательно, и подводимому напряжению U. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется противо-ЭДС.

Для цепи обмотки якоря двигателя по второму закону Кирхгофа получаем

или

Это уравнение показывает, что приложенное к якорю напряжение уравновешивается противо-ЭДС якоря и падением напряжения в его обмотке. Так как у двигателя I_я>0, то U>Е.Но эта разность невелика (не превышает 8-10%), так как сопротивление обмотки якоря очень мало.

По способу включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря двигатели постоянного тока делятся на двигатели параллельного возбуждения, двигатели последовательного возбуждения и двигатели смешанного возбуждения. Следует особо отметить, что машина постоянного тока является обратимой машиной, т. е. она может работать как генератор электрической энергии, если к ее валу подводится механический вращающий момент, и как двигатель, если к ее обмоткам подводится электрическая энергия.

5.Вращающий момент двигателя постоянного тока

Вращающий момент электродвигателя создается электромагнитными силами, действующими на все проводники обмотки якоря. Сила F_x, действующая на проводник обмотки якоря, находящийся в точке х окружности якоря, , где В_х - магнитная индукция в точке х окружности якоря; l - длина проводника; I - ток в нем. Эта сила создает вращающий момент , где D - диаметр якоря.

Сумма моментов М_хвсех проводников создает электромагнитный вращающий момент двигателя

где N - число проводников обмотки якоря. Принимая в расчет среднюю магнитную индукцию, получаем .

Тогда

Ток I в проводнике якоря можно выразить через ток якоря I_я: . Далее, если учесть, что(ф - полюсное деление), то вращающий момент

где - постоянная величина.

Таким образом, вращающий момент двигателя постоянного тока пропорционален току якоря и магнитному потоку. Именно поэтому при пуске двигателя для получения наибольшего пускового момента необходимо иметь наибольший магнитный поток (ток возбуждения). Вращающий момент называется электромагнитным моментом.

При работе двигателя в установившемся режиме (при п= const) вращающий и тормозной моменты равны по значению (по направлению они взаимно противоположны). При холостом ходе двигателя тормозным моментом является момент холостого хода М₀, обусловленный трением в подшипниках, щеток о коллектор, вращающегося якоря о воздух, потерями мощности в стальном магнитопроводе. Момент холостого хода составляет 2-6% от номинального момента М_ном. Таким образом, при холостом ходе

В режиме нагрузки уравнение равновесия моментов как условие устойчивого режима двигателя принимает вид

где M₂ - тормозной момент, создаваемый приводимым во вращение механизмом на валу двигателя.

В переходных режимах (разгон, изменение нагрузки, остановка) вращающий момент уравновешивается, кроме того, динамическим моментом инерции, т. е.

где M_j - динамический момент инерции якоря и вращающегося с ним исполнительного механизма.

6.Частота вращения двигателя и её регулирование

Воспользовавшись тем, чтоЕ= с_епФ, уравнение можно записать в виде

Откуда

Частота вращения двигателя постоянного тока пропорциональна подводимому к двигателю напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку. Отсюда следует, что для регулирования частоты вращения двигателя можно изменять напряжение источника питания U, магнитный поток Ф машины путем изменения тока возбуждения или сопротивление цепи якоря .

7.Потери мощности

В процессе преобразования энергии в машинах постоянного тока часть энергии преобразуется в теплоту и рассеивается в машине. Потери мощности бывают следующие:

электрические P_п.пр- это потери на нагрев проводов обмоток якоря, добавочных полюсов, возбуждения и др. В каждой обмотке электрические потери пропорциональны квадрату тока: , где I - ток в обмотке; R - ее сопротивление. При этом в сопротивление обмотки якоря включается сопротивление щеточного контакта, а в сопротивление параллельной обмотки возбуждения - сопротивление регулировочного реостата R_pв;

потери в стали магнитопроводаот гистерезиса и вихревых токов Р_п._с- Эти потери пропорциональны квадрату магнитной индукции и частоте вращения якоря;

механические Р_п.мех- это потери, вызванные трением в подшипниках, щеток о коллектор и вращающегося якоря о воздух. Механические потери пропорциональны частоте вращения.

Таким образом, подводимая к двигателю из сети электрическая мощность . Часть этой мощности Р_п.пр тратится на нагрев проводов обмоток. Оставшаяся часть мощности Р_эм,называемая электромагнитной мощностью, характеризует электроэнергию, преобразуемую в механическую. Под действием этой мощности происходит вращение якоря. При этом часть мощности Р_п.сзатрачивается на нагрев стального магнитопровода якоря, часть Р_п.мех - на трение. Оставшаяся мощность Р₂представляет собой полезную механическую мощность на валу двигателя.

КПД двигателя и генератора , где Р₂ - механическая мощность на валу двигателя или электрическая мощность генератора, отдаваемая приемнику; P₁ - электрическая мощность, подводимая к двигателю из сети, или механическая мощность двигателя, вращающего якорь генератора.

Номинальное значение КПД двигателей малой мощности составляет 0,78-0,85, а двигателей средней и большой мощности - 0,85-0,94.

Литература

1.Расчет электрических цепей в MATLAB: учебный курс для студентов электротехнических, системотехнических и родственных специальностей.-СПб.: Питер, 2004. - 250 с..-Прил.: с. 234-239.-Библиогр.: с. 240.-Алф. указ.:

2.Основы теории цепей. Использование пакета MicrowaveOffice для моделирования электрических цепей на персональном компьютере: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 554000 "Телекоммуникации";рец.: Р.Б. Мазепа, В.И. Сивов, УМО вузов России по .-М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 160 с..-(Библиотека студента)

3.Электротехника: учебник для студентов неэлектротехнических специальностей высших учебных заведений;рец. В.А. Кузовкин, М-во образования РФ.-М.: Академия, 2003. - 540 с..-(Высшее образование).-Библиогр.: с. 525.-Предметный указ.: с.526-532

Размещено на Allbest.ru