Электрические машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

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).

Выпуск машин постоянного тока значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

1. Основные элементы конструкции МПТ

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1). По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Рис. 1 Устройство машины постоянного тока: 1 -- обмотка возбуждения; 2 -- полюсы; 3 -- ярмо; 4 -- полюсный наконечник; 5 -- якорь; 6 -- проводники якорной обмотки; 7 -- зубец якорного сердечника; 8 -- воздушный зазор машины

2. Главные полюса

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5--1 мм (рис. 2). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая -- располагается вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины.

Рис. 2 Полюс машины постоянного тока: 1 -- полюсный сердечник; 2 -- воздушный зазор; 3 -- полюсный наконечник; 4 -- обмотка возбуждения 5 -- болт для крепления полюса; 6 -- ярмо

Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

Рис. 3 Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени: а -- пространственное распределение индукции под полюсом; б -- изменение э.д.с.. проводника во времени; в -- выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках

электродвигатель ток машина индукция

На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла б. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4). В теории электрических машин, кроме угла бг, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла бэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол бэ=360 эл. град или 2р эл. рад. Поэтому

бэ=сбг (1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем бэ=2бг.

Рис. 4 Распределение потока в четырехполюсной машине: а -- чередование полюсов; б -- распределение индукции в воздушном зазоре

3. Якорь МПТ

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с. проводника

e=Bбlн, (2)

где Ва -- нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I -- активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;

v -- скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e?Bб. (3)

Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре Вб, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n-- скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е.

(4)

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w, выраженное через механическую скорость вращения

имеем

(5)

4. Дополнительные (добавочные) полюса

Применение дополнительных или добавочных полюсов является главным средством улучшения коммутации машин постоянного тока, которые в зоне коммутации создают внешнее поле, компенсирующее реактивную ЭДС.

Добавочные полюсы устанавливаются в зоне коммутации между главными полюсами. Обмотки добавочных полюсов соединяются последовательно с обмоткой якоря, поэтому МДС обмоток добавочных полюсов следит за изменением тока в якоре в установившихся и переходных процессах.

Чтобы скомпенсировать ер, необходимо в зоне коммутации скомпенсировать поле реакции якоря и создать поле, при вращении в котором в коммутируемой секции наведется ЭДС вращения, равная и противоположно направленная ер (тогда еВ + ер = 0), или получить еВ несколько большую ер. При этих условиях в машине будет прямолинейная или ускоренная коммутация.

Электродвижущая сила вращения определяется из формулы:

,

где ВК- индукция в зоне коммутации.

ВК ~ IЯ. Тогда .Индукция под добавочными полюсами меньше, чем под главными, и равна 0,50,25 Тл. Благодаря тому что ВК небольшая, магнитная цепь добавочных полюсов не насыщена, что обеспечивает линейную зависимость между еВ и током нагрузки. Следует иметь в виду, что и ер линейно зависит от тока нагрузки. Поэтому обеспечивается компенсация ер во всех режимах работы машины постоянного тока.

Добавочные полюсы должны иметь определенный порядок следования по отношению к главным полюсам. На рис. 5 показано расположение главных и добавочных полюсов в генераторном Г и двигательном Д режимах.

Рисунок 5 Расположение добавочных полюсов

Все машины постоянного тока мощностью выше 1 кВт для обеспечения удовлетворительной коммутации выпускаются с добавочными полюсами.

В машинах небольшой мощности скомпенсировать реактивную ЭДС можно путем смещения щеток с геометрической нейтрали. Поперечная реакция якоря искажает поле в машине (рис. 5), и в зоне коммутации на геометрической нейтрали появляется поле. Если щетки оставить на геометрической нейтрали, то ЭДС вращения, наводимая от этого поля, будет совпадать с ер и в машине будет замедленная коммутация с неблагоприятными условиями, когда в коммутируемой секции реактивная ЭДС и ЭДС вращения складываются.

Для того чтобы ер и еВ вычитались, надо щетки сдвинуть за физическую нейтраль, где поле меняет свой знак. В генераторном режиме щетки смещаются на одну-две коллекторные пластины по направлению вращения, а в двигательном режиме -- против направления вращения. Этот способ улучшения коммутации имеет недостаток, связанный с тем, что ер компенсируется в одном режиме. Автоматической настройки при изменении нагрузки, которая есть в машинах с добавочными полюсами, при сдвиге щеток с нейтрали нет.

5. Коллектор

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь.

Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая -- отрицательной.

Рис. 6 Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора: 1-- медные пластины; 2 -- виток обмотки якоря; 3 -- щетки; 4 -- внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 6), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3, в).

Рис. 7 Устройство коллектора: 1 -- корпус; 2 -- стяжной болт, 3 -- нажимное кольцо; 4 -- изоляционная прокладка; 5 -- «петушок» -- часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 -- «ласточкин хвост» -- часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 -- коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 7). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 8). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий.

Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 8 Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока: а -- при двух витках на полюс; б -- при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.

6. Паспорт МПТ

Пример паспорта машины постоянного тока приведён на рисунке 9:

Рисунок 9 Паспорт МПТ: 1 - режим работы (генераторный); 2-5 - тип машины: 2 - машина постоянного тока; 3 - высота оси вращения; 4 - климатическое исполнение; 5 - число полюсов. 6 - электрическая мощность; 7-8 - номинальные напряжения и ток якоря

Литература

1. Кулик Ю.А. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1974

3. Копылов И.П. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 2004

Размещено на Allbest.ru