Устройство машин постоянного тока. Конструкция

Конструкция и принцип действия МПТ

Принцип действия МПТ основан на явлении электромагнитной индукции. Сущность этого явления состоит в том, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле и пересекающем его силовые линии, наводится электродвижущая сила:

- магнитная индукция;

- активная длина проводника;

- скорость перемещения проводника в поле.

Направление ЭДС определяется правилом правой руки: ладонь правой руки располагают так, что силовые линии магнитной индукции входят в ладонь, большой палец, отогнутый на 90º направлен по направлению движения проводника относительно магнитного поля, тогда остальные 4 пальца укажут направление ЭДС в проводнике.

Эквивалентная электрическая схема представлена на рисунке 1.5.1

Обмотка якоря выполняется замкнутой и симметричной. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, т.к. ЭДС взаимно компенсируются.

Если расположить щетки на геометрической нейтрали, то к ним будет приложено напряжение равное ЭДС. Это напряжение неизменно.

В МПТ не стремятся к синусоидальному распределению индукции .

Распре деление носит трапецеидальный характер(рис.1.5.2)

Рисунок 1.5.1

Рисунок 1.5.2

Если МПТ работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими контактами являются механическим выпрямителем.

В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электроэнергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты.

Принцип действия МПТ

Для пояснения принципа действия обратимся к упрощенной модели:

В магнитном поле магнита N-S вращается рамка с двумя активными сторонами (ab) и (cd). Начало и конец витка (рамки) присоединены к контактным кольцам, на которых располагаются щетки (рис.1.5.3(а)).

Если силой извне вращать рамку, то (ab) и (cd) будут пересекать магнитное поле полюсов, и в рамке будет наводиться ЭДС (рис.1.5.3(б)).

Схема работы машины переменного тока (а) Синусоида ЭДС (б)

Рисунок 1.5.3

1) Характер ЭДС будет зависеть от характера распределения индукции в воздушном зазоре между поверхностью рамки и полюсами, т.к. = const,

υ = const.

Магнитная индукция не одинакова и может отличаться по величине и знаку. Она максимальна под серединой полюса и уменьшается к краям, т.е.

2) Если рамка повернулась на 180º, то ЭДС будет направлена в другую сторону, следовательно, ЭДС является тоже переменной величиной

Получилась модель машины переменного тока.

Так как , то если распределена синусоидально по расточке полюсов, то ЭДС тоже будет изменяться по синусоидальному закону.

Частота изменения ЭДС – это число периодов в секунду:

,

где Т – период.

Частота зависит от числа пар полюсов и от скорости вращения ротора.

Частота ЭДС, которая индуктируется в рамке:

n – частота вращения рамки;

p – число пар полюсов.

Здесь следует ввести понятие электрического градуса.

Градусы, которые рассчитываются посредством синусоид называются электрическими:

Для преобразования машины переменного тока в машину постоянного тока применяют коллектор – два взаимно изолированных полукольца. По коллектору скользят неподвижные пластины – щетки, от которых отходят провода во внешнюю цепь.

В самой рамке наводится переменная ЭДС, а, следовательно, течет переменный ток, но во внешней цепи, когда рамка повернулась, то ЭДС и ток стали отрицательными. ЭДС и ток внешней цепи остались того же направления, т.к. щетки сохранили свою полярность, потому что полукольца коллектора также поменялись местами и щетка (1) по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной проводника, который находится под полюсом N, следовательно, ток будет иметь вид (рис. 1.5.4(а)).

Модель машины постоянного тока.

Рисунок 1.5.4(а)

Ток рассматривается лишь по направлению, а величина его остается переменной, следовательно, ток пульсирующий (рис.1.5.4(б)).

Ток и ЭДС в модели с коллектором.

Рисунок 1.5.4(б)

Пульсации можно ослабить, если обмотку выполнить из нескольких витков, тогда увеличивается и число коллекторных пластин.

В проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии – геометрической нейтрали (г.н.) – прямой, проходящей через центр якоря строго между главными полюсами; ЭДС всегда направлена в одну сторону, а в проводниках, лежащих ниже г.н. – в противоположную.

Итак, при вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому. ЭДС, индуктируемая в них, меняет знак, т.е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников с ЭДС одного знака – число постоянное. При этом суммарная ЭДС, индуктируемая в проводниках, которые находятся под одним полюсом, также неизменна по направлению и постоянна по величине.

,

где N – количество проводников;

а – число параллельных ветвей;

Ф – магнитный поток;

Се – постоянная машины.

ЭДС снимается с обмотки якоря (4) при помощи скользящих контактов (5).

Это принцип действия генератора постоянного тока.

Кроме г.н. есть физическая нейтраль – линия, проведенная через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю. Она может совпадать с геометрической нейтралью или нет.

Устройство МПТ.

По конструкции МПТ подобна синхронной машине. Обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре.

МПТ имеет на якоре коллектор, а на статоре помимо главных полюсов ГП, которые создают основной магнитный поток, с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса (для уменьшения искрения).

Полюса крепят болтами к стальному корпусу, который является частью магнитной цепи. ГП – шихтованные, добавочные – массивные, стальные. Катушки из изолированного медного провода.

На валу электродвигателя находится магнитопровод якоря с обмоткой якоря. Секции обмотки якоря подсоединены к коллектору. На вал электродвигателя напрессованы вентилятор и балансировочное кольцо.

Якорь соединяется со статором подшипниковыми щитами, в которых находятся подшипники, закрытые крышками. К одному из щитов крепится траверса, на которой расположены щеточные пальцы с щеткодержателями. В щеткодержателях находятся щетки для обеспечения скользящего контакта с коллектором.

Охлаждение электродвигателя осуществляется вентилятором, который прогоняет воздух через машину. Воздух проходит через промежутки между полюсами от одного щита к другому. Воздух засасывается через отверстие в защитной ленте, расположенной у щита со щетками и выбрасывается через отверстия в станине. Направление потока воздуха обеспечивается диффузором.

На станине МПТ находится коробка выводов.

Возбуждение может быть независимое, параллельное и последовательное.

Катушки обмотки независимого и параллельного возбуждения выполняются из относительно тонкого провода, а катушки обмотки последовательного возбуждения из проводов большого сечения, т.к. по ним протекает ток якоря.

Дополнительные полюса (ДП) расположены между главными полюсами (ГП) и служат для обеспечения удовлетворительной коммутации, что является необходимым условием для надежной работы МПТ.

Коллектор набирают из медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками.

Секции обмотки якоря присоединяют к петушкам. Коллектор подвергают термообработке т.о., что он образует монолитную конструкцию, исключающую биения и вибрацию.

По внешней поверхности коллектора скользят щетки, расположенные в щеткодержателях. Пружины прижимают щетки к поверхности коллектора, обеспечивая надежный контакт.

При нагрузке поле якоря искажает поле возбуждения и может «опрокинуть» его. Это значит, что под частью полюса поле может изменить направление.

Чтобы скомпенсировать влияние поля якоря, в машинах мощностью более 100 кВт выполняется компенсационная обмотка. Она располагается в специальных пазах на наконечниках ГП. МДС компенсационной обмотки примерно равно МДС поля якоря. Действуя встречно, они компенсируют друг друга.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Если к щеткам машины подключить источник энергии постоянного тока, то электрический ток, пройдя через щетки и коллектор, потечет по обмотке якоря.

Если проводник с током находится в магнитном поле, то на него будет действовать электромагнитная сила:

,

где I – ток в проводнике;

l – длинна проводника;

В – индукция.

Направление этой силы определяется по правилу левой руки: линии магнитной индукции входят в ладонь, 4 пальца – по направлению тока, тогда отогнутый на 90º большой палец покажет направление .

Совокупность , действующих на проводники обмотки якоря создает вращающий момент, следовательно, электроэнергия преобразуется в механическую, а это режим двигателя.

2. Асинхронные микромашины

2.1. Трехфазный асинхронный двигатель, работающий от однофазной сети.

Остановимся на двух терминах, которые часто используют как эквиваленты – «обмотка» и «фаза».

Обмотка является одним из важнейших элементов конструкции двигателя, т.е. относится к материальному объекту, тогда как фаза несет в себе абстрактный, математический смысл, используемой применительно к таким физическим величинам, как напряжение(U), ток(I), поток(Ф).

Поэтому, когда речь идет об однофазном асинхронном двигателе более правильно называть его одно – или двухобмоточным 1-фазным асинхронным двигателем.

Рисунок 2.1.1

При протекании тока через одну обмотку переменного тока в рабочем воздушном зазоре(d) электрической машины создается неподвижное в пространстве и изменяющееся во времени магнитное поле, характеризуемое потоком или МДС. Это поле называют пульсирующим (рис. 2.1.1(b)).

Пульсирующее поле раскладывают на два вращающихся поля: прямое и обратное с постоянной амплитудой, равной половине максимального значения (рис. 2.1.1(а)).При анализе электромагнитных процессов в электрической машине удобнее оерировать не с потоками, а с магнитодвижущими силами (МДС) (рис. 2.1.1(с)).

Рисунок 2.1.2

Реальное поле в электрической машине от такого представления в виде двух вращающихся полей с постоянной скоростью, но в разных направлениях не изменится. Это можно доказать проследив изменение поля через равные промежутки времени (рис. 2.1.2).

Пусть в момент t₁=0 суммарная сила МДС от прямого и обратного поля достигает амплитудного значения F_m, тогда в другие моменты времени:

t=t₂ суммарная МДС åF уменьшается, т.к Fo и Fп вращаются в разные стороны.

t=t₃ åF = 0

t=t₄ Fo и Fп продолжают вращаться, åF меняет направление.

t=t₅ åF = - Fm.(достигает амплитудного значения)

В трехфазной электрической машине имеются три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120°. В такой машине обратное поле отсутствует (рис. 2.1.3).

Для трехфазной электрической машины можно записать:

F_A = Fm·coswt;

F_B = Fm·cos(wt+120°);

F_C = Fm·cos(wt+240°).

При t = 0:

F_A = Fm

F_В = Fm·cos120°

F_С = Fm·cos240 Положение векторов МДС в момент време ни t = 0 для всех трех фаз изображено на

Рисунок 2.1.3 рисунке 2.1.4. Чтобы убедиться в этом разложим реальную МДС на две составляющие – прямого и обратного поля:

Сумма МДС прямого поля:

Сумма МДС обратного поля:

Таким образом, в трехфазной сети обратное поле отсутствует.

Рисунок 2.1.4

Если в электрической машине работает одна обмотка, то создаются два электромагнитных поля – прямое и обратное. Каждое поле создает электромагнитный момент.

Зависимость M = f(S) изображена на рисунке 2.1.5.

В однофазной машине поле пульсирующее. Пусковой момент равен нулю:

M_пуск = 0 при S = 1. Такой электродвигатель без дополнительного момента не запустится, для пуска необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону, т.к. только при S¹1, M_пр ¹ М_обр и суммарный момент приобретает некоторое значение.

Скольжение для прямого поля определяется выражением:

.

.

Рисунок 2.1.5

Для обратного поля:

Обычно однофазные двигатели имеют две обмотки: пусковую и рабочую. При этом на время пуска создается круговое вращающееся поле. Оно обеспечивает нормальный асинхронный момент, а после разгона электродвигателя пусковая обмотка отключается (рис. 2.1.6).

Рабочая обмотка (А) укладывается на 2/3t (полюсного деления), а пусковая (В) на 1/3t. Это создает сдвиг осей обмоток в пространстве на 90°.

Рисунок 2.1.6

Условия создания кругового вращающегося поля:

1. МДС обмоток равны F_A=F_B;

2. q+b=180°, где b - временной угол, получается путем включения в цепь

фазосдвигающего элемента Z_фс (рис. 2.1.7).

b = 90° - получается включением в цепь конденсатора.

q - угол сдвига обмоток в пространстве.

Круговое поле можно получить только в одном режиме работы, при изменении скольжения поле из кругового становиться эллиптическим, т.е. появляется обратное поле, которое меньше прямого.

Рисунок 2.1.7

Схемы включения трех обмоточного двигателя в однофазную сеть (рис. 2.1.8):

Рассмотрим требования, предъявляемые к сопротивлению обмоток и к емкости фазосдвигающего конденсатора для электродвигателя, обмотки которого соединены в звезду (рис. 2.1.8).

Рисунок 2.1.8.

Пусть для обмоток выполняется условие:

(1)

В общем случае включено какое - то сопротивление Z_Н(нагрузки),

(2)

Отсюда:

(3)

Для создания кругового вращающегося поля токи во всех обмотках должны быть равны:

и сдвинуты по фазе на 120°

Тогда выражение (3) можно записать в иной форме:

Подставим в (3) с учетом (1):

(4)

Действительная составляющая в выражении (4) обращается в нуль при:

или

Емкостное сопротивление конденсатора определяем, приравняв мнимой части выражение (4):

Коэффициент мощности обмотки А:

(5)

Построим векторную диаграмму (рис. 2.1.9) двигателя:

По условию токи I_A, I_B, I_C образуют симметричную трех лучевую звезду. Напряжение фаз тоже образуют Рисунок 2.1.9 звезду, только сдвинутую относитель

но токов на 60°, т.к. .

Напряжение питания U_сети есть результат геометрической разности векторов U _A и U _B; напряжение на конденсаторе U _К – результат геометрической разности векторов U _A и U _С.

Тогда для фазных напряжений можно записать:

(6)

U_K – напряжение на конденсаторе.

Коэффициент мощности двигателя:

, т.е. << 1.

Для двигателя характерно недовозбужденное состояние и повышенное потребление из сети реактивной мощности.

Берем отношение реактивной мощности на конденсаторе и полной мощности двигателя Р₁:

; из (3), (5), (6) .

С другой стороны , приравниваем

или

Следует заметить, что при одном и том же значении мощности вспомогательной обмотки P₁ емкость фазосдвигающего конденсатора для трехобмоточного электродвигателя в раз больше емкости конденсатора для двух обмоточного электродвигателя. Стоимость конденсатора в большей степени зависит от его емкости, чем от значения рабочего напряжения, отсюда следует, что предпочтение надо отдать двухобмоточным электродвигателям.

В некоторых электрических приводах используют электродвигатели с переключением числа пар полюсов обмотки статора.

Пример: Двигатель стиральной машины. В режиме стирки требуется мощность»100 Вт, в режиме отжима белья (центрифуга)»300 Вт.

В обоих режимах КПД должен быть не менее 50%. Причем в первом режиме задействованы все три обмотки, а во втором – две.

При U_сети=220 В, f=50 Гц емкость конденсатора

- для первого режима С=15,2 мкФ

- для второго режима С=19,7 мкФ

Целесообразно выбрать С = 16 мкФ, но поле будет не круговое, а эллиптическое в обоих режимах работы.

Дата добавления: 2014-01-13