Машины постоянного тока

Области применения машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока широко применяются в качестве двигателей и несколько меньше – в качестве генераторов, так как двигатели постоянного ока допускают плавное регулирование частоты вращения простыми и обладают лучшими пусковыми качествами – развивают большой пусковой момент при относительно небольшом токе. Поэтому их широко используют в качестве тяговых двигателей на электротранспорте. Кроме того, они являются исполнительными звеньями систем автоматического регулирования. Машины постоянного тока входят в состав автомобильного, судового и самолетного электрооборудования, дорожно-строительных машин.

Существенным недостатком машин постоянного тока является искрение щеток при определенных неблагоприятных условиях работы в щеточно-коллекторном узле.

Устройство электрической машины

постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – называемой статором, и вращающейся – называемой якорем. Эти части разделены воздушным зазором.

Статор машины состоит из станины, на внутренней поверхности которой расположены главные полюса. Станина служит основанием для крепления всех частей машины, а также является элементом магнитной цепи. Станины машин постоянного тока изготавливают из стали или чугуна.

Рис. 2.1 Устройство электрической машины постоянного тока:

/—коллектор; 2 - щетки; 3 - сердечник якоря; 4 - сердечник главного полюса;

5 - полюсная катушка; 6 - станина; 7 - подшипниковый щит; 8 - вентилятор;

9 - обмотка якоря.

Главные (основные) полюса машины состоят из: сердечников из штампованной стали и катушек возбуждения из медного изолированного провода. Полюсы крепят к внутренней поверхности станины болтами. Катушки всех главных полюсов электрически соединяются, образуя обмотку возбуждения, и предназначаются для возбуждения главного магнитного потока.

Рис. 2.2 Лист сердечника якоря

Соединение катушек производится таким образом, чтобы при прохождении тока полярности полюсов чередовались. Наряду с основными полюсами меньше по размеру располагается дополнительная обмотка возбуждения, которая служит для уменьшения искрения на щетках (улучшение коммутации).

Якорь – часть машины, в обмотке которой при вращении ее, относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника, обмотки якоря, уложенной в его пазах, коллектора насаженного на вал якоря. Сердечник якоря, набирается из листов электротехнической стали (рис. 2.3, а) толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

Рис. 2.3

У машин малой мощности пазы делают полузакрытыми, а в машинах средней и большой мощности – открытыми. Часто пазы якоря делают со скосом, что уменьшает вибрацию и шум в процессе работы машины.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря (рис. 2.3, б), обычно состоящая из отдельных секций, выполненных из медного изолированного провода. Концы секций припаивают в пазах и укрепляют с помощью гетинаксовых или деревянных клиньев. Особенностью обмотки якоря является то, что она барабанного типа. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 2.4). Щетку 1 к коллектору прижимает пружина 2. Щеткодержатели надеваются на щеткодержательную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются.

Рис. 2.4

Коллектор (рис. 2.5) состоит из коллекторных пластин 2, изготовленных из холоднокатанной меди клинообразующего профиля (поперечного сечения), основания коллектора – втулки 5, нажимной шайбы 3, гайки 6 и изоляционных пластин – миканита 1,4.

Для присоединения секции обмотки якоря к коллектору у пластин со стороны сердечника делают выступы, называемые «петушками».

Рис. 2.5 Устройство коллектора

Помимо указанных частей, машина имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний (с противоположной стороны). В машинах малой и средней мощности, а также в тихоходных и малошумных машинах используются подшипники скольжения.

Для присоединения обмоток машины к электрической сети машины, снабжена коробкой выводов – клеммной платой.

По способам возбуждения электрические машины классифицируются:

- машины независимого возбуждения: обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря Я (рис. 2.6, а);

- машины параллельного возбуждения (шунтовые): обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно (рис. 2.6, б)

- машины последовательного возбуждения (серийные): обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис. 2.6, в);

- машины смешанного возбуждения (компаундные). В них две обмотки возбуждения: одна из них ОВ1 (шунтовая), включена параллельно, а другая ОВ2(серийная) – последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.6, г).

Все указанные машины относятся к машинам с электромагнитным возбуждением, так как магнитное поле в них создается посредством электрического тока обмотки возбуждения.

- магнитоэлектрические машины: магнитное поле возбуждения создается постоянными магнитами (рис. 2.6, д).

Рис. 2.6. Способы возбуждения электрических машин постоянного тока

Роль щеточно-коллекторного механизма

Работа машины постоянного тока может сопровождаться искрением между краем щеток и коллекторными пластинами, когда возникает местный искровой разряд. Это приводит к разрушению поверхности коллектора и щеток, нагреву коллектора, снижению надежности машины постоянного тока и т. п. В случае неудовлетворительного состояния щеточно-коллекторного узла щетка может оторваться от коллектора, возникающий при этом кратковременный разрыв цепи тока якоря вызывает образование дуги. При этом машина не должна эксплуатироваться. Для избежания этого недостатка необходимо периодически протягивать и шлифовать коллектор.

Чаще причиной искрения является неудовлетворительная коммутация – процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветки якоря в другую. Рассмотрим на примере режима генератора роль щеточно-коллекторного узла (рис. 2.7).

Рис. 2.7

В машинах постоянного тока щетки располагаются вблизи геометрической нейтрали, которая делит машину постоянного тока на две симметричные части.

Предположим, что ток в машинах постоянного тока, от независимого источника питания (аккумуляторная батарея к обмоткам возбуждения подведено напряжение), проходящий по виткам обмотки возбуждения создает в машине постоянный магнитный поток, путь которого определяется правилом буравчика.

Рис. 2.8

Силовые линии магнитного поля являются замкнутыми. Вал у машины постоянного тока от потока механической энергии подведем внешний момент. Проводники обмотки якоря будут пересекать силовые линии магнитного поля, будет проводится ЭДС.

,

(2.1)

где В_ср – электромагнитная индукция,

la – длина проводника;

V - линейная скорость проводника.

Рис. 2.9

Очевидно, что частота в обмотке якоря будет пропорциональна скорости вращения якоря. Частота наведения ЭДС будет определяться периодом вращения якоря.

.

(2.2)

ЭДС в проводе достигает максимальное значение, когда проводник располагается над серединой полюса, и ЭДС равна нулю, когда проводник проходит геометрическую нейтраль.

Рис. 2.10

ЭДС якоря относительно щеток, представляет собой суммарный ЭДС е_к, т.к. ЭДС остается неизменным.

,	(2.3)
.

где N_пр – число пазов;

а – число пар параллельных ветвей.

Вывод формулы обмотки якоря.

Величина ЭДС каждого проводника обмотки якоря в процессе работы машины постоянного тока определяется выражением

.

(2.4)

Так как магнитная индукция в воздушном зазоре распределяется по трапецевидной кривой, то лучше использовать среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре В_ср.

Рис. 2.11 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

электрической машины постоянного тока

Из прямоугольника abcd определим высоту В_ср, где полюсное деление t является основание, а площадь прямоугольника равна площади фигуры, ограниченной трапецевидной кривой. Подставим в (1) величину В_ср, получим среднее значение ЭДС.

(2.5)

где В_ср – среднее значение магнитной индукции,

l – активная длина проводника,

v – окружная скорость якоря.

ЭДС обмотки якоря Е_а определяется по формуле

,

(2.6)

где N – число проводников всей обмотки якоря,

2а – число параллельных ветвей.

Подставив выражение (2.5) в (2.6), получим

,

(2.7)

где v – линейная скорость, ;

D – диаметр якоря;

pD – длина окружности якоря.

Так как полюсное деление

,

(2.8)

где 2p – число пар полюсов.

То

,

(2.9)

Подставив выражение (2.9) в (2.8), получим

,

(2.10)

где - площадь;

- магнитный поток.

Подставив выражение (2.11) в (2.10), получим

,

(2.11)

- постоянная машины, тогда

,

(2.12)

где Е_я – ЭДС обмотки якоря, В;

n – скорость вращение якоря, об/мин;

а – число пар параллельных ветвей и обмотки якоря.

Формула (2.11) показывает, что ЭДС якоря пропорциональная скорости вращения подвижной части (якоря) и при ненасыщенной магнитной системе машины постоянного тока пропорциональна также магнитному потоку.

Рис. 2.12

Вывод формулы электромагнитного момента

машины постоянного тока.

Электромагнитный момент постоянного тока преимущественно применяется в качестве двигателя и реже – в качестве генератора.

В режиме генератора уравнение электрического состояния обмотки якоря имеет вид

,

(2.13)

U – напряжение в нагрузке.

В режиме двигателя U – источник питания. Е_я играет роль противоЭДС.

.

(2.14)

Уравнение баланса мощностей в режиме генератора постоянного тока.

.

(2.15)

Мощность в нагрузке определяется по формуле

,

(2.16)

где P_эм – электромагнитная мощность,

DР_эл – тепловые потери.

Во всех случаях электромагнитная мощность представляет собой

.

(2.17)

В режиме генератора М_эм – вращающий момент сопротивления движения (момент нагрузки имеет противоположное движение).

В режиме двигателя М_эм – вращающий момент, обороты двигателя направлены в одну сторону.

Природа возникновения электромагнитного момента одна и та же.

,	(2.18)
.	(2.19)

Величина постоянная для машины

.	(2.20)
	(2.21)

Электромагнитный момент пропорционален току якоря и при насыщенной магнитной системе магнитному потоку якоря.

3. Электрические схемы и рабочие характеристики машины постоянного тока в режиме генератора и двигателя

Режим генератора

Принцип действия генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции: наводимая в проводнике ЭДС (е) прямо пропорциональна магнитной индукции (В), активной длине проводника l и скорости перемещения v ().

Генераторы постоянного тока по способу возбуждения, т. е. создания магнитного потока в машинах делятся на ГПТ независимого возбуждения и ГПТ смешанного возбуждения.

Рис. 3.1

Такой генератор имеет жесткую характеристику

Рис. 3.2

.

(3.1)

Способ возбуждения данного генератора состоит в том, что необходим дополнительный источник постоянного напряжения, мощность которого не превышает 3-5 % усталостной мощности генератора постоянного тока.

В качестве источника постоянного напряжения может быть выбран маломощный выпрямитель, работающий на однофазном токе в виде мостовой схемы, ли аккумуляторная батарейка.

Положительные особенности:

Исходя из анализа, внешняя характеристика является жесткой.

Зависимость ЭДС от тока возбуждения при разомкнутой цепи якоря (I_я= 0) и постоянной частоте вращения n=const называется характеристикой холостого хода E_я=F(I_в).

Зависимость напряжения U от тока якоря I_я при неизменных токе возбуждения I_в и частоте вращения n, называется внешней характеристикой (рис. 3.3).

Рис. 3.3

На основании внешней характеристики определяется номинальное изменение напряжения генератора.

(3.2)

Рис. 3.4

	(3.3)
	(3.4)
	(3.5)

Генераторы самовозбуждения устойчивы к токам короткого замыкания.

(3.6)

Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения I_в от тока якоря I_я при постоянных напряжении и частоте вращения n.

Рис. 3.5

Рис. 3.6

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения.

В качестве привода может быть использован асинхронный двигатель.

Рис. 3.7

Рис. 3.8

1- характеристика холостого хода генератора постоянного тока,

2- характеристика цепи возбуждения.

Для самовозбуждения необходимо согласное направление, что имеет место при правильном соединении обмотки возбуждения с якорем. При таком соединении напряженность поля от тока возбуждения усиливает магнитное поле, а последнее индуктирует большую ЭДС в обмотке якоря. Возрастание ЭДС вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения. Ограничение самостоятельного увеличения потока и тока возбуждения. Ограничение самостоятельного увеличения потока и тока возбуждения связано с насыщением магнитной цепи машины.

Характеристика холостого хода генератора при параллельном возбуждении практически не отличается от характеристики при независимом возбуждении.

Но внешняя характеристика при параллельном возбуждении генератора (а) идет значительно ниже, чем при независимом возбуждении (в) (рис. 3.9).

Рис. 3.9

Причиной этому является уменьшение тока возбуждения при понижении напряжении, так как .

- магнитная система должна быть намагничена, т. е. в машине должен существовать остаточный магнитный поток.

- характеристика холостого хода генератора не должна проходить через начало координат.

- процесс самовозбуждения начинается с появления остаточного напряжения.

- обмотка возбуждения имеет начало и конец, и если их поменять местами, то магнитное поле не получим.

- точка А должна в обмотке рабочее движение генератора.

- пересечение характеристик холостого хода и цепи возбуждения должно быть в области рабочих значений цепи генератора.

Дата добавления: 2014-01-04