Машины постоянного тока специального назначения реферат

Обновлено: 05.07.2024

Широкое применение машин постоянного тока требует большого разнообразия их номинальных данных (мощности, частоты вращения, напряжения) и различных конструктивных исполнений соответственно условиям их установки и эксплуатации.
Машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватта до 12 000 кВт. Номинальное напряжение их обычно не превышает 1500 В и только иногда для мощных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов в минуту до нескольких тысяч.
Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором – коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.
Недостаток машин постоянного тока – наличие щеточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте – синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
2 Принцип действия машин постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток Iв, создающий магнитное поле возбуждения Фв. На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.
При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер кривой, отображающей направление ЭДС на рис. 1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, – в противоположную сторону.
При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмотками и внешней цепью.
Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 1, б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.
Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.
При подключении к щеткам сопротивления нагрузки Rн через обмотку якоря проходит постоянный ток Iа, направление которого определяется направление ЭДС Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи ia).
Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было в начале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.
Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока, и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.
Таким образом, главная особенность машины постоянного тока – наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.
3 Устройство машины постоянного тока
По конструктивному выполнению машина постоянного тока (рис. 2) подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре кроме главных полюсов с обмоткой возбуждения добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками.
Статор. На статоре расположены главные полюсы с катушками обмотки возбуждения и добавочные полюсы (на рис. 2 не показаны) с соответствующими катушками. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу, который является частью магнитной цепи машины. Главные полюсы (рис. 3) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные – массивными или также шихтованными.
По станине и полюсам замыкается постоянный магнитный поток, поэтому выполнение полюсов массивными или из листов определяется в основном удобствами технологии. Стальные листы спрессовывают под давлением и скрепляют заклепками и нажимными щеками, установленными по краям каждого полюса. Шихтованными должны быть только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако по условиям технологии обычно выполняют шихтованным весь полюс. Полюсы крепят к станине болтами; резьбу для болтов нарезают непосредственно в шихтованном сердечнике полюса (рис. 3, а) либо в массивных стальных стержнях, которые вставляют в выштампованные отверстия в полюсах (рис. 3, б).
Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов – из полосовой меди (рис. 4). Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала, посредством которых образуются вентиляционные каналы.
Якорь. Сердечник якоря собирают из отдельных листов толщиной 0,5 мм, которые штампуют из электротехнической стали (рис. 5). Обмотку якоря изготовляют из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных якорных катушек (рис. 6). В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Форму пазов, вырубаемых в сердечнике якоря, выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности (рис. 7). Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор между полюсом и якорем. Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек – одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.
Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.
Станина, сердечники полюса и якоря являются участками магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указанные участки выполняют из стали. Для этой же цели воздушный зазор между якорем и полюсами стараются принимать меньшим. Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у более мощных.
При вращении якоря сталь его сердечника будет перемагничиваться, в ней будут индуктироваться переменные токи - вихревые, которые будут вызывать потери. Для снижения потерь от вихревых токов сердечник, как уже указывалось, собирается из отдельных изолированных друг от друга листов. Для изоляции листы после штамповки покрывают лаком. Из-за зубчатого строения якоря в зазоре будет происходить пульсация потока, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов.
Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рис. 8), собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из слюды или миканита. Узкие края коллекторных пластин имеют форму ласточкина хвоста; после сборки коллектора их зажимают между корпусом и нажимным фланцем (рис. 8, а) и изолируют манжетами из миканита. Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин.
В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу (рис. 8, б). Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8. 1,5 мм ниже поверхности коллектора.
Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для подсоединения проводников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в которых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.
По коллектору скользят неподвижные щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах, которые в свою очередь закрепляют на траверсе. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессованной пластмассой в месте сочленения его с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов.

Список литературы

1.Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. Заведений. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.
2.Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины: Учеб. для электротехн. спец. вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 528 с.
3.Китаев В.Е., Корхов Ю.М., Свирин В.К. Электрические машины. Ч. I. Машины постоянного тока. Трансформаторы: Учеб. пособие для техникумов/ Под ред. В.Е. Китаева. – М.: Высш. школа, 1978.— 184 с.

Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.

* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.

Во многих случаях к машинам постоянного тока предъявляются такие требования, которым машины нормальной конструкции, рассмотренные выше, не удовлетворяют. Это привело к созданию специальных типов машин постоянного тока. В данной главе рассмотрены лишь некоторые из них.

10.1. Исполнительные двигатели постоянного тока

Микродвигатели постоянного тока, применяемые в автоматических устройствах для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала, называются исполнительными двигателями.

В зависимости от конструкции якоря исполнительные двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели с якорем обычного типа, полым (печатным) и беспазовым (гладким) якорем.

Двигатели с якорем обычного типа отличаются от машин постоянного тока нормального исполнения шихтованной системой полюсов и ненасыщенной магнитной системой. Первое необходимо, поскольку эти двигатели, в основном, работают в переходных режимах, второе - для уменьшения влияния реакции якоря. Вместо шихтованных полюсов с обмоткой возбуждения в двигателях часто устанавливают постоянные магниты.

Для уменьшения влияния реакции якоря и ЭДС самоиндукции коммутирующей секции и улучшения условий коммутации применяют двигатели с гладким якорем (рис. 10.1). Обмотку 1 такого якоря укладывают на наружной поверхности якоря 2. Ее выполняют в два слоя и заливают эпоксидной смолой с ферромагнитным наполнителем 3.

Микродвигатели этого типа имеют более высокое быстродействие по сравнению с машинами с зубчатым якорем из-за большей индукции в воздушном зазоре(индукция не ограничивается насыщением зубцов) и меньшего момента инерции якоря. Уменьшение момента за счет уменьшенного диаметра (при увеличенной длине). Последнее возможно, поскольку лучшие условия коммутации позволяют значительно увеличить длину и уменьшить диаметр якоря

Рекомендуемые материалы

Значительно снижена инерция в двигателях с полым якорем. Магнитный поток в них создается обмоткой возбуждения (рис. 10.2) или постоянными магнитами, якорь представляет полый стакан 1, расположенный между полюсами 2 с обмоткой возбуждения 3 и неподвижным ферромагнитным сердечником 4, который насаживают на втулку 5 подшипникового щита. Вместо сердечника внутри якоря может быть установлен неподвижный цилиндрический магнит. Обмотку якоря 6 укладывают на цилиндрический каркас и заливают эпоксидным компаундом, концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяют с пластинами коллектора 7. Обмотка может быть выполнена и фотохимическим способом (печатная обмотка). Момент инерции полого якоря невелик, благодаря чему существенно повышается быстродействие двигателя. Отсутствие насыщения в зубцах позво-

ляет значительно увеличить индукцию в воздушном зазоре машины, то есть ее магнитный поток и номинальный вращающий момент по сравнению с микродвигателями, имеющими якорь обычного типа, что также способствует повышению быстродействия двигателя.

Поскольку секции обмотки якоря окружены не ферромагнитным материалом, а воздухом, они имеют гораздо меньшую индуктивность, что существенно улучшает условия коммутации двигателя. Щетки в таких микродвигателях работают практически без искрения даже при кратковременных перегрузках, вследствие чего можно применять большие форсировки для ускорения переходных процессов.

Недостатком микродвигателей с полым якорем является необходимость значительного увеличения МДС обмотки возбуждения, так как немагнитный зазор у них гораздо больше, чем в обычных двигателях, что приводит к увеличению потерь в обмотке возбуждения. КПД рассматриваемых двигателе из-за отсутствия потерь мощности в стали имеет такую же величину, как и у микродвигателей с якорем обычной конструкции.

Разновидностью двигателя с полым якорем является двигатель с дисковым якорем, у которого печатная обмотка нанесена на немагнитный диск. Магнитный поток создается постоянными магнитами или электромагнитами, расположенными по одну сторону диска с обеих сторон. В исполнительных двигателях постоянного тока обмотки якоря и главных полюсов питаются от двух независимых источников тока. Одна из них (условно называемая обмоткой возбуждения) подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением U_B, а на другую (обмотку управления) подается напряжение управления U_У только при необходимости вращения вала двигателя. В зависимости от того, на какую обмотку подается управляющий сигнал, различают два способа управления исполнительными двигателями - якорное (рис. 10.3, а) и полюсное (рис. 10.3, б).

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При полюсном управлении меньше мощность управления, а при якорном - выходные характеристики параллельны и линейны.

10. 2. Тахогенераторы

Тахогенераторы относят к информационным машинам, то есть к машинам от которых требуется высокая точность преобразования электрических или механических входных - сигналов управления соответственно в механические или электрические выходные величины, находящиеся в строго постоянной вполне определенной зависимости от входных сигналов. Тахогенераторы преобразуют частоту вращения механизма, с валом которого они соединены, в строго пропорциональное выходное напряжение:

, (10.1)

где частота вращения, угол, на который перемещается вал механизма, связанного с тахогенератором.

В системах автоматики тахогенераторы служат:

для измерения частоты вращения (в этом случае выходное напряжение подается на вольтметр, шкала которого отградуирована в об/мин);

для осуществления обратной связи по скорости в следящих системах;

для осуществления электрического дифференцирования

( и интегрирования .

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению представляют собой машины постоянного тока чаще с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 10.4, б), реже с электромагнитным возбуждением (рис. 10.4, а). В них используют якорь обычного типа, полый или дисковый с печатной обмоткой.

Выходное напряжение тахогенератора выражают, как и напряжение обычного генератора постоянного тока, через ЭДС якоря , падение напряжения в обмотке якоря и падение напряжения на щеточном контакте :

. (10.2)

Представив в (10.2) ЭДС по (4.5), ток через напряжение и сопротивление нагрузки:

, (10.3)

. (10.4)

Решив это равенство относительно напряжения , найдем выражение для выходного напряжения:

. (10.5)

. (10.6)

При постоянном потоке Ф, сопротивлениях якоря и нагрузки

, (10.7)

где называют крутизной характеристики генератора.

Крутизна выходной характеристики растет с уменьшением и увеличением и при холостом ходе крутизна характеристики наибольшая (рис. 10.4, в, кривая 1). При уменьшении сопротивления нагрузки крутизна меньше (кривая 2 на рис. 10.4, в). В реальных тахогенераторах сопротивление щеточного контакта не равно нулю и выходная характеристика пересекает ось ординат (при ) не в начале координат, а в точке прямая 3 на рис. 10.4, в.

Зону частот вращения от до , при которых выходное напряжение , называют зоной нечувствительности. Для уменьшения зоны нечувствительности тщательно подбирают щетки медно-графитные или серебряно-графитные, иногда выполняя их с напылением серебра или золота.

Практически выходная характеристика отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря(кривая 4 на рис. 10.4, в), наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками и изменения тока возбуждения из-за увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагреве. Для уменьшения погрешности увеличивают сопротивление внешней нагрузки, суживают пределы измерения скорости механизмов, выполняют тахогенераторы с сильно насыщенной магнитной системой. Последнее уменьшает влияние изменения сопротивления обмотки возбуждения при нагреве и размагничивающее действие реакции якоря.

10.3. Бесконтактные двигатели постоянного тока.

Бесконтактные двигатели постоянного тока, обладая всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока, лишены их основного недостатка – щеточно-коллекторного узла, существенно снижающего их надежность.

В бесконтактном двигателе применяют машину обращенной конструкции, в которой якорь с обмотками неподвижен, а полюсы вращаются. В этом случае щеточно-коллекторный узел можно заменить статическим полупроводниковым коммутатором, который управляется датчиком положения. В коллекторном двигателе датчиком положения (определяющим момент коммутации секции якоря) является сама коллекторная пластина, подходящая под соответствующую щетку в момент прохождения секцией нейтральной зоны (зоны коммутации).

Статический коммутатор, получая сигналы управления с датчика положения ротора обеспечивает при вращении ротора такое же изменение токов в обмотке якоря, как и щетки с коллектором.

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов: бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой статора

и ротором в виде постоянного магнита; датчика положения ротора для выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами;

бесконтактного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения коммутацию токов в обмотках статора двигателя.

На рис. 10.4 представлена модель двигателя. В качестве датчика 1 положения ротора 2 двигателя 3 использованы оптические датчики (фототранзисторы). Три фототранзистора РТ1, РТ2 и РТ3, расположенные с интервалом 120 0 на периферии платы, последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора, установленного на валу двигателя. При расположении южного полюса магнита напротив неподвижного полюса Р2 статора освещен фототранзистор РT 1, который открывает транзистор VT1 коммутатора 4. На неподвижном полюсе Р1 статора создается южный полюс за счет протекания тока по обмотке W1, который притягивает северный полюс ротора, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. При повороте ротора его северный полюс оказывается напротив неподвижного полюса Р1. Затвор, установленный на валу ротора, затемняет фототранзистор РТ1и освещает фототранзистор РТ2, последний включает транзистор VT2. Протекающий по обмотке W2 ток создает южный полюс на неподвижном полюсе Р2, тогда северный полюс ротора повернется по стрелке и расположится напротив неподвижного полюса Р2. В этот момент затвор затемняет фототранзистор РТ2 и освещает РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3. При этом неподвижный полюс Р2 размагничивается, а неподвижный полюс Р3 намагничивается и становится южным полюсом. Следовательно, северный полюс ротора продолжит свое вращение от Р2 к Р3. Ротор будет непрерывно вращаться, если переключения транзисторов повторяются в той же последовательности.

Для реверсирования бесконтактного двигателя необходимы схемотехнические решения заключающиеся в изменении последовательности переключения транзисторов.

Более совершенной схемой управления бесконтактным двигателем является мостовая схема, в которой на каждую фазу обмотки статора приходится по два транзистора и благодаря этому одновременно работают две фазы статора. Эта схема требует большего числа транзисторов и датчиков положения.

Регулирование частоты вращения двигателя в широких пределах возможно изменением питающего напряжения, что при транзисторном коммутаторе реализуется также просто.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.

В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.

В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.

При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности. Значительное распространение электродвигателей постоянного тока (Direct Current electric motors or DC electric motors) объясняется их ценными качествами: высокими пусковым (starting), тормозным (braking) и перегрузочным (overload) моментами (torque), 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.

Файлы: 1 файл

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.doc

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

(ELECTRIC MACHINES OF THE DIRECT CURRENT)

4.1 Общие сведения

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока (Direct Current electric motors or DC electric motors) объясняется их ценными качествами: высокими пусковым (starting), тормозным (braking) и перегрузочным (overload) моментами (torque), 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 (low-power) двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока (DC generators) 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 (electric equipments of flying machines). Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; их максимальная мощность 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 (electrical haulage), в приводе подъемных устройств (lifting machines), для привода металлорежущих станков (cutting machine). Мощные двигатели (powerful motors) постоянного тока применяются для привода прокатных станов (rolling mills) и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток (direct current) для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания (power supply) для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (low voltage current) (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения (excitation winding) 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).

4.2 Устройство принцип действия машины постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами (poles) и вращающегося ротора (якоря) с коллектором (commutator). Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с. – электродвижущая сила (electro motive force).

На одном валу с якорем (armature) жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор - характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.

Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле (magnetic field) машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами (permanent magnets) в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину (frame), сердечники полюсов (poles body) и сердечник якоря (armature core), дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними.

Существует два режима работы электрических двигателей:

- режим генератора (generator mode);

- режим двигателя (motor mode).

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии (line of flux) полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем (mechanical rectifier), эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь (ротор).

4.3 Устройство и расположение главных и добавочных полюсов

Каждая машина постоянного тока имеет одну или несколько пар главных полюсов (main poles), расположенных по окружности якоря (armature girth) строго симметрично и поочередно: северный – южный – северный и т. д. Сердечник главного полюса набирают из листовой электротехнической стали (electric grade sheet) и крепят к станине при помощи болтов. Шихтовка (reclaimer operation) сердечника уменьшает потери в стали от вихревых токов (eddy currents), которые возникают в сердечнике из-за пульсации магнитного тока, обусловленных зубчатостью якоря. Эти потери могут стать очень большими, так как сталь сердечника обычно насыщена.

На каждый главный полюс надеты одна или несколько катушек (coils), предназначенных для создания магнитного потока машины или для других целей. Обмотка параллельного возбуждения (winding of parallel excitation), создающая, как правило, основной магнитный поток, выполнена проводом малого сечения. Обычно катушки этой обмотки имеют самые большие размеры. Обмотка последовательного возбуждения (winding of consecutive excitation) служит чаще для компенсации размагничивающего действия реакции якоря, то есть является вспомогательной обмоткой, поэтому катушки ее невелики по размерам. Однако они выполнены из провода большого сечения, так как по ним проходит ток, равный току обмотки якоря.

Добавочные полюсы (interpoles) выполняют из цельного куска стали. Это обусловлено тем, что сталь добавочных полюсов при работе машины не насыщена, а воздушный зазор под ним больше, чем под главными, поэтому потери в стали от вихревых токов невелики. Добавочные полюсы устанавливают в промежутках между главными. Число их обычно равно числу главных полюсов, однако двухполюсные машины (bipolar machines) небольшой мощности могут быть выполнены и с одним добавочным полюсом.

4.4 Устройство якоря и коллектора

Вращающаяся часть машины постоянного тока включает в себя вал (shaft) с подшипниками (bearings), на который насажаны якорь с обмоткой, уложенной в пазах сердечника якоря (armature slots), коллектор (collector) и крыльчатку вентилятора (fan).

Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, которые располагаются так, чтобы образовался скос пазов сердечника на одно зубцовое деление. Это необходимо для уменьшения добавочных потерь и шумности машины. Сердечник якоря может иметь аксиальные вентиляционные каналы (ventilating passage). От проворачивания на валу сердечник удерживается продольной шпонкой (key) или рифлениями, а плотность прилегания листов друг к другу обеспечивается нажимными шайбами и кольцевой шпонкой.

Обмотка якоря выполнена из медного провода в виде жестких или мягких секций и уложена в пазы. На лобовые части обмотки намотаны проволочные бандажи, противодействующие центробежным силам. Концы секций обмотки присоединены к пластинам коллектора (commutator bars) с помощью петушков (commutator neck). Количество коллекторных пластин практически всегда равно числу секций обмотки якоря и равно или кратно числу пазов якоря. Пластины коллектора собраны в виде барабана (drum), изолированы друг от друга и от корпуса миканитовыми прокладками (mica plate) и плотно стянуты нажимными кольцами (или запрессованы в пластмассовую втулку).

Крыльчатка вентилятора (fan impeller) установлена на валу со стороны, противоположной коллектору. Она прогоняет через машину воздух, который засасывается в машину со стороны коллектора через специальные люки, и осуществляет тем самым отвод тепла, выделяемого при работе машины. Холодный воздух омывает сначала коллектор, затем якорь, катушки полюсов и после этого выбрасывается крылаткой в окружающееся пространство. Недостаток такого способа охлаждения состоит в том, что угольная пыль от щеток загрязняет всю машину. Однако при обратном направлении движения воздуха он, прежде чем попасть в машину, нагревался бы самим вентилятором, что в конечном итоге привело бы к увеличению габаритов и массы машины.

Положение вращающегося якоря относительно главных и добавочных полюсов строго зафиксировано с помощью подшипниковых щитов, в которых закреплены наружные кольца подшипников. В свою очередь подшипниковые щиты плотно закреплены на станине. В подшипниковых щитах предусмотрены люки для осмотра и ухода за коллектором, а также отверстие для прохода охлажденного воздуха. В машинах водозащищенного исполнения охлаждающий воздух внутрь машины не проходит и отводит тепло посредствам внешнего обдува, поэтому коллекторные люки таких машин снабжены глухими крышками.

4.5 Устройство щеточного аппарата

Щеточный аппарат (brush ring) совместно с коллектором служит для соединения обмотки якоря с внешней сетью и преобразования тока. Он состоит из траверсы (brush rocker), щеткодержателей (brush holders) и щеток.

Траверсу машины постоянного тока выполняют из стали или алюминиевого сплава. Она имеет вид кольца с разрезом и с выступами для закрепления пальцев щеткодержателей (brush-holder finger). Пальцы выполняют обычно из стеклотекстолита. Если же они выполнены из металла, то должны быть изолированы пластмассовыми втулками и шайбами. На пальцах закреплены щеткодержатели, которые служат для удержания щеток в определенном положении относительно коллектора. Щетки должны быть расположены в шахматном порядке, чтобы предотвратить неравномерный износ коллекторных пластин. Щетки устанавливаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Сила нажатия пружин должна обеспечить хороший контакт щетки с коллектором, не вызывая слишком больших потерь на трение. Проверка нажатия осуществляется динамометром или приближенно при помощи полоски папиросной бумаги. В последнем случае полоску папиросной бумаги надо положить под щетку и вытягивать ее. Если бумага выходит с трудом, но еще не рвется, то давление нормальное.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (Рис.6-12, и). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.

Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре (Рис.6-12, б) или только в обмотке возбуждения (Рис.6-12, б) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (Рис.6-12, г)

Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т.е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток , значение которого может быть определено по закону Ома:

. (17)

Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение - порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10-30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен:

. (18)

Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1 - 1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции , полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т.е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением:

. (19)

Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (19) представим в следующем виде:

. (20)

Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети Uуравновешивается суммой ЭДС самоиндукции и падением напряжения на сопротивлении якоря

Умножив обе части уравнения (20) наI_я , получим:

. (21)

В этом новом уравнении (21) левая частьI_я U представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части - мощность, поглощаемую сопротивлением якоря (электрические потери в якоре). Очевидно, что член представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности,, которая преобразуется в механическую (включая механические потери).

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре = 0 преобразование (полезное) отсутствует ( = 0), хотя потребляемая из сети мощность максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя (0) потребляемая из сети мощность () уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля (0).

Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение (19) значение ЭДС из соотношения (7). После преобразования получим:

. (22)

Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).

Действительно, если при установившемся токе в якоре и скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться, быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и для генератора (13).

Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Двигатель параллельного и независимого возбуждения

Схема включения двигателя постоянного, тока параллельного возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке 6-13. Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения.

Скоростная характеристика n=f (I_я ) таких двигателей при U =const и I_в = const приведена на рисунке 6-14, для объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя (22):

Читайте также: