Меню

Активные проводники машин постоянного тока

Машины постоянного тока – все, что нужно знать об этих устройствах

Электродвигатель постоянного тока

Несмотря на то, что переменный ток активно применяется человеком в быту и на различных производствах, машины постоянного тока, несмотря на некоторую ограниченность, до сих пор активно применяются в различных сферах деятельности человека. Суть работы данных агрегатов одна – преобразование механической энергии в электрическую, и наоборот.

Сегодня мы расскажем вам много интересного про эти уже давно изобретенные агрегаты, которые до сих пор практически ни в чем не изменились.

  • Особенности двигателей постоянного тока
    • Как устроены машины, работающие на постоянном токе
    • Классификация машин постоянного тока
    • Принцип работы на примере двигателя постоянного тока
  • Рабочие моменты
    • Пуск и режим реверса
    • Потери мощности и КПД
    • Рабочие характеристики
    • Регулировка скорости вращения двигателя

Особенности двигателей постоянного тока

Постоянного тока машина промышленная

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют в основном в следующих отраслях:

  • В металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подач и главного движения);
  • В тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как: тягачи, троллейбусы, трамваи, электровозы;

Машина постоянного тока – двигатель троллейбуса

  • В мощных снегоочистителях;
  • В качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления и прочее.

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

Устройство машин постоянного тока – генератор в разрезе

На картинке выше показано классическое строение такой машины:

  1. Коллектор – металлический скользящий контакт, через который ротор коммутируется с внешними электрическими цепями;
  2. Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые) – ответная часть скользящего контакта, которая постоянно трется о коллектор при вращении ротора;

Коммутация в машинах постоянного тока

  1. Ротор (якорь)- подвижная часть агрегата. При его вращении запускается процесс электромагнитной индукции.
  2. Главные полюса;
  3. Катушка обмотки возбуждения;

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

  1. Станина – корпус агрегата;
  2. Боковая крышка, которая закрывает крыльчатку охлаждения и является держателем подшипников качения, на которых вращается ротор;
  3. Вентилятор – призван охлаждать машину во время ее работы.

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Коллекторные машины постоянного тока

  1. Лобовые части обмотки статора.

Помимо этого конструкция имеет центральный вал вращения, который почему-то на схеме не отмечен, и иногда лапы – петли, через которые агрегат можно закрепить к столу, например.

Устройство и принцип действия машин постоянного тока - статор

  • Итак, основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической. Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Устройство машины постоянного тока – якорь располагается на валу

Остальные элементы относятся к механической части.

  • Станина машины постоянного тока делается из прочного металла – обычно это конструкционная сталь.
  • К внутренней части станины крепятся главные и добавочные полюса статора. Сердечники главных полюсов набираются из стальных пластин. Для добавочных полюсов они идут в основном массивные.
  • Обмотка возбуждения находится на главных полюсах – их МДС формируют рабочий поток. Обмотки добавочных полюсов обеспечивают нормальную коммутацию.

Коммутация тока в машинах постоянного тока

  • Роторный магнитопровод шихтуется из специальной электромагнитной стали.

Сам якорь имеет следующее строение:

Устройство и принцип действия машины постоянного тока: якорь в разрезе

  • Якорь имеет сердечник. Который, как уже было сказано, набирается из стальных пластин толщиной 0,35-0,5 мм. Пластины изолированы друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки, чтобы потери от вихревых токов были минимальными.
  • Снаружи сердечник имеет пазы, показанные в увеличенном виде на схеме выше. В эти пазы укладывается обмотка якоря, сделанная из специальной медной обмоточной проволоки, покрытой слоем изолирующего лака.
  • Проволока может быть круглого или прямоугольного сечения.
  • Обмотка внутри паза надежно крепится при помощи бандажей или клиньев из стальной проволоки.
  • Лобовая обмотка, выступающая за торцы сердечника, якоря крепится только бандажами.
  • Вся обмотка разбита на отдельные, изолированные друг от друга секции. Каждая из них соединяется в определенной последовательности с медными пластинами коллектора, к которым, так мы помним, за счет пружин прижимаются щетки.

Интересно знать! Контакт коллектора и щеток устроен таким образом, чтобы концы одной обмотки никогда не могли коротко замкнуться.

На этом фото хорошо видно, как к пластинам коллектора подходят концы проводов обмотки

  • Вообще коллектор довольно простая, но многофункциональная деталь таких машин, предназначенная для выпрямления тока.
  • Состоит он из коллекторных пластин, называемых также ламелями.
  • Пластины изолированы друг от друга и элементов крепления манжетами и специальными прокладками.
  • С торцов пластины стягивают нажимные фланцы.
  • Коллектор должен иметь строго цилиндрическую форму, поэтому тщательно обтачивается на специальном оборудовании – таким же образом они могут восстанавливаться после коротких замыканий.

Идем дальше – на очереди щеточный аппарат:

Щетки в отличном состоянии

  • Состоит он из щеточной траверсы и щеткодержателей со щетками.
  • Щеткодержатель имеет обойму, в которой и находится сама щетка. Под щеткой находится пружина, которая выталкивает ее наружу и тем самым прижимает к коллекторным пластинам.
  • От щеток отходят сборные шины, которые соединяют их с контактами машины.

При вращении ротора, между щетками и коллектором возникает искрение. Если оно будет слишком сильным, то возможно даже образование дугового разряда, что приведет к короткому замыканию и выходу агрегата из строя. Чтобы этого не произошло, и применяются дополнительные полюса обмотки.

На корпусе машины располагаются клеммы для подключения внешних цепей, а также паспортные данные.

Классификация машин постоянного тока

Какими могут быть генераторы постоянного тока

Способы возбуждения машин постоянного тока и включения главных полюсов делят машины на разные типы.

Выделяют следующие варианты:

  • Агрегаты с независимым возбуждением – Электрическая цепь, которую формирует обмотка возбуждения, никак не связана с силовой цепью ротора. Этот вариант практически единственный для генераторов постоянного тока.
  • Машины с параллельным возбуждением – цепь якоря и обмотка возбуждения включаются параллельно.
  • Варианты с последовательным возбуждением – не сложно сообразить, что обмотки соединяются последовательно – метод применяется на практике очень редко.
  • Машины со смешанным возбуждением – агрегаты имеют две обмотки возбуждения, одна из которых подключена к цепи ротора последовательно, а другая – параллельно.

Принцип работы на примере двигателя постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока

Давайте посмотрим, как работает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

  • Итак, к цепи обмотки возбуждения подается напряжение (U) – источник выдает постоянный ток.
  • Напряжение вызывает движение тока (Iв), который создает постоянную силу намагничивания (IвWв), которая в свою очередь приводит в состояние возбуждения магнитный поток (Ф), являющийся основным. Его направление зависит от направления тока в обмотке.
  • В это же время в якорной цепи проходит ток (Iя), создающий свое магнитное поле.
  • Прижимающиеся к коллектору щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви.
  • Обмотка в якорь укладывается таким образом, чтобы ее проводники, находящиеся в состоянии активности, находились у противоположных поясов. При этом направление токов будет одинаковым, что и не удивительно.
  • В этот момент начинается взаимодействие электромагнитных сил, в результате которого электромагнитный момент начинает вращать якорь.

Изменение ЭДС во времени при вращении якоря

  • При вращении якоря проводники в его обмотке пересекают основной магнитный поток, в результате чего в них образуется ЭДС, согласно закону электромагнитной индукции. Направление ЭДС определяется правилом правой руки, знакомого нам еще со школьной скамьи: расположите правую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные линии, тогда большой палец покажет, куда двигается проводник, а остальные 4 – направление ЭДС.
  • Известно, что наибольшее значение ЭДС получает тогда, когда активная обмотка проходит непосредственно возле магнитных полюсов. Дальше она убывает, а потом ток меняет свое направление, при условии, что цепь размыкаться не будет.
  • Если предположить, что обмотка якоря устроена таким образом, то работала бы такая машина крайне неэффективно. Именно поэтому в якорях машин постоянного тока реализован принцип смены активных секций обмотки, что происходит при вращении. В любой момент времени задействованы те секции, в которых значение ЭДС самое высокое.
  • ЭДС создает свое магнитное поле, называемое поперечным, так как оно перпендикулярно основному. При взаимодействии полей результирующий поток искажается.
  • Разность потоков устанавливает рабочие параметры машины.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

К электрическому двигателю подключен регулятор оборотов

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

  • Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
  • Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
  • Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
  • Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
  • Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Даже самый технически совершенный двигатель постоянного тока не может работать без потерь мощности

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

  • К первым относят магнитные, электрические и механические.
  • Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
  • Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
  • Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
  • Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Потери незначительны при отсутствующей нагрузке

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики ДПТ

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

  • Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
  • КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
  • Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Принципиальная схема регулятора оборотов вращения

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

  • Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
  • Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
  • Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.
Читайте также:  Рабочая максимальная сила тока

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

Источник



Обмотки якорей машин постоянного тока

date image2015-04-08
views image1435

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Обмотки якорей машин постоянного тока изготовляют из изо­лированных медных проводов, а в машинах больших мощностей — из шин прямоугольного поперечного сечения; обмотки выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения их делают стержневыми и каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция).

Из изолированного медного провода секции обмоток изготовляют в виде катушек с определенным числом витков (многовитковые секции).

В машинах постоянного тока исключительное применение находят шаблонные двухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя.

Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, от­стоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному деле­нию т, т. е. расстоянию между средними точками соседних разно­именных полюсов. При таком расстоянии между активными про­водниками (шаге обмотки) э. д. с, индуктированные в этих про­водниках, будут направлены в одну сторону, и э. д. с. секции будет иметь наибольшее значение, так как э. д. с. ее активных сторон складываются (рис. 136). Одна активная часть секции находится в верхнем слое паза, другая —в нижнем. При изображении раз­вернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя — прерывистой. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.

Секции, образующие обмотки, соединяются между собой так, чтобы индуктированные в них э. д. с. были направлены согласно, т. е. в одну сторону. Для этого начальные (конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под полюсами одинаковой полярности.

В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последователь­ными (волновыми).

На рис. 137 показана (толстой линией) одновитковая и много-витковая секция параллельной обмотки, состоящая из активной части верхнего слоя паза 1 и нижнего слоя паза 1+у1. В этих обмотках последовательно соединяются между собой секции на­чальные (конечные), активные стороны которых находятся под одним полюсом в расположенных рядом пазах. Таким образом, концы секций параллельной обмотки присоединяются к двум соседним коллекторным-пластинам (1 и 2), причем в многовитковых секциях к пластине 1 подключается начало первого витка, а к пластине 2 — конец последнего витка, соединяемый с началом следующей сек­ции. Любая коллекторная пластина (например, 1) соединяется

с двумя активными проводами, в каждом из которых протекает ток одной параллельной ветви обмотки iя, так что между двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллель­ные ветви.

При параллельных обмотках число щеток должно быть всегда равно числу полюсов 2р и, следовательно, число параллельных ветвей 2а в этих обмотках равно числу полюсов, т.е. 2а = 2р

При большом числе полюсов параллельная обмотка образует много параллельных ветвей, что дает возможность понизить ток в одной ветви и уменьшает поперечное сечение провода обмотки.

В последовательных обмотках начальные (конечные) активные провода секций находятся под различными полюсами одинаковой полярности (рис. 138).

При обходе схемы обмотки с верхнего проводника n мы получим первую секцию, активные стороны которой находятся под по­люсами N1 и S1 (секция на схеме изображена толстой линией). Активные стороны второй секции, последовательно соединенной с первой, находятся под полюсами, N2 — S2, третьей секции —под полюсами N3 и S3 и т. д. После полного обхода окружности якоря Придем в верхний проводник пары n — 1, лежащей рядом (лучше слева) с проводником пары n, от которого начали обход обмотки. Последовательно с верхним проводником пары n— 1 включаем проводники, лежащие под полюсами S1, N2, S2 и т. д., пока вновь

Вне зависимости от числа полюсов простая последовательная обмотка образует две параллельные ветви, т.е. 2а = 2. Поэтому при любом числе полюсов машина может иметь только две щетки, если обмотка якоря последовательная, причем эти щетки должны по­мещаться на расстоянии части окружности коллектора. Например, при р = 2 расстояние между щетками должно быть равно четверти окружности коллектора. Это дает возможность делать доступной для осмотра не всю окружность коллектора, а только; ее часть.

Наличие только двух параллельных ветвей свидетельствует о том, что в каждой ветви последовательно соединяется большое число активных проводов и э. д. с. машины может иметь большое значение. Поэтому последовательные обмотки находят применение для машин высокого напряжения.

Источник

Машины постоянного тока

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию «Основы теории машин постоянного тока» с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру.

Лекция 5. Основы теории машин постоянного тока
§1 Коллекторный тип машины постоянного тока
П1 Принцип работы машины постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока рассмотрим на примере простейшего одновиткового генератора с одной парой полюсов и одной парой щеток изображен на рисунке 40 .

Рис.40 Модель генератора постоянного тока

Его коллектор, состоит из двух полуколец. Когда, в процессе вращения якоря, в одновитковой обмотке меняется направление индуцируемой ЭДС, тогда полукольца меняют щетки. Выпрямленное напряжение такого генератора представляет собой пульсирующее напряжение одной полярности составленное из половинок синусоиды. Обычно, коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию, набранную из множества медных пластин — ламелей, расположенных вдоль образующей цилиндра (рисунок 41).

Рис.41 Разрез коллектора. Ламель

Ламели изолированы друг относительно друга. Коллекторные пластины соединены с секциями обмотки якоря. Секцией называется часть обмотки якоря непосредственно соединенная с двумя коллекторными пластинами. (1) Как правило, щетка представляет собой, снабженный гибким токоотводом, графитовый или медно-графитовый параллелепипед, скользящий в процессе вращения якоря по ламелям коллектора. Щетки расположены так, что соприкасаясь со следующими по ходу вращения секциями обмотки, обеспечивают практически постоянное максимальное напряжение между щетками. В этом случае, выпрямленное напряжение состоит из верхушек синусоиды, и, при достаточном числе ламелей коллектора, напряжение между щетками можно считать постоянным.
По свойству обратимости электрических машин, рассмотренная конструкция будет работать в двигательном режиме, если подвести постоянное напряжение к щеткам.
Вспомнив изученное в разделе синхронные машины, можно сделать вывод, что генератор постоянного тока можно определить, как снабженный механическим выпрямителем обращенный синхронный генератор с индуктором на статоре (станине) и обмоткой на роторе (якоре). В обмотке индуктора ( полюсов) протекает постоянный ток. В обмотке якоря, так же, как в обмотке статора синхронного генератора, индуцируется переменный ток. Переменный ток якоря выпрямляется с помощью механического выпрямителя — коллектора.(2)
Аналогично, двигатель постоянного тока может рассматриваться, как обращенный синхронный двигатель с коллектором, преобразовывающим постоянный ток сети в переменный ток в обмотках. Переменный ток в витке простейшего двигателя постоянного тока необходим для того, чтобы направление вращающего момента, действующего на рамку с током в магнитном поле, оставалось неизменным при каждом полуобороте рамки. Таким образом, в двигателе постоянного тока коллектор выполняет функции инвертора, то есть преобразователя постоянного тока в переменный.(3)
П2 Конструкция якоря машины постоянного тока (4)
Обычно, якорь представляет собой конструкцию из двух соосных цилиндров, сидящих на одном валу. Один цилиндр — коллектор, набранный из медных ламелей, второй — сердечник якоря. Ламель коллектора (рисунок 41) представляет собой фигурную конструкцию трапециевидного сечения. Ламели, разделенные слоями миканита, специального изоляционного материала на основе слюды, набираются по окружности вала якоря. Специальные выступы (петушки) на коллекторе служат для присоединения к секциям обмотки якоря. Рядом с коллектором на валу якоря находится сердечник якоря. Так как в обмотке якоря течет переменный ток, то его, для уменьшения потерь на вихревые токи, набирают из штампованных листов электротехнической стали.(рисунок 42).

Рис. 42 Лист стали сердечника якоря

По окружности листов имеются пазы под якорную обмотку, а вокруг центрального отверстия находятся отверстия вентиляционных каналов. В крупных машинах сердечник собирается из пакетов, толщиной 30 -50 миллиметров, разделенных воздушными промежутками, играющих роль вентиляционных каналов. В пазы сердечника якоря, идущие параллельно оси, или с некоторым скосом, укладывается изолированный провод обмотки. Концы секций обмотки со стороны коллектора закрепляются пайкой на петушках. Фрагменты обмотки , выходящие за пределы пазов со стороны противоположной коллектору, называются лобовыми частями. Обычно, сразу за лобовыми частями, на вал якоря насаживается крылатка вентилятора.
П3 Конструкция неподвижной части машины постоянного тока(5)
Неподвижная часть машины постоянного тока, как правило, включает в себя станину 19, главные полюса 11, щеточный аппарат 3,4 и подшипниковые щиты 1,17 (рисунок 43).

Рис.43 Конструкция машины постоянного тока

Станина является конструктивной основой машины, а также выполняет функцию части магнитопровода. К станине крепятся остальные части машины. Она , обычно, выполняется из толстых листов катаной стали и имеет вид полого цилиндра с крепежными лапами. У крупных машин станина делается разъемной.
Главные полюса создают основное магнитное поле машины, то есть являются индуктором. Сердечники главных полюсов (полюсные башмаки) набирают из листов электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет расширение — полюсный наконечник, для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор машины.
На сердечник главных полюсов укладывается обмотка индуктора.
Подшипниковые щиты удерживают подшипники, в которых вращается якорь, и предохраняют от попадания внутрь машины посторонних предметов. Со стороны коллектора, подшипниковый щит удерживает траверсу (рис 44) со щеточным аппаратом.

Рис. 44 Щеточная траверса и щеткодержатель

Траверса позволяет перемещать щеточный аппарат вдоль или против направления вращения. На траверсе укреплены стержни — щеточные пальцы, к которых закреплены щеткодержатели со щетками. Щетки прижимаются к коллектору пружинами щеткодержателей, и, по мере износа от трения по коллектору, могут перемещаться в обойме щеткодержателя.

Вопросы для самоконтроля.
1 Что такое секция обмотки якоря? (1).
2. Каково назначение коллектора генератора постоянного тока? (2)
3. Каково назначение коллектора двигателя постоянного тока?(3)
4. Расскажите устройство якоря машины постоянного тока (4)
5. Расскажите об устройстве неподвижных частей МПТ. (5)
§2 Обмотки и ЭДС якоря машины постоянного тока
П1 Кольцевые и барабанные якоря.
В зависимости от способа укладки обмотки различают якоря кольцевые и барабанные. В кольцевых якорях обмотка навивается как на кольцо, так что проводники проходят как снаружи, так и внутри кольцевого ферромагнитного каркаса якоря. В барабанных якорях обмотка навивается на сердечник якоря, как на барабан, так что витки проходят только по наружной поверхности сердечника якоря.(1) В настоящее время кольцевые якоря не применяются, ибо проводники, проходящие внутри ферромагнитного каркаса якоря, не работают, так как экранированы от магнитного поля индуктора. Однако, с методической точки зрения, кольцевой якорь очень удобен, так как принцип укладки его обмотки воспринимается значительно легче. Поэтому принято, первоначальные объяснения способов построения якорных обмоток, проводить на примере кольцевых якорей.
П2 Простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами. (2)
Представим себе кольцевой ферромагнитный сердечник с шестью пазами на внешней стороне, равномерно распределенными параллельно оси вдоль окружности. На кольцо наложены шесть витков провода, соединенных один за другим. Наружная (прямая) сторона каждого витка уложена в свой паз и называется активной стороной. Обратная сторона каждого витка не является активной стороной, так как лежит внутри кольца, вне магнитного поля полюсов. Сердечник с обмоткой надет на ось якоря. На оси якоря закреплен коллектор, состоящий из шести ламелей. Сторона витка лежащая в пазу присоединена к своей коллекторной пластине. На рисунке 45 представлен развернутый вид такой конструкции.

Читайте также:  Формула мощьности силы тока

Рис. 45 Развернутый вид простой петлевой обмотки кольцевого якоря

Пунктиром отмечено расположение полюсов для фиксированного момента времени. В процессе вращения якоря щетки и полюса перемещаются относительно витков обмотки. Щетки сдвинуты на 90 градусов от плоскости проходящей через центры полюсов и ось машины. В этом случае, для фиксированного момента времени, 1, 2 и 3 секции расположены под северным , а 4, 5 и 6 секции под южным полюсом. Если считать, что проводники относительно полюсов движутся влево, то направление действия ЭДС и знаки щеток соответствуют рисунку. Обмотка якоря состоит из двух параллельных ветвей, показанных на рисунке 45 справа. Если внешняя цепь генератора замкнута, то ось магнитного поля тока якоря сдвинута относительно магнитной оси полюсов на 90 градусов по направлению вращения якоря, размагничивая тот край полюса, на который проводник набегает и намагничивая тот , с которого проводник сбегает.
П3 Звезда ЭДС простейшей петлевой обмотки кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами
Будем считать, что распределение магнитной индукции вдоль зазора машины постоянного тока от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Направление вектора магнитной индукции везде перпендикулярно зазору. Под центром северного полюса вектор магнитной индукции максимален и входит в якорь. Под центром южного полюса — выходит из якоря. В точках, сдвинутых на 90 электрических градусов от магнитной оси полюсов, магнитная индукция равна нулю. Электродвижущие силы, индуцируемые в каждой секции обмотки, изменяются по синусоидальному закону, фаза ЭДС каждой секции зависит от ее расположения относительно магнитной оси.
Будем считать, что секция 1 миновала максимум синусоиды магнитной индукции и уходит из под северного полюса. Секция 2 проходит максимум индукции под северным полюсом, а секция 5 проходит максимум индукции под южным полюсом. Тогда для момента , изображенного на рисунке 45 фаза ЭДС в первой секции равна 150 градусов, фаза ЭДС во второй секции — 90 градусов, в третьей — 30 градусов, в четвертой -330 градусов, в пятой — 270 градусов и в шестой — 210 градусов. Векторная диаграмма ЭДС секций якоря, носящая название звезды пазовых ЭДС, изображена на рисунке 46. (3)

Рис. 46 Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки

Если вспомнить, что ламели отделены одна от другой слоями изоляции, то становится понятно, что первая, вторая и третья секции включены последовательно и образуют одну ветвь. Вторая ветвь состоит из четвертой, пятой и шестой последовательно соединенных секций. Первая и вторая ветви соединены между собой параллельно и подключены, в рассматриваемый момент, к одной паре ламелей 1-4. Первая ламель соединена со щеткой минус, четвертая ламель – со щеткой плюс. Вектор ЭДС ветви может быть получен геометрическим суммированием векторов соответствующих ЭДС секций. По общему правилу, проекция результирующего вектора на ось ординат дает действующее значение ЭДС ветви. Анализируя звезду пазовых ЭДС можно видеть, одну из причин, почему щетки устанавливают по линии геометрической нейтрали: В ветвях ЭДС секций действуют согласно и результирующая ЭДС ветви максимальна. Наоборот, если щетки установлены под центрами полюсов, то проекция результирующего вектора ЭДС ветви на ось ординат равна нулю, а, значит, равно нулю действующее значение ЭДС ветви.
Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки с одной парой полюсов, но с другим числом пазов и секций может отличаться только масштабом и числом лучей. Второй причиной установки щеток на нейтрали является желательность иметь переключение секций, при скольжении ламелей возле щеток, когда ток в секции проходит через нуль.
П4 Звезды ЭДС петлевой обмотки многополюсной машины
Число пар полюсов машины постоянного тока равно числу геометрических нейтралей, и машине постоянного тока с простой петлевой обмоткой на кольцевом якоре, имеющей n пар полюсов, требуется n пар щеток. Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря, установленного в машину с другим числом пар полюсов, будет отличаться от исходной. Например, якорь с 24 пазами и 24 коллекторными пластинами в машине одной парой полюсов будет иметь двадцатичетырехлучевую звезду пазовых ЭДС . Этот же якорь в машине с двумя парами полюсов имеет двойную двенадцатилучевую звезду, а с тремя парами полюсов — тройную восьмилучевую звезду. При четырех парах полюсов векторная диаграмма ЭДС секций обмотки якоря состоит из четырех шестилучевых звезд. Таким образом, машина с n пар полюсов и простой петлевой обмоткой якоря имеет n пар параллельных ветвей.(4) Векторная диаграмма ЭДС секций ее обмотки состоит из n одинаковых звезд пазовых ЭДС. Число лучей для каждой звезды можно получить, разделив число пазов якоря на число пар полюсов.
П5 Волновая обмотка кольцевого якоря
Для многополюсной машины возможно такое построение обмотки, когда после первого витка переходят не к следующему по порядку пазу, а к пазу лежащему под следующей парой полюсов примерно на таком же месте, и только пройдя под всеми одноименными полюсами переходят к пазу соседнему с первым. Для того, чтобы все шаги от одного одноименного полюса к другому были одинаковой длины необходимо, чтобы выполнялось равенство
(5)
Здесь, z — число пазов ротора, n — число пар полюсов, k- целое число, число пазов по ротору между следующими друг за другом по схеме обмотки витками. Если то после обхода по окружности якоря провод обмотки прейдет к следующему от первого по ходу обмотки пазу. В противном случае провод обмотки прейдет к предыдущему пазу.
Каждая секция волновой обмотки состоит из n витков. (6)Так как положение витков одной и той же секции относительно одноименных полюсов не совсем одинаково ( — дробное число), то сложение ЭДС витков в секции следует производить геометрически. Векторная диаграмма ЭДС секций волновой обмотки всегда представляет собой одинарную звезду. Простая волновая обмотка машины постоянного тока имеет одну пару параллельных ветвей и может иметь одну пару щеток. Но если машина большой мощности, то для улучшения условий токосъема ставят n пар щеток, по числу пар полюсов. Для машин малой мощности ограничиваются одной парой щеток
П6 Особенности обмоток барабанных якорей
В настоящее время кольцевые якоря не применяются, так как в них неэкономично используются обмоточный провод.(7) Участвует в процессе преобразования энергии только одна, активная сторона каждого витка обмотки. В барабанных якорях обе половины каждого витка находятся в магнитном поле полюсов, одна под северным, а другая под южным полюсом. Таким образом, в каждом пазу барабанного якоря находится две активных стороны . На рисунке 47 представлена развернутая волновая обмотка барабанного якоря с двенадцатью пазами , двумя парами полюсов и двенадцатью коллекторными пластинами.

Рис.47 Простая волновая обмотка барабанного якоря

Сплошной линией показана одна (прямая) сторона витка, пунктирной линией — вторая (обратная). Также как в обмотке кольцевого якоря, каждая прямая половина витка соединена с одноименной коллекторной пластиной. В пятом пазу лежит прямая сторона пятого витка, соединенная с пятой коллекторной пластиной, и обратная сторона второго. Обратная сторона пятого витка лежит в восьмом пазу вместе с прямой стороной восьмого витка, присоединенной к восьмой коллекторной пластине. Обратная сторона восьмого витка лежит в одиннадцатом пазу вместе с прямой стороной одиннадцатого витка, присоединенной с к одиннадцатой коллекторной пластине. Таким образом, обе стороны каждого витка являются активными, поэтому лучи звезды ЭДС обмотки барабанного якоря будут длиннее соответствующих лучей звезды обмотки кольцевого якоря в два раза.

Рис. 48 Схема параллельных ветвей волновой обмотки барабанного якоря

На рисунке 48 представлена схема параллельных ветвей этой обмотки, а на рисунке 49 – звезда пазовых ЭДС.

Рис. 49 Звезда пазовых ЭДС волновой обмотки

П7 Электрическая нейтраль, полезный магнитный поток и ЭДС якоря
Будем считать, что распределение индукции в зазоре машины от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Геометрической нейтралью называют линию, повернутую на 90 электрических градусов от оси магнитного полюса.(8) На геометрической нейтрали в зазоре машины магнитная индукция полюсов равна нулю.
Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали ( то есть, коммутируют секции обмотки якоря проходящие геометрическую нейтраль), то потокосцепление обмотки якоря с магнитным полем полюсов максимально. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали потокосцепление уменьшается и при расположении щеток на магнитной оси машины потокосцепление якоря от магнитного поля полюсов равно нулю. В теории электрических машин принято интерпретировать уменьшение потокосцепления обмотки якоря при сдвиге щеток с нейтрали, как уменьшение полезного магнитного потока полюсов. (9)Электродвижущую силу, индуцируемую в обмотке якоря, определяют по полезному магнитному потоку, используя следующую формулу

Здесь р- число пар полюсов, n — число оборотов якоря в секунду, N — число проводников в пазах обмотки, а — число пар параллельных ветвей, Ф — полезный магнитный поток полюсов. Обозначив, имеем:
(10)
Здесь — частота вращения якоря в радиан в секунду.
Вопросы для самоконтроля.
1. Чем отличаются кольцевые якоря от барабанных? (1)
2. Как устроена простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами? (2)
3. Что такое звезда пазовых ЭДС? (3)
4. Сколько параллельных ветвей имеет четырехполюсная машина с простой петлевой обмоткой? (4)
5. Какое условие должно выполняться для обеспечения равенства шагов волновой обмотки якоря? (5)
6. Сколько витков содержит секция волновой обмотки четырех полюсной машины? (6)
7. Почему кольцевые якоря в настоящее время не применяются? (7)
8. Что такое геометрическая нейтраль машины? (8)
9. Как изменяется полезный магнитный поток при сдвиге щеток с геометрической нейтрали? (9)
10. Запишите формулу ЭДС якорной обмотки в функции частоты вращения якоря и полезного магнитного потока .(10)
§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока
П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока
Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 50 а).

Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС, выбранные так, что условно положительное направление ЭДС совпадало с истинным направлением этой величины и противоположно напряжению генератора. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:
Индексы при обозначениях величин задают их условно положительное направление.
Умножим левую и правую части равенства на ток

Или (1)
Мощность, стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 50 б. (1)

Источник

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Дата публикации: 26 ноября 2011 .
Категория: Статьи.

В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.

Читайте также:  At3010 измеритель переменного тока

Устройство простейшей машины

На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим генератора

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v. (1)

Э. д. с. Eа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f = p × n (2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Iа. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Кривые ЭДС и тока простейшей машины постоянного тока

Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Eа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа:

Uа = EаIа × rа. (3)

Проводники обмотки якоря Iа с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)

Fпр = B × l × Iа, (4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен

Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа, (5)

где Dа – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока Iа у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Eа, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:

Uа = Eа + Iа × rа. (6)

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Направление ЭДС, тока и моментов в генераторе и двигателе постоянного тока

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = MвMтрMс, (7а)

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс, (7б)

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

Pэм = Pэм × Ω, (8)
Ω = 2 × π × n, (9)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

Pэм = Eа × Iа. (10)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Pа= Eа × Iа. (11)

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × IаIа 2 × rа (12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа 2 × rа. (13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник