Меню

Часть машины постоянного тока в которой индуктируется эдс

Часть машины постоянного тока в которой индуктируется эдс

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 1. схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре) размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по об­мотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается, как показано на рис. 1. штриховыми линиями.

ЭДС, поэтому в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка укладывается на стальном сердечнике М, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединя­ются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии на рисунке показывают соединения проводников с переднего торца, а штрихпунктирные — с заднего.

Изображенный на рисунке якорь называется кольцевым. В настоящее время кольцевой якорь не имеет широкого практического применения. Однако в дальнейшем при изложении некоторых физических процессов, происходящих в машине, будем рассматривать такой якорь, чтобы получить более наглядную картину.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора (К). Коллектор располагается на валу якоря и представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких вит­ков. Число коллекторных пластин равно числу секций. Показанная на рисунке обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рис. 1. стрелкой показано направление вращения якоря. Там же показаны и направления ЭДС в проводниках обмотки якоря. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуктироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря, В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника якоря, являются активными, а на внутренней — неактивными.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины имела максимальное значение, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, к которому относится картина, изображенная на рисунке, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную на рисунке полярность.

При вращении якоря расположение секций в пространстве будет меняться. При этом будет изменяться направление ЭДС, индуктируемой в проводниках соответствующих секций. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут распо­лагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС и щетки будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными. Направление тока в проводниках будет совпадать с направлением ЭДС.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока.

Например, для определенного момента времени такому распределению тока по проводникам обмотки якоря может соответствовать картина, показанная на рис. 1. При показанном на рисунке распределении тока электромагнитные силы всех проводников имеют одинаковые направления, в чем можно убедиться, применяя правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель создает наибольший вращающий момент, под действием которого якорь придет во вращение в направлении, противоположном указанному на рис. 1. для генераторного ре­жима.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви. Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2. Электродвижущая сила на выводах машины при холостом ходе (без нагрузки) будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети при нагрузке будет равен сумме токов параллельных ветвей.

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю (рис. 1.), поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

Источник



Принцип действия машины постоянного тока

date image2015-05-26
views image11346

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Электрические машины постоянного тока

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

где Се — константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

3. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

Читайте также:  Гдз по физике 8 класс перышкин лабораторная работа номер 6 регулирование силы тока реостатом

где U — напряжение на зажимах генератора;
Rя — сопротивление обмотки якоря.

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

4. Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт — амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

6. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где CM — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.
Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

Рис.13 Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:

  1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
  2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
  3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

7. Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n2 от момента на валу M2 при U = const и Iв = const.
Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 14

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Рис. 15 Рис. 16

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k — коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

Рис. 17 Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения выглядит следующим образом:

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.
С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.
Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д., когда жесткость, то есть рывки момента недопустимы.

Источник

Машины постоянного тока

Области применения машин постоянного тока

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

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

Устройство электрической машины

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

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

Рис. 2.1 Устройство электрической машины постоянного тока:

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

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

9 — обмотка якоря.

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

Читайте также:  Инвертор тока внешняя характеристика

Рис. 2.2 Лист сердечника якоря

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.5 Устройство коллектора

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

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

По способам возбуждения электрические машины классифицируются:

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.6. Способы возбуждения электрических машин постоянного тока

Роль щеточно-коллекторного механизма

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

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

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

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

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

где Вср – электромагнитная индукция,

la – длина проводника;

V — линейная скорость проводника.

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

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

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

где Nпр – число пазов;

а – число пар параллельных ветвей.

Вывод формулы обмотки якоря.

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

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

Рис. 2.11 Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

электрической машины постоянного тока

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

где Вср – среднее значение магнитной индукции,

l – активная длина проводника,

v – окружная скорость якоря.

ЭДС обмотки якоря Еа определяется по формуле

где N – число проводников всей обмотки якоря,

– число параллельных ветвей.

Подставив выражение (2.5) в (2.6), получим

где v – линейная скорость, ;

D – диаметр якоря;

pD – длина окружности якоря.

Так как полюсное деление

где 2p – число пар полюсов.

Подставив выражение (2.9) в (2.8), получим

Подставив выражение (2.11) в (2.10), получим

— постоянная машины, тогда

где Ея – ЭДС обмотки якоря, В;

n – скорость вращение якоря, об/мин;

а – число пар параллельных ветвей и обмотки якоря.

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

Вывод формулы электромагнитного момента

машины постоянного тока.

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

В режиме генератора уравнение электрического состояния обмотки якоря имеет вид

U – напряжение в нагрузке.

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

Уравнение баланса мощностей в режиме генератора постоянного тока.

Мощность в нагрузке определяется по формуле

где Pэм – электромагнитная мощность,

эл – тепловые потери.

Во всех случаях электромагнитная мощность представляет собой

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

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

Природа возникновения электромагнитного момента одна и та же.

, (2.18)
. (2.19)

Величина постоянная для машины

. (2.20)
(2.21)

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

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

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

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

Такой генератор имеет жесткую характеристику

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

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

Исходя из анализа, внешняя характеристика является жесткой.

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

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

На основании внешней характеристики определяется номинальное изменение напряжения генератора.

(3.3)
(3.4)
(3.5)

Генераторы самовозбуждения устойчивы к токам короткого замыкания.

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

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения.

В качестве привода может быть использован асинхронный двигатель.

1- характеристика холостого хода генератора постоянного тока,

2- характеристика цепи возбуждения.

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

Читайте также:  Источник тока в разрезе

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

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

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

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

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

— процесс самовозбуждения начинается с появления остаточного напряжения.

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

— точка А должна в обмотке рабочее движение генератора.

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

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

13.1. Общие сведения

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основ­ное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возмож­ности плавного регулирования частоты вращения и получения боль­ших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электри­ческом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности приме­няются в системах автоматического регулирования, где они исполь­зуются не только для привода исполнительных механизмов, но и как датчики частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока находят применение в системах электропитания специального оборудования, например в радиотехни­ческих установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электро­литических ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока яв­ляется их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию це­пей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надеж­ность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком применения двигателей постоянного тока является необ­ходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

13.2. Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вра­щающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной мо­мент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном.

Неподвижная — часть состоит из станины (рис. 13.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы для возбуждения главного

магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации (см. § 13.7) в машине.

Главный полюс состоит из сердечника полюса, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки воз­буждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным нако­нечником для создания требуемого рас­пределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 13.2). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно по­стоянен. Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между основ­ными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последовательно с яко­рем.

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее отно­сительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В маши­не постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали (рис. 13.3, а) толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря (рис. 13.3, б) обычно состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 13.4). Щетку 1 к кол­лектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверсакрепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Характерной частью электрических машин постоянного тока яв­ляется коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 13.5). Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводниками 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вра­щающаяся обмотка соединяется с fjSB* внешней цепью скользящим кон- pNsI тактом между щетками и коллек- ШЯ

Как и все электрические маши- HP ны, машина постоянного тока об- ^^7 ратима. Она работает в режиме Рис 12 генератора, если ее вращает пер­вичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях ЭДС, ин­дуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток.

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу машины тормозной момент, который преодолевается первич­ным двигателем. Генератор преобразует меха­ническую энергию в электрическую.

В двигательном режиме цепи якоря и воз­буждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу ма­шины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Таким образом, одна и та же машина мо­жет быть использована в качестве генератора или двигателя. Важнейшим классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Одним из них является использование постоянных магнитов на полюсах ма­шины. Во многих современных машинах главное магнитное поле воз­буждается с помощью электромагнитов. Для этого используется об­мотка возбуждения с током возбуждения, размещенная на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоян­ного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двига­теля зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой, в соответствии с чем принято различать параллельное, последовательное, смешанное и независимое возбуждение машин. Практически весьма ценно то обстоятельство, что мощность цепи возбуждения прилюбом способе включения обмотки возбуждения относительно мала — примерно 5% номинальной мощности у малых машин и менее 1 % — у машин большой мощности. Это делает возможным экономичное управление работой машины по­стоянного тока (напряжением генератора, угловой скоростью враще­ния двигателя).

В машинах о независимым возбуждением обмотка возбуждения подключается к независимому источнику электроэнергии, благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Сечение проводов обмотки возбуждения в этих машинах выбирается в зависимости от напряжения источника тока возбуждения. Характерным для этих машин является независимость главного магнитного по­тока от нагрузки машины.

У машин с параллельным возбужде­нием цепь обмотки возбуждения соеди­ няется параллельно с цепью якоря (рис.13.7, а). В этом случае ток возбужде­ния Iв во много раз меньше тока якоря (0,05—0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (rB = U/IВ) должно быть относительно вели­ко. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков wnap из тонкого провода и благодаря этому об­ладает значительным сопротивлением. Характерно для машин парал­лельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, по­стоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

У машин с последовательным возбуждением ток якоря Iя равен току обмотки возбуждения (рис. 13.7, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока Iя в обмотке последова­тельного возбуждения велико, благодаря чему для получения необхо­димой МДС (Iяwпос) достаточно, чтобы эта обмотка имела малое число витков wпос . Следовательно, сопротивление обмотки последовательного возбуждения rв относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изме­нениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, который является одновременно и током возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сер­дечнике расположены две обмотки (рис. 13.8).

Одна из этих обмоток, подключаемая параллельно якорю, явля­ется основной. Создаваемая ею МДС (Iпарwпар) возбуж­дает главное магнитное поле.

Вторая обмотка wnoc лишь дополнительно воздей­ствует на это магнитное поле. В зависимости от преоб­ладания МДС, созданных последовательной или парал­лельной обмоткой возбуждения, машина по своим ха­рактеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой воз­буждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т. е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток име­ют противоположное направление, применяется в немногих специаль­ных случаях.

Источник