Меню

Электрические величины машин постоянного тока



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.

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.

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

Электрические машины постоянного тока

date image2015-01-21
views image3791

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Электрическая машина постоянного тока состоит из индуктора, якоря и коллектора. Индуктор, служит для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной ее части — статоре. Якорем машины является ее вращающаяся часть. В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле главных полюсов в его обмотке наводятся переменные ЭДС, которые «выпрямляются» щеточно-коллекторным устройством.

Магнитная цепь машин постоянного тока выполняется таким образом, что в ней поддерживается постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором помещается подвижная часть машины в, виде металлического цилиндра с расположенными на нем витками. Таким образом, характерным для электромагнитной схемы машин постоянного тока является то обстоятельство, что в них ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле, и проводники с током взаимодействуют также с неподвижным магнитным полем (рис. 10).

Электромагнит создает магнитное поле, линии которого сцепляются с витком якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно бесполезны. Величина магнитного потока должна быть по возможности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в якоре. По этим соображениям направляют путь магнитных линий по стали, так как намагниченная сталь создает внутри себя добавочный магнитный поток. Поэтому и сердечник электромагнита, и якорь сделаны из стали.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.1. Направление токов в обмотках возбуждения по правилу винта создают магнитные линии в якоре одного и того же направления и, следовательно, их магнитные потоки складываются. Верхний сердечник является южным полюсом, нижний — северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Говорят, что такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

Часть пути магнитные линии проходят по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необходим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако величину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание подшипников машин.

Читайте также:  Бросить курить при помощи тока

Величина магнитного потока зависит от размеров и материала машины, числа витков и величины протекающего по ним тока.

В современных электрических машинах не слишком большой мощности возбуждение осуществляется не только от электромагнитов, но и от постоянных магнитов. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Машины постоянного тока имеют устройство, выпрямляющее переменный ток и превращающее его в постоянный. Это устройство называется коллектором. Плоскость витка, вращающегося в магнитном поле, перпендикулярна направлению магнитных линий и напряжение в нем равно нулю.

В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряжение будет проходить нулевое значение не одновременно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно на нейтральной линии. Нейтральная линия располагается симметрично относительно северного и южного полюсов. В частности в четырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтральные линии.

В тот момент, когда ток в витке равен нулю, происходит пересоединение проводов, связывающих генератор с нагрузкой. Концы вращающегося витка обозначены цифрами 1 и 2, концы отходящих проводов цифрами 3 и 4 (рис. 11).

В течение одного полупериода ток в витке генераторной обмотки направлен так, как показано на первой схеме. Ток в нагрузке направлен от конца 3 к концу 4. После того как этот полупериод закончился, ток в генераторе изменит свое направление. В этот же момент времени происходит пересоединение нагрузочных концов, вследствие чего ток в нагрузке сохраняет свое направление.

Направление тока у потребителя остается постоянным, а величина его будет меняться по выпрямленной синусоиде. График такого тока показан на рис. 12. Ток следующего витка также будет выпрямленной синусоидой, и, сложившись с током предыдущего витка, он сгладит колебания величин тока. При большом числе витков получается почти неизменный ток.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга, к этим полукольцам присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 13).

К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, то полученное устройство, автоматически осуществляет переключение, соответствующее переключению, показанному на рис. 12.

На рис. 13 показано положение полуколец, при котором щетка I перескочила на кольцо, соединенное с проводом 1, а щетка II — на кольцо, соединенное с проводом 2. Если ось магнитного потока направлена прямо за плоскость чертежа, то момент перехода щеток соответствует моменту, когда изменяется направление напряжения. Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток постоянный по направлению, но не по величине.

Якорь представляет собой стальной цилиндр (барабанный якорь), на котором расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный поток, пронизывающий витки обмотки, будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС, изменяющаяся приблизительно по закону синуса. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак.

Соединение проводников обмотки выбирают таким, чтобы ЭДС складывались по схеме петлевой обмотки или по схеме волновой обмотки (рис.5). Если соединить два витка, у которых обе стороны лежат под одними и теми же полюсами, то получится петлевая обмотка (рис. 14, а) Если же соединить витки, стороны которых лежат под разными полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 14, б). Обмотки укладываются в специальных пазах, вырезанных по поверхности якоря.

Концы проводов соединяют и с коллектором, для получения постоянного тока, и между собой, иначе цепь будет незамкнутой. При соединении свободных концов руководствуются тем же правилом, что и при соединении начал: расстояние между соединительными концами должно быть примерно равным половине окружности якоря.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром — обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только во вторичном контуре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, действующая несогласованно с основной НС. Это явление получило название реакции якоря, которое приводит к снижению ЭДС машины, некоторому снижению главного магнитного потока в машине, а также ухудшает условия коммутации машины.

Мощность, получаемая электрическими машинами, всегда меньше мощности, отдаваемой ими, но часть мощности непроизводительно теряется в самих машинах. Это справедливо для любых процессов: происходит ли преобразование электрической мощности в электрическую (трансформатор); механической мощности в электрическую (генератор) или электрической в механическую (двигатель).

Потеря мощности в электрических машинах обычно бывает очень невелика, она составляет 5 — 15% преобразуемой мощности.

Потери в электрических машинах могут быть разделены на три категории: потери мощности на механическое трение (во вращающихся машинах), потери мощности на нагрев проводов, по которым протекает ток (потери в меди), и потери мощности, связанные с перемагничиванием стали (потери от вихревых токов и от гистерезиса). Все эти три вида теряемой мощности в результате идут на нагрев машины.

В тех частях машины, где имеется переменное магнитное поле, железо расслаивают, собирая эти части из листов железа, изолированных друг от друга. Этим достигается значительное уменьшение потерь на вихревые токи.

В машинах постоянного тока в неподвижном остове машины и в полюсах магнитный поток будет неизменным, а во вращающемся якоре сталь непрерывно перемагничивается (якорь вращается в постоянном магнитном поле). Поэтому в машинах постоянного тока их станина выполняется обычно из сплошной стали, а якорь собирается из отдельных листов.

В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин пользуются специальными сортами стали. В электромашиностроении главным образом применяется кремнистая листовая сталь, обладающая относительно малой проводимостью (что приводит к уменьшению вихревых токов) и малым гистерезисом. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах — от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока могут быть разделены на две основные группы: генераторы и электродвигатели. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами. По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением (рис.15). Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи ее возбуждения. Этой цели служит регулировочный реостат, включаемый в цепь возбуждения машины последовательно с ее обмоткой возбуждения.

У генераторов с параллельным возбуждением цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:

где : — ток якоря,

У генераторов с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки.

У генераторов со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью.

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:

гдеСе — постоянная, зависящая от конструктивных данных машины,

n — частота вращения якоря,

Ф — результирующий магнитный поток,

р — число пар полюсов статора,

N — число активных проводников обмотки якоря,

а — число пар параллельных ветвей обмотки.

Из этого простого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В генераторах скорость вращения остается при работе, как правило, постоянной и потому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе двигателей скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки, что вызывает соответствующее изменение ЭДС. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения, и тем самым магнитного потока, что также отражается на изменении ЭДС.

В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:

где М -вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой,

n — частота вращения ротора.

в электромагнитную мощность:

где Е — ЭДС якорной обмотки,

Iя — ток в якорной обмотке.

С учетом потерь в генераторе , в нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется часть электромагнитной мощности .

КПД генератора находится как:

Напряжение на выводах генератора:

где — сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмоток .

К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся:

характеристика холостого хода дает зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при разомкнутой внешней цепи, т.е. при , и при постоянстве скорости вращения машины . Характеристика холостого хода дает представление о степени насыщения стали машины. По этой характеристике можно определить. На какое номинальное напряжение изготовлена машина.

внешняя характеристика отражает изменение напряжения на зажимах машины при изменении тока в цепи якоря при и (для независимого возбуждения) или (при самовозбуждении). Для генераторов постоянного тока эту зависимость можно выразить , где сопротивление цепи якоря с учетом переходного сопротивления скользящего контакта щеток и обмоток дополнительных полюсов, если таковые имеются. Внешнюю характеристику можно снимать на понижение и на повышение напряжения.

регулировочная характеристика , при , .

Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением, так как питание цепи якоря двигателя и его цепи возбуждения осуществляется во всех схемах от внешней сети. По схеме включения обмотки двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным включением обмотки якоря и обмотки возбуждения, называемые двигателями с параллельным возбуждением, двигатели с последовательным включением этих обмоток, называемые двигателями с последовательным возбуждением и двигатели со смешанным возбуждением (рис.15). Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого.

В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря

Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями:

Независимо от способа возбуждения равновесное состояние электрической цепи якоря имеет следующий вид:

с учетом (2), решив его относительно тока и скорости вращения, эта формула примет вид:

Полученное соотношение позволяет провести анализ свойств различных двигателей.

К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие , , , или и механическая при и .

Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование.

Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря (рис. 16). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения. Частота вращения регулируется тремя способами:

1) изменением напряжения цепи якоря,

2) изменением тока возбуждения, т.е. ,

3) введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

Существует три способа торможения двигателей постоянного тока:

1) рекуперативное (с возвратом энергии в сеть),

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).

Читайте также:  Сформулировать закон токов для последовательного соединения проводников

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.

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).

Читайте также:  Плотность тока в обмотке статора

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 – 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.

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