электрические машины постоянного тока

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП РАБОТЫ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрический двигатель является электромеханическим преобразователем электрической энергии в механическую энергию. Возможно и обратное преобразование механической энергии в электрическую энергию. В этом случае машина будет работать в генераторном режиме.

В конструктивном плане электрическая машина состоит из 2-х частей. Одна из них неподвижная, её называют статором, а вторая вращающаяся и её называют ротором. На статоре располагается обмотка для создания магнитного поля, её называют обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения располагается на полюсных наконечниках, северном и южном, которые охватывают вращающийся ротор. Якорь набирается из штампованных листов электротехнической стали. Он имеет пазы, в которые укладывается обмотка якоря. Более полное представление о конструктивных особенностях электрической машины приводятся в [1,2].

Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения представлена на рис.1.1.

В этой схеме два независимых контура для протекания тока. К первому контуру прикладывается напряжение возбуждения . Под действием этого напряжения через обмотку возбуждения ОВ протекает ток возбуждения . Этот ток создает магнитный поток, пронизывающий обмотку якоря.

Ко второму контуру подводится напряжение U. Якорь условно представлен в виде окружности, по диагонали которой расположены контактные щётки, на рисунке они представлены в виде затемнённых площадок. Через эти щётки напряжение прикладывается к коллектору. Коллектор представляет собой набор медных пластин изолированных друг от друга изоляционными прокладками.

Пластины вместе с прокладками равномерно распределены по окружности и жёстко закреплены на валу двигателя. К каждой пластине коллектора присоединяются проводники обмотки якоря. Связь между вращающимся коллектором и источником питания происходит через щётки, которые устанавливаются в щёткодержатель и прижимаются к коллектору пружинами. С помощью коллекторно-щеточного узла происходит коммутация тока в проводниках обмотки якоря. В зависимости от величины тока может возникать искра между щёткой и коллекторной пластиной. По этой причине приходится ограничивать ток якоря до такой величины, чтобы степень искрения не превышала допустимого уровня. Это один из недостатков машины постоянного тока. В настоящее время имеются схемы, в которых механический коллектор заменён полупроводниковым, такие машины называют бесколлекторными машинами постоянного тока или вентильными двигателями.

Принцип действия электрической машины сводится к следующему. Из курса физики известны два важных свойства, которыми обладает электрический проводник, находящийся в магнитном поле.

Первое свойство состоит в том, что если в магнитное поле поместить рамку с током, то возникает пара сил приложенных к этой рамке или электромагнитный момент, который пропорционален произведению тока и магнитного потока. В качестве рамки выступает один виток обмотки якоря. Результирующий электромагнитный момент представляет собой сумму электромагнитных моментов всех витков обмотки якоря и его можно описать формулой

где к - конструктивный коэффициент двигателя, зависящий от числа витков обмотки якоря и от числа пар полюсов обмотки возбуждения; Ф - магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения; I - ток, протекающий в обмотке якоря.

Второе важное свойство электрической машины сводится к следующему. Если ротор перевести во вращение, то проводники обмотки якоря начинают перемещаться относительно неподвижного магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения. Это приводит к тому, что в каждом проводнике обмотки якоря возникает ЭДС, эту ЭДС называют ЭДС вращения:

Здесь, так же как и в (1.1), конструктивный коэффициент “к” один и тот же, он учитывает все проводники обмотки якоря и описывается равенством: (р - число пар полюсов двигателя; N - число активных проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря). Ф и - соответственно магнитный поток и угловая скорость двигателя.

Обратите внимание, что равенства (1.1) и (1.2) являются очень важными. С одной стороны важно понимать их физическую сущность, а с другой - важно их запомнить, так же как запоминается таблица умножения в начальных классах средней школы.

Очень важным является ещё одно уравнение

Это уравнение называют уравнением движения. Оно представляет собой второй закон Ньютона применительно к вращательному движению. Читается этот закон так.

Результирующий или суммарный момент на валу двигателя равен произведению момента инерции J на угловое ускорение . Здесь введено понятие статического момента. Под статическим моментом понимается момент, приложенный к валу двигателя со стороны нагрузки или со стороны рабочего органа производственного механизма.

Электромагнитный момент, развиваемый электрической машиной (1.1), и момент статический могут способствовать движению или препятствовать ему. В связи с этим вводят понятия движущего и тормозного моментов. Знак момента определяется по отношению к направлению вращения вала двигателя. Если момент направлен согласно с направлением вращения, то такой момент называют движущим, если же момент направлен встречно направлению вращения, то такой момент является тормозным. Уравнение (1.3) записано для случая, когда электромагнитный момент М движущий, а статический момент Мс тормозной. В общем же случае знаки моментов могут быть разными

Если результирующий момент , то машина работает в установившемся режиме. Если же , то имеет место переходный процесс, скорость машины будет увеличиваться или уменьшаться. Знак углового ускорения определяется знаком результирующего момента.

Перед началом работы машину обычно возбуждают, то есть к обмотке возбуждения ОВ прикладывают напряжение возбуждения . Если теперь в процессе работы магнитный поток оставлять постоянным, то уравнения (1.2) и (1.3) записывают обычно в упрощенном виде:

В этих равенствах введено понятие коэффициента электромагнитного момента или ЭДС машины

Процесс преобразования электрической энергии в механическую энергию можно пояснить с помощью схемы на рис.1.1. Для этой схемы справедливо равенство

где - суммарное сопротивление якорной цепи, включающее в себя сопротивление якоря двигателя и дополнительное сопротивление , включённое последовательно в цепь якоря.

Дополнительное сопротивление включают не всегда, а лишь в необходимых случаях.

Умножая левую и правую части равенства (1.7) на ток якоря, получим:

Это уравнение характеризует процесс преобразования одного вида энергии в другой. В левой части записана электрическая мощность, потребляемая из сети . Первый член в правой части равенства представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую через воздушный зазор . В инженерной практике обычно пренебрегают потерями на трение в подшипниках и потерями в стали. С учётом этих допущений механическая мощность на валу становится равной электромагнитной мощности, а электромагнитный момент (1.1) принимается равным моменту на валу двигателя.

Второй член в правой части (1.8) характеризует мощность электрических потерь в якорной цепи, которая нагревает двигатель и окружающую среду.

Двигатель может работать в установившемся режиме или находиться в переходных процессах. Установившийся режим - это режим, когда скорость остаётся величиной постоянной. Не меняются во времени и другие переменные. Из (1.3) следует, что в установившемся режиме выполняется равенство

Отсюда можно заключить, что в установившемся режиме ток в якорной цепи протекает лишь тогда, когда имеется статический момент. Этот ток называют статическим током I=Ic.

Машины постоянного тока: принцип действия

Электрические машины – это устройства для преобразования электрической энергии в энергию механическую (и наоборот). Работа машины постоянного тока основана на законе электромагнитной индукции.

Как правило, эти агрегаты используются в промышленности для тяговых механизмов, таких как подъёмные краны и лебёдки. Существенным недостатком двигателя является образование на коллекторе нагара от щёток. Чтобы избежать чрезмерного искрения, необходимо периодически делать осмотр и проводить профилактические работы. Устройство машин постоянного тока отличается от асинхронных и синхронных двигателей.

Между полюсами, создающими постоянный магнитный поток, располагается якорь, выполненный в виде стального цилиндра. В его пазы уложены витки медного проводника, а концы проводника соединяются с полукольцами, которые изолируются от других деталей машины – это и есть коллектор, по которому скользят щётки. Они соединяются с внешней цепью.

Так как в витках возникает электродвижущая сила, то якорь машины постоянного тока начинает вращаться при пересечении полем его витков.

В силу того, что магнитная индукция распределяется по стальному цилиндру неравномерно, скорость создаваемой ЭДС зависит от плотности тока в зазорах между витками. Таким образом, под полюсами магнитная индукция максимальна, а в центре якоря (на продольной оси) – равна нулю.

При вращении якоря машины постоянного тока каждые пол-оборота проводники меняют полярность, так как попадают под влияние противоположных полюсов, следовательно, и направление электродвижущей силы меняется на противоположное, а если ЭДС изменяется по времени и направлению, то её следует отнести к переменной величине. Чтобы во внешнюю цепь поступала постоянная составляющая, в устройство машины постоянного тока включен коллектор. Это - своего рода переключатель. Неподвижные щётки, которые соединены с внешней цепью, скользят по полукольцам, жёстко закреплённым на якоре.

Вращаясь, якорь соприкасается лишь с той щёткой, которая находится под конкретной полярностью. В то время, когда направление электродвижущей силы меняется, происходит переключение колец, то есть для внешней цепи изменений в направлении ЭДС не происходит. Таким образом, коллектор – это некий выпрямитель, который не даёт измениться генерируемому току.

Чтобы исключить пульсацию электродвижущей силы, на якоре имеются витки, которые присоединяют к парам коллекторных пластин. Витки сдвинуты друг от друга на незначительный угол, это позволяет компенсировать искажения в гармониках и ток поступает в цепь без пульсаций.

Если машины постоянного тока работают в режиме двигателя, тогда, наоборот, к щёткам прикладывается напряжение. Таким образом, проходя через коллектор, в витках появляется ток, который создаёт своё магнитное поле. Взаимодействуя с полем полюсов, якорь начинает вращаться, однако, в то время, когда направление вращения при переходе проводников через противоположный полюс должно бы было измениться, коллектор по-прежнему переключает полярность. Таким образом, изменяется направление тока и, соответственно, его магнитного поля. В этом случае коллектор – это инвертор, преобразователь постоянного тока в переменный.

Электрические машины постоянного тока

§ 8.1. Назначение машин постоянного тока

Электрическими машинами называются устройства для преобразования механической энергии в электрическую или электрической в механическую. В первом случае они называются генераторами, а во втором электродвигателями.

Электрические генераторы постоянного тока применяются для питания электродвигателей, установок для электролиза, для зарядки аккумуляторов я т. д. Электродвигатели постоянного тока приводят во вращение механизмы, требующие больших пусковых вращающих моментов и широкого регулирования частоты вращения, например: электрический транспорт, шахтные подъемники, прокатные станы. В автоматических устройствах машины постоянного тока служат исполнительными двигателями, измерителями частоты вращения, преобразователями сигналов и др. В специальных устройствах металлообрабатывающих станков машины постоянного тока позволяют значительно упрощать механические схемы регулирования скорости.

§ 8.2. Устройство машины постоянного тока.

Эскиз двухполюсной машины постоянного тока представлен на рис.8-1. Машина состоит из стальной станины 1 и вращающегося якоря 2. На станине при помощи болтов укреплены полюсы З. На полюсах (рис.8-2) помещается обмотка возбуждения 4 (рис.8-1), по виткам &#&69;в которой проходит ток возбуждения Iв. Магнитодвижущая сила (м. д. с.) обмотки возбуждения, равная Iв&#&69;в, создает магнитный поток возбуждения Ф, замыкающийся через полюсы, воздушный зазор между полюсами и якорем, через якорь ц станину (рис. 8-1).

Рис.8-1. Двухполюсная машина постоянного тока.

Полюсы набираются из стальных листов, и тело их оканчивается полюсными наконечниками 5, форма которых определяет распределение магнитной индукции В&#&63; в воздушном зазоре.

Устройство якоря машины показано на рис. 8-3. Это цилиндр 1, набранный из штампованных стальных листов, изолированных друг от друга и запрессованных на валу 2 (рис. 8-3, а). В его пазы З укладываются провода обмотки

Рис.8-2. Полюс машины. Рис.8-3. Якорь машины.

якоря 4 (рис. 8-3, б), соединяемые друг с другом по определенной схеме, представляющей собой последовательно-параллельное (смешанное) соединение. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями или бандажами 5.

На валу якоря 2 помещается цилиндрический коллектор 6, электрически изолированный от вала. Коллектор (рис. 8-4) состоит из клиновидных медных пластин 1, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками, набранными на втулке 2 и закрепленными на ней болтами. К выступам коллекторных пластин З, называемых «петушками», припаиваются определенные концы проводников, составляющих обмотку якоря. К поверхности коллектора прилегают угольные или графитовые неподвижные щетки 6 (рис 8-1), к которым присоединяются провода внешней сети. Таким образом, провода внешней сети через щетки и коллектор соединяются с вращающейся обмоткой якоря.

Рис.8-4. Конструкция коллектора.

Другое назначение коллектора — преобразование переменных э д. с., наводимых в проводах обмотки якоря, в постоянную э. д. с. машины Е на основе переключений (коммутации).

Устройство щеточного механизма показано на рис. 8-5. Щетки в форме угольных или графитных призм 1 помещены в обоймы 2 щеткодержателя. Щеткодержатель крепится на специальном пальце (болте), проходящем сквозь отверстие 4 и установленном на подшипниковом щите машины изолированно от нее. Гибкие медные проводники осуществляют контакт щеток с зажимами цепи якоря на изолирующем щитке, обозначенными буквами Я1, Я2.

Рис. 8-5. Щетки и щеткодержатель. Рис.8-6. Внешний вид машины

Зажимы обмоток возбуждения, расположенные на том же щитке, обозначаются буквами Ш1 и Ш2 — параллельная (шунтовая); С1, С2 — последовательная (сериесная) и Д, Д - дополнительных полюсов. Внешний вид машины постоянного тока показан на рис. 8-6.

§ 8.3. Принцип работы машины постоянного тока.

Упрощенная схема работы машины постоянного тока показана на рис. 8-7. Щетки присоединены к ножам перекидного рубильника переключателя 1, что позволяет соединять якорь с нагрузкой r или с питающей сетью. Обмотка возбуждения 2 подключена к внешней сети.

Рис.8-7. Принцип работы машины постоянного тока.

Пусть якорь, соединенный с электрической нагрузкой, приводится во вращение первичным двигателем, например тепловым. Тогда в обмотке якоря, вращающейся в магнитном поле, созданном током возбуждения I, наводится э. д. с. Е и в сопротивлении т проходит ток. Направление э. д. с. и тока в якоре 1. найденное по правилу правой руки, показано на рис. 4-7. Направление электромагнитных сил Р, действующих на провода с током, находящиеся в магнитном поле, также показано на рис. 8-7. Эти силы создают тормозной момент на валу машины. Первичным двигателем создается вращающий момент М, встречный тормозному моменту. Таким образом, машина работает в режиме генератора, превращая механическую энергию в электрическую.

По закону Ома ток

.

,

т. е. ЭДС Е генератора больше напряжения на величину падения напряжения в якоре IrЯ.

Если вал этой машины отсоединить от первичного двигателя, а ножи переключателя 1 перевести в верхнее положение (рис. 8-7), то в обмотке якоря установится ток I= I, направление которого обратно рассмотренному ранее. Электромагнитные силы, созданные взаимодействием этого тока и магнитного поля, имеют также обратное направление и будут создавать вращающий момент МВ, под действием которого якорь будет вращаться в прежнем направлении. В этом случае электрическая энергия, поступающая из сети, превращается в механическую и машина работает электродвигателем.

Коллектор и щетки осуществляют переключение секций обмотки вращающегося якоря таким образом, чтобы при переходе активных проводников из зоны северной полярности в зону южной в них изменялось направление тока, что необходимо для сохранения постоянного направления вращения.

В обмотке якоря электродвигателя, так же как и в обмотке генератора, наводится э. д. с. Е. Только теперь направление ее будет встречно току IЯ, в чем легко убедиться, применив правило правой руки. Эта э. д. с. называется встречной э. д. с. или противо-эдс.

По второму закону Кирхгофа

, или ,

.

При работе машины электродвигателем э: д. с. Е меньше напряжения на зажимах якоря U на величину падения напряжения в обмотке якоря IrЯ.

Изменение направления вращения электродвигателя производится изменением направления тока в цепи якоря или в обмотке возбуждения. Одновременное изменение направлений токов в обеих обмотках не вызывает изменения направления вращения, в чем легко убедиться, рассматривая рис. 8-7.

Предназначены для преобразования механической энергии в электрическую. Преобразование происходит во время вращения якоря генератора в магнитном поле, которое создается в обмотках возбуждения, при этом в проводниках обмотки якоря, согласно явлению электромагнитной индукции, индуктируется ЭДС. В зависимости от того, каким образом обмоткой возбуждения генератора создается магнитное поле внутри машины, различают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением (рис.8-8).

У такого генератора магнитный поток возбуждения создается обмоткой возбуждения LG, которая питается от независимого источника постоянного тока UВ, т.е. в схеме присутствует два источника постоянного тока генератор и UВ (источник для питания цепи возбуждения). Процесс возбуждения такого генератора производится следующим образом: генератор разгоняют до номинальной скорости, при этом нагрузка RН генератора отключена с помощью автоматического выключателя QF1 от генератора. Также отключен источник UВ с помощью QF2 от обмотки возбуждения. Автоматические выключатели предназначены для подключения генератора к нагрузке (QF1) и подключения обмотки возбуждения к независимому источнику UВ (QF2). Также с помощью их эти цепи защищены от максимальных токов. Затем с помощью QF2 подключается LG к UВ. С помощью регулировочного реостата Rрг, уменьшая сопротивление этого реостата, тем самым, увеличивая ток возбуждения генератора IВ, магнитный поток возбуждения, а значит ЭДС генератора возрастает.

,

где се – электрическая постоянная генератора; n – частота вращения якоря приводного двигателя; Ф – магнитный поток возбуждения.

ЭДС генератора растет до определенной величины, точки соответствуют номинальному напряжению UН, которое лежит как правило на колене кривой характеристики холостого хода. Процесс возбуждение описывается характеристикой холостого хода. Зависимость .

Для получения такой характеристики генератор вначале намагничивают (увеличивают ток возбуждения), размагничивают (уменьшают ток возбуждения до 0) и такой цикл делают три раза. Результаты значений Е, IВ заносят в таблицу и строят характеристику. При этом отмечают, что, когда IВ=0 и соответствуют значению Еост (за счет остаточной магнитной индукции в теле якоря и полюсов наконечников), которое составляет 2-5% от Uном. За счет Еост будет происходить процесс самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением и со смешанным возбуждением. Точка IВ, соответствующая значению Uном, называется током возбуждения генератора при холостом ходе и номинальном напряжении. Uном в режиме холостого хода приблизительно на 10-20% выше номинального напряжения генератора при работе его под нагрузкой.

Внешняя характеристика генератора (характеристика рис.8-8).

Представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки, т.е. .

Как видно из характеристики с увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается. Уменьшение напряжения на зажимах генератора объясняется следующими причинами, причем, надо помнить, что для всех генераторов постоянного тока справедливо следующее

,

здесь Е – ЭДС генератора равное , т.к. при работе любого генератора его частота вращения (частота вращения приводного двигателя) с помощью регулятора частоты вращения поддерживается постоянной, то ЭДС генератора сильно зависит от величины магнитного потока возбуждения, причем величина этого потока может меняться в зависимости от тока возбуждения генератора; IЯ и RЯ – ток и сопротивление цепи якоря.

Для генератора с независимым возбуждением ток якоря равен току нагрузки, что означает, что с увеличением тока нагрузки растет ток якоря. Поэтому, первая причина снижения напряжения следующая: т.к. с увеличением нагрузки ток якоря возрастает, то произведение IЯRЯ увеличивается, то значит уменьшается. Вторая причина: с увеличением тока нагрузки возрастает тормозная сила (растет тормозной момент), действующая со стороны магнитного поля на проводники с током обмотки якоря, что приводит к уменьшению частоты вращения приводного двигателя (генератора) несмотря на то, что частота вращения приводного двигателя регулируется регулятором. А т.к. , то ЭДС генератора уменьшается и уменьшается напряжение на зажимах генератора.

Процентное изменение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки от 0 до номинальной составляет от 5 до 10% и определяется

,

где U0 – напряжение генератора в режиме холостого хода, когда IН=0.

Генератор с параллельным возбуждением.

В отличие от предыдущего, процесс возбуждения генератора происходит за счет остаточной магнитной индукции, присутствующей в теле якоря и полюсных наконечниках.

Рассмотрим процесс самовозбуждения такого генератора, который происходит при отключенной нагрузке от генератора (с помощью QF). Т.к. обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря (поэтому он называется генератор с параллельным возбуждением), то при вращении якоря в его обмотке, за счет действия потока остаточной магнитной индукции, наводится ЭДС, которая является причиной протекания тока в обмотке возбуждения, которая создает свой магнитный поток возбуждения и который обязательно по направлению должен совпадать с потоком остаточной магнитной индукции. Поэтому, оба эти потока суммируясь теперь создают еще большую ЭДС в обмотке якоря генератора, а значит ток возбуждения генератора станет больше, магнитный поток станет больше, следовательно, смотри характеристику холостого хода. Внешняя характеристика такого генератора более мягкая (характеристика рис.8-9), т.е. напряжение на е зажимах уменьшается значительнее при увеличении нагрузки, что объясняется следующими причинами: первая и вторая такие же как и предыдущие, всегда следует помнить, что для этого генератора и такие же ; третья, т.к. по первым двум причинам напряжение уменьшается, то уменьшается ток возбуждения генератора, поэтому, магнитный поток уменьшается и ЭДС генератора уменьшается.

Процентное изменение такого генератора составляет порядка 30%, поэтому они не могут работать без регулятора напряжения.

Генератор со смешанным возбуждением.

Процесс возбуждения такого генератора происходит аналогично, как и у генератора с параллельным возбуждением. Отличительной особенностью от всех существующих генераторов является то, что магнитный поток возбуждения при работе генератора под нагрузкой создается совместным действием обеих обмоток LG, основная часть магнитного потока ей создается и последовательной LG2, которая играет важную роль при решении вопросов стабилизации напряжения на зажимах генератора.

Последовательная обмотка может включена по отношению к параллельной согласно ( тогда магнитные токи, создаваемые ими, будут складываться, формирую общий магнитный поток) или встречно (тогда магнитные токи будут вычитаться). Согласное включение обмоток генератора применяется в тех случаях, когда генератор используется в режиме источника постоянного тока. Тогда с увеличением нагрузки, как видно из схемы включения генератора нагрузки, с увеличением тока нагрузки растет магнитный поток, создаваемый обмоткой LG2 (последовательной), поэтому результирующий магнитный поток машины растет, что приводит к увеличению ЭДС генератора, значит напряжение на его зажимах практически не изменяется (смотри характеристику 3). Поэтому такие генераторы являются основными источниками электрической энергии постоянного рода тока.

Встречное включение обмоток применяется в тех случаях, когда генератор может быть использован как сварочный аппарат. При этом получают круто падающую характеристику, напоминающую характеристику сварочного трансформатора.

Машины постоянного тока: общая информация

Машина постоянного тока — электрическая машина с механи­ческим коммутатором — коллектором, позволяющим осуществ­лять непрерывное электромеханическое преобразование энергии путем превращения постоянного тока в переменный (режим двига­тельный) или переменного тока в постоянный (режим генератор­ный).

Устройство тягового двигателя.

Коммутация — процесс переключения электрических цепей. В машинах постоянного тока этот процесс осуществляется пере­ключателем — коллектором. Таким образом, машины постоянного тока применяют в ка­честве двигателей и в качестве генераторов.

Машина постоянного тока состоит из неподвижной час­ти, служащей для создания главного магнитного поля, и вра­щающейся части — якоря, в которой индуцируется электро­движущая сила (ЭДС). Токи от ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной момент в генераторном ре­жиме и вращающий момент в двигательном.

Неподвижная часть состоит из станины, на которой укрепляются основные (главные) полюса для создания главного магнитного поля.

Якорь — часть машины, в обмотке которой, при вращении ее относительно главного магнитного поля, индуцируется 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 толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком. В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря, состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях.

Якорь машины постоянного тока.

Одна из основных частей электрических машин постоянного то­ка — коллектор — полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин, которые отделены и от вала машины. Проводниками они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся об­мотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

Важнейший классификационный признак машин постоянного тока — способ возбуждения главного магнитного поля. Для этого используется обмотка 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.

Рисунок 1. Электрические машины 2-ух типов: общепромышленного применения и специализированного назначения.

Машины постоянного тока, за исключением крупных машин предельной мощности (главным образом двигателей и генераторов, используемых в системе привода прокатных станов, блюмингов и слябингов), выпускают в нашей стране серийно. Основная серия машин общепромышленного применения — единая серия П, которая ох­ватывает весь необходимый диапазон мощностей и частот враще­ния. Кроме нее выпускают ряд других специализированных серий: тяговые, краново-металлургические, судовые, для привода вспо­могательных систем автомобилей, тракторов и самолетов, для систем автоматического регулирования и др.

Единая серия П включает в себя электрические машины 2-ух типов: общепромышленного применения (рис. 1) и специализированного назначения.

Электродвигатели общепромышленного применения допускают регулирование частоты вращения не более чем в отношении 1:2. Исполнение защищенное — машины предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов.

Электродвигатели специализированного назначения имеют за­крытое исполнение, которое исключает непосредственное сообще­ние между их внутренним пространством и окружающей средой. Они отличаются разнообразием механических характеристик, ши­рокими пределами регулирования частоты вращения.

Генераторы общепромышленного применения имеют параллель­ное или смешанное самовозбуждение. Применяются для питания цепей управления, электродвигателей и машин постоянного тока.

Генераторы специализированного назначения предназначены для зарядки аккумуляторных батарей, питания мощных специали­зированных двигателей постоянного тока и т.д. В зависимости от мощности машины единой серии П делятся на 3 группы: I — 0,3-200 кВт; II —200-1400 кВт; III — свыше 1400 кВт.

Электрические машины постоянного тока

1. 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.

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

2. 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.

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.

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.

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

(1)

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

где U - напряжение на зажимах генератора;

Rя - сопротивление обмотки якоря.

(2)

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.

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.

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.

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.

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

. (3)

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

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)

(5)

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

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

, откуда

(6)

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.

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.

где k - коэффициент пропорциональности.

Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

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

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.

П.Н. Грудинин и Ю.Ю. Болдырев: Впечатления от Урала и предуралья