Территория электротехнической информации WEBSOR. Основные элементы конструкции машины постоянного тока

Электромашины > Теория

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. В этом проявляется принцип обратимости электрических машин: если на зажимы подать напряжение от постороннего источника тока, то машина работает как двигатель; если же ее якорь привести во вращение от постороннего механического первичного двигателя, то с зажимов машины снимается напряжение, т. е. она работает как генератор. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. По своей конструкции генератор постоянного тока ничем не отличается от двигателя.

Принцип работы генератора

В рамке, вращающейся в постоянном магнитном поле, возбуждается переменный ток; следовательно, переменный ток возбуждается и в обмотке якоря. Его преобразуют в постоянный ток с помощью коллектора. Принципиальная схема этого процесса показана на рисунке. Как видно, при повороте рамки на 180° э. д. с. индукции внутри рамки изменит знак. Но при этом и полукольца повернутся на 180°, вследствие чего полярность щеток не изменится. В цепи возникает пульсирующий ток одного направления i(t) . Если на якоре разместить еще одну обмотку, как показано на рисунке пунктиром, то пульсации напряжения во внешней цепи сгладятся и ток будет почти постоянным. В реальном генераторе обмотка якоря содержит несколько десятков витков, присоединенных по определенной схеме к многопластинчатому коллектору, состоящему из такого же числа пластин. В этом случае пульсации тока совершенно ничтожны и во внешней цепи течет постоянный ток.

Принцип работы электродвигателя

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера. , из-за наличия силы Ампера вращающий момент, действующий на рамку, пропорционален силе тока в рамке, ее размерам, индукции магнитного поля, в котором она вращается, и зависит от угла поворота рамки.
Это свойство рамки используют в электродвигателях, преобразующих энергию электрического тока в механическую. В технических машинах постоянного тока рамки укладывают в пазах цилиндра, набранного из пластин листовой стали, называемого якорем 3 машины. Начала и концы рамок припаивают к изолированным друг от друга пластинам разрезанного на части широкого медного кольца, названного коллектором 1 . Коллектор укрепляют на общей оси с якорем. С помощью угольных стержней - "щеток" 2 , которые касаются коллекторных пластин, концы рамок соединяются с внешней цепью. Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается током, протекающим по обмотке возбуждения индуктора, состоящего из сердечника 4 и обмотки возбуждения 5 . Индуктор закреплен на станине машины 6 .

Режимы работы генератора

У генератора различают три режима работы: при независимом возбуждении (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (обмотка возбуждения включается параллельно якорю); смешанное возбуждение (при наличии двух обмоток возбуждения - последовательной и параллельной). На рисунке приведены характеристики зависимостей напряжения якоря от тока, соответствующие этим режимам работы генератора.

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряжения; магнитного потока (применимо только к двигателям параллельного и смешанного возбуждения) и добавочного сопротивления в цепи якоря.
Наиболее экономичный способ - регулирование напряжения на зажимах якоря.
В момент пуска ЭДС якоря равна нулю I п = U я / R я , что в 10-30 раз больше номинального тока. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление, называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней.
Направление вращения двигателя можно поменять переключением полярности якоря или обмотки возбуждения.
Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирования ограничивается возрастанием тока возбуждения.

Реостатный пуск двигателя

Системы возбуждения

Свойства и характеристики двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как меняется магнитный поток при изменении механической нагрузки двигателей. Характер магнитного потока определяется способом возбуждения.
В машинах постоянного тока различают четыре системы возбуждения:

параллельное или шунтовое;
последовательное или сериесное;
смешанное или компаундное;
независимое.

Двигатели с последовательным возбуждением обладают большим пусковым моментом, т. е. вращающим моментом в момент пуска, когда скорость вращения якоря равна нулю. Это делает их незаменимыми во всех видах электротранспорта, где необходимо большое тяговое усилие при трогании с места. Однако частота вращения якоря двигателя с последовательным возбуждением резко меняется при изменении нагрузки, что в ряде случаев нежелательно.
У двигателей с параллельным возбуждением скорость вращения якоря в широких пределах не зависит от нагрузки и может плавно регулироваться за счёт изменения силы тока в обмотке возбуждения, что достигается регулирующим реостатом. Это свойство двигателей с параллельным возбуждением определяет область их применения в качестве электропривода всевозможных станков и агрегатов, где требуется плавная регулировка скорости вращения и не нужен большой пусковой момент.

Учреждение образования

"Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина"

Реферат

Тема: "Машины постоянного тока"

Выполнил студент 3 курса группы

Руководитель:

Брест, 2009

Общие сведения

Реакция якоря

Коммутация

Общие сведения

В современной электроэнергетике используется преимущественно переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется теми достоинствами постоянного тока, которые сделали его незаменимым при решении многих практических задач. Так, среди электрических машин двигатели постоянного тока занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (Рис.6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют коллектор - два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, Рис.6-1, б).

Устройство промышленного генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины I, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря.

В большинстве случаев электромагниты питаются от самого генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное сопротивление между полюсами уменьшается благодаря стальному сердечнику якоря. Выводы обмоток припаивают к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей припаивают к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же валу крепят и вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, вставленные в щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (Рис.6-3), при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе.

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более подробно.

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку - спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС (Рис.6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины - противоположный.

Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться низменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток.

Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так как в заворачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (Рис.6-4, б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (Рис.6-5, а). Если далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой (Рис.6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен. Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным. Обмотки барабанного якоря (Рис.6-6) укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция - это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону.

ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле . (1). Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции. Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

где d - диаметр сердечника якоря, l - образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при = 90° равна

где l - длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v - линейная (окружная) скорость движения проводника.

Подставим в формулу (3) значение средней индукции В ср и линейной скорости и после преобразования получим:

где n - скорость вращения якоря.

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:

где - ЭДС генератора.

Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:

. (6)

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = ), причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:

где F - сила, действующая на якорь. При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила , а на N проводников обмотки

Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать следующим образом:

, (10)

Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение для мощности:

Так как Ф, то окончательно имеем:

Для общего момента машины М можно записать:

где постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции. Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой М = сФ1 я. (13)

Реакция якоря

В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток - поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т.е. имеет место явление, называемое реакцией якоря

Если отдельно изобразить картины полей полюсов (Рис.6-7, а) и якоря (Рис.6-7, б) и сравнить их, то можно видеть, что поле якоря является поперечным по отношению к полю полюсов. Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения), как и в синхронном генераторе с активной нагрузкой, под набегающими краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины индукция будет уменьшаться, а под сбегающими увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции якоря не только исказится картина поля (Рис.6-7, в), но уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится. Реакция якоря приведет к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол (с геометрической нейтрали nn’ на физическую нейтраль mm’), где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол Р возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя физическая нейтраль смещается против направления вращения.

Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.

Коммутация

Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.

Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность этого процесса - периодом коммутации.

Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере обмотки с двумя параллельными ветвями.

Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с коллекторной пластиной 1 (Рис.6-8, а), ток нагрузки I, протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется в обе параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (Рис.6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим краем будет увеличиваться, а под сбегающим - уменьшаться, распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за это время ток в выделенной секции (провода 1-4) изменяется от + до нуля и от нуля до - . Так как секция имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции. Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между этой пластиной и щеткой произойдет искрение.

Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (Рис.6-8, в), выделенная нами секция 1-4 оказалась в левой параллельной ветви, ток в ней изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация следующей секции, т.е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение.

Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно в таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов во всех проводниках будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока, возникающего в коммутируемых секциях, в машинах высокого напряжения применяют твердые угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов. Этот метод основан на следующем.

ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные полюсы размещают на геометрической нейтрали и снабжают обмотками, включенными последовательно в цепь нагрузки (Рис.6-9). Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных

Рис.6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря. У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения ставят дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателя - такой же полярности. Это условие автоматически выполняется при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, так как направление тока изменяется на противоположное.

У большинства машин постоянного тока делают по два дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один дополнительный полюс.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (Рис.6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на Рис.6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (Рис.6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U" уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора U B уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на Рис.6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (Рис.6-10, в). При отсутствии нагрузки (=0) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на Рис.6-11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0В У - включаемую параллельно якорю, ОВ 2 (дополнительную) - последовательно (Рис.6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

Обратимость машин постоянного тока. двигатели

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т.е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Умножив обе части уравнения (20) наI я, получим:

. (21)

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

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

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

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

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

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

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

Двигатель параллельного и независимого возбуждения

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

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

Изменение скорости вращения может происходить за счет изменения нагрузки и магнитного потока. Но изменение тока нагрузки лишь незначительно изменяет внутреннее падение напряжения благодаря малости сопротивления цепи якоря, которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток нагрузки в конечном счете лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что касается магнитного потока Ф, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения. Таким образом, скорость вращения двигателя параллельного возбуждения очень мало изменяется.

Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо изменением магнитного потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи являются очень опасными для двигателей параллельного и независимого возбуждения, так

как ток в якоре возрастает до недопустимо большого значения. В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный режим - "разнос" двигателя).

Двигатели независимого возбуждения нашли широкое применение в качестве исполнительных двигателей в схемах автоматики, а иногда в качестве так называемого электромагнитного тормоза. Когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т.д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

Двигатели последовательного возбуждения

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

Скоростную характеристику можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:

n=,

где - сопротивление обмотки возбуждения.

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения.

Значительное уменьшение нагрузки приведёт к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может "разнести"). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться, либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.

Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.

Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя

последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т.е.

На графике эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.

Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.

Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно принять в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т.д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших - параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.

Двигатель смешанного возбуждения

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения изображена на рисунке 6-18. На каждом полюсе такого двигателя имеются обмотки - параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).

Уравнения скорости вращения и вращающего момента для них выражаются так:

и М = с1 я (Ф пр ± Ф пс),

где знак плюс относится к согласному включению обмоток возбуждения, минус - к встречному. В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток по свойствам двигатель приближается к двигателям параллельного либо последовательного возбуждения. Как правило, у двигателей смешанного возбуждения последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная - вспомогательной. Благодаря магнитному потоку параллельной обмотки скорость вращения такого двигателя не может возрастать беспредельно при малых нагрузках (или на холостом ходу), т.е. двигатель не будет "разносить".

Двигатели с согласным включением нашли широкое применение в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент и изменение скорости при переменных нагрузках (включая малые нагрузки и холостой ход). Двигатели же со встречным включением применяют для получения постоянной скорости при изменяющейся нагрузке.

На рисунке 6-19 приведены для сравнения нагрузочные характеристики двигателей с различными способами возбуждения.

Коллекторные двигатели переменного тока

Одновременное изменение тока в якоре и обмотке возбуждения двигателя постоянного тока не изменяет его направления вращения. Это свойство используется в коллекторных двигателях переменного тока, где ток с частотой сети одновременно изменяет свое направление в обеих обмотках.

Конструкция коллекторных двигателей переменного тока значительно сложнее конструкции двигателей постоянного тока. Всю магнитную систему набирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, чтобы избежать ее сильного нагревания от столь частого перемагничивания. Для уменьшения реактивного сопротивления двигателя, ухудшающего cosсети, станину снабжают компенсационной обмоткой, расположенной равномерно по окружности статора и соединенной последовательно с якорем. Для улучшения компенсации ЭДС самоиндукции в секциях якоря статор делают неявнополюсным. Для получения удовлетворительной коммутации, при которой короткозамкнутая секция оказывается подобной короткозамкнутой обмотке трансформатора, число витков в секциях уменьшают, увеличивая число секций, и ограничивают ток включением между секциями и коллектором специальных резисторов. Наличие большого числа секций и пластин коллектора сильно увеличивает размеры коллектора, что является внешним отличительным признаком коллекторных двигателей переменного тока от двигателей постоянного.

Почти все коллекторные двигатели переменного тока имеют последовательное возбуждение. Двигатели параллельного возбуждения из-за большой индуктивности обмотки возбуждения (большого сдвига фаз между током в якоре и потоком) имеют весьма незначительный вращающий момент, поэтому на практике такие двигатели не применяют.

Иногда встречаются маломощные так называемые универсальные двигатели, которые работают как от постоянного, так и от переменного тока. В этих двигателях обмотка рассчитана на работу постоянного тока, а часть ее (отвод) - на работу переменного тока, так как сопротивление одной и той же обмотки меньше для постоянного, чем для переменного тока.

Из-за сложности конструкции и дороговизны коллекторные двигатели большой мощности применяют в редких случаях, где это экономически оправдывает себя, например для привода одного механизма с широкими пределами регулирования скорости. Иногда встречаются трехфазные коллекторные двигатели с питанием со стороны ротора, в которых перемещение щеток по коллектору дает регулирование скорости в широких пределах, но этот двигатель очень дорог.

Широкое распространение получили маломощные (до 200 Вт) универсальные коллекторные двигатели последовательного возбуждения. Их применяют для нужд бытового электропривода (швейных машин, пылесосов, для мелких электродрелей, вентиляторов и т.д.)

Машина постоянного тока (рисунок 1, а ) состоит из двух основных частей:

1) неподвижной части, предназначенной в основном для создания магнитного потока;

2) вращающейся части, которая называется якорем и в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно – электрической энергии в механическую (электродвигатель). Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.

Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов 3 (рисунок 2), предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов 4 , устанавливаемых между основными и служащих для достижения безыскровой работы щеток 6 на коллекторе (рисунок 1, б ); станины 1 .

Якорь 7 представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря ; уложенной на нем обмотки ; коллектора и щеточного аппарата . В щеткодержателях 5 находятся щетки 6 , обеспечивающие при вращении скользящий контакт с коллектором. На вал 2 двигателя напрессованы вентилятор и балансировочное кольцо.

Рисунок 1 – Конструкция машины постоянного тока а и коллектора б .

Коллектор набирают из медных пластин, изолированных друг от друга и от корпуса 3. На нажимные фланцы 4 надевают прессованные миканитовые манжеты 5. Нажимные фланцы изолированы друг от друга миканитовыми прокладками 2, которые стягивают кольцевой гайкой 6. Секции обмотки якоря припаивают к петушкам 7. Коллектор подвергают термообработке таким образом, что он образует монолитную конструкцию, исключающую биения и вибрации.

Рисунок 2 – Основной полюс.

Основной полюс состоит из набираемого на шпильках сердечника (5) из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 6, служащий для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надевают катушку обмотки возбуждения 1, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 2. Крепление полюсов к станине 4 производится при помощи специальных болтов 3.

Классификация обмоток якорей машин постоянного тока

Независимо от типа якоря (кольцевой или барабанный) мы имеем следующие типы обмоток якоря машин постоянного тока:
а) простая петлевая; б) простая волновая; в) сложная петлевая;
г) сложная волновая.

Простые обмотки образуют всегда только одну замкнутую на себя систему проводников, тогда как сложные обмотки могут образовать и одну и несколько таких систем. В первом случае будем называть сложную обмотку однократнозамкнутой , во втором – многократнозамкнутой .

Режим генератора.

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

Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС.

, (1)

Рисунок 3 – Работа простейшей

машины постоянного тока в режиме

генератора (а ) и двигателя (б )

где – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – активная длина проводника между полюсом и якорем в месте расположения проводника, т.е. та длина, на протяжениикоторой он расположен в магнитном поле; – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

. (2)

ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется.

Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря , выраженной в оборотах в секунду:

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

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

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

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы:

направление которых определяется по правилу левой руки.

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 3 а , равен

, (7)

где – диаметр якоря. Как видно из рисунка 3 а , в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (3.6) и (3.7). При достаточной величине якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рисунок 3, а ) и двигателя (рисунок 3, б ) были одинаковы, то направление действия , а следовательно и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 3, б ).

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

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС , величина которой определяется равенством (3.2). Направление этой ЭДС в двигателе (рисунок 3, б ) такое же, как и в генераторе (рисунок3, а ). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой .

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:

Принцип обратимости:

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

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

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

Преобразование энергии.

На рис.4 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 4 – Направления ЭДС тока и моментов в генераторе (а ) и двигателе (б ) постоянного тока.

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

, (9)

где – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе машины, – тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

, (10)

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

В генераторе является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях и противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью и равна

представляет собой угловую скорость вращения.

В обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (4.5) и (4.6), , т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора

(15)

и для двигателя

. (16)

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

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

Потери.

Общие положения. При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Мощность потерянной энергии называют потерями мощности или просто потерями.

Потери в электрических машинах подразделяются на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные потери обусловлены различными вторичными явлениями. Во вращающихся электрических машинах основные потери подразделяются на 1) механические потери, 2) магнитные потери (потери в стали) и 3) электрические потери.

К электрическим потерям относятся потери в обмотках, которые называются также потерями в меди, хотя обмотки и не всегда изготовляются из меди, потери в регулировочных реостатах и потери в переходном сопротивлении щеточных контактов.

Механические потери состоят из 1) потерь в подшипниках, 2) потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и 3) вентиляционных потерь, которые включают в себя потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины.

Потери в подшипниках зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и т. д.

Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле

, (17)

где – коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца (); – удельное (на единицу площади) давление на щетку; – контактная поверхность всех щеток; – окружная скорость коллектора или контактных колец.

Потери на вентиляцию зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию вычисляются приближенно по формуле:

где – количество воздуха, прогоняемого через машину, ;
– окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, .

Общие механические потери

Как следует из изложенного, в каждой данной машине потери зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки. В машинах постоянного тока мощностью 10 - 500 кВт потери составляют около 2 - 0,5% от номинальной мощности машины.

Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали. Для вычисления этих потерь сердечник подразделяется на части, в каждой из которых магнитная индукция постоянна. Например, в машинах постоянного тока вычисляются отдельно потери в сердечнике якоря и в зубцах якоря .

К магнитным потерям относят также такие добавочные потери, которые зависят от величины основного потока машины (потока полюсов) и вызваны зубчатым строением сердечников. Эти потери называют также добавочными потерями холостого хода, так как они существуют в возбужденной машине уже при холостом ходе. К указанным потерям в машинах постоянного тока относятся, прежде всего поверхностные потери в полюсных наконечниках, обусловленные зубчатостью якоря.

Если пазы имеются также в полюсных наконечниках машины постоянного тока (при наличии компенсационной обмотки), то в зубцах якоря и полюсах в результате их взаимного перемещения возникают пульсации магнитного потока. Потоки в зубцах максимальны, когда зубец якоря расположен против зубца полюса, и минимальны, когда против зубца расположен паз. Частота этих пульсаций также велика. При этом возникают пульсационные потери в зубцах и поверхностные потери также на внешней поверхности якоря.

. (21)

К электрическим потерям относят также потери в регулировочных реостатах и потери в переходных сопротивлениях щеточных контактов. Величина потерь в переходных сопротивлениях щеточных контактов для щеток одной полярности вычисляется по формуле

где – падение напряжения на один щеточный контакт.

Добавочные потери . К этой группе относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины.

В машинах постоянного тока одна часть рассматриваемых потерь возникает вследствие искажения кривой магнитного поля в воздушном зазоре при нагрузке под влиянием поперечной реакции якоря. В результате этого магнитный поток распределяется по зубцам и сечению спинки якоря неравномерно: с одного края полюсного наконечника индукция в зубцах и спинке якоря уменьшается, а с другого края увеличивается. Такое неравномерное распределение потока вызывает увеличение магнитных потерь, подобно тому, как неравномерное распределение тока в проводнике вызывает увеличение электрических потерь. Вследствие такого неравномерного распределения потока увеличиваются также поверхностные потери в полюсных наконечниках. При наличии компенсационной обмотки рассмотренная часть добавочных потерь практически отсутствует.

Другая часть добавочных потерь в машинах постоянного тока связана с коммутацией. При изменении во времени потоков рассеяния коммутируемых секций в проводниках обмотки индуктируются вихревые токи. Добавочный ток коммутации также вызывает дополнительные потери.

На практике добавочные потери оценивают на основе опытных данных в виде определенного процента от номинальной мощности. Согласно ГОСТ 11828 – 66, эти потери для машин постоянного тока при номинальной нагрузке принимаются: при отсутствии компенсационной обмотки равными 1,0% и при наличии компенсационной обмотки равными 0,5% от отдаваемой мощности для генератора и проводимой мощности для двигателя. Для других нагрузок эти потери пересчитываются пропорционально квадрату тока нагрузки.

Все виды добавочных потерь, не связанные непосредственно с электрическими процессами в цепях обмоток машины, покрываются за счет механической мощности на валу машины.

Суммарные, или полные, потери представляют собой сумму всех потерь.

Машины постоянного тока

Электротехническая промышленность в настоящее время выпускает электрические машины постоянного тока для работы в различных условиях. Корабельные машины имеют особенности конструкции отдельных узлов, но общая конструктивная схема этих машин одинакова. На рисунке (1.4) приведены продольный и поперечный разрез машины нормального исполнения. Машина постоянного тока состоит из 2–х основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – якоря. Между ними всегда имеется воздушный зазор.

Рис. 1.4 - ДПТ в разрезе

Статор, являющийся индуктором, т.е. такой частью машины, в котором наводится магнитное поле, состоит из станины I, главных 2 и добавочных 3 полюсов. К статору относятся также подшипниковые щиты 7 с подшипниками 11. На статоре крепятся щеточный аппарат 9 и коробка выводов 10.

Якорь состоит из сердечника якоря 4 и коллектора 8, насаженных на вал 6. В машинах с самовентиляцией на валу крепится вентилятор 12.

Станина – служит в качестве магнитопровода и одновременно является конструктивной основой, к которой крепятся главные и добавочные полосы и подшипниковые щиты. Она представляет собой полый цилиндр, отлитый или сваренный из чугуна или стали. У крупных машин станина делается разъемной. На кораблях для удобства обслуживания и ремонта применяются также машины с поворотной станиной. Часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки главных и добавочных полюсов, называется ярмом 1. Вместе со станиной отливаются лапы 13 для крепления машины к фундаменту. На станине устанавливается один или несколько рымов 14 для подъема машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного потока необходимой величины. Главный полюс (рисунок 1.5) состоит из сердечника 1 и катушек обмоток возбуждения 2,3. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником 4, с помощью которого обеспечивается требуемое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре.

Рисунок 1.5

Сердечник полюсов набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5÷1,0 мм., покрытых изоляционным лаком для уменьшения потерь от вихревых токов, вызванных пульсацией магнитного потока из–за зубчатости якоря. Листы стали спрессовывают и скрепляют шпильками. Катушки обмоток возбуждения наматываются на изолирующий каркас 5, а затем надеваются на сердечник. По отношению к обмотке якоря обмотки возбуждения могут включаться параллельно или последовательно. Катушки параллельной обмотки 2 состоят из большого числа витков провода малого сечения. Катушки последовательной обмотки 3 состоят из малого числа витков провода большого сечения, по которым проходит большой ток якоря. Для улучшения изоляции катушки компаундируют, т.е. пропитывают изоляционными лаками (компаундами) в вакууме при повышенной температуре, а затем сушат в специальных печах. Полюс в собранном виде крепится к станине болтами 6.

Добавочные полюсы служат для улучшения коммутации машины, т.е. обеспечивают безыскровую работу щеток и коллектора. Они состоят из сердечника 1 и полюсной катушки 5 (рисунок 1.6) и устанавливаются между главными полюсами по линии геометрической нейтрали. Сердечник имеет наконечник 2 определенной формы. Катушка изготавливается из полосовой меди большого сечения, так как она включается последовательно в цепь якоря и по ней проходит большой ток. Величина зазора δ между полюсом и якорем регулируется при наладке работы машины с помощью магнитных и немагнитных прокладок 4 между полюсом и станиной. Добавочные полюсы крепятся к станине болтами 3.

Рисунок 1.6

Якорь состоит из сердечника магнитопровода, обмотки 5, вала 6 и конструктивных деталей для их крепления.

Сердечник якоря представляет собой стальной цилиндр, набранный из штампованных листов 1 (рисунок 1.7) электротехнической стали толщиной 0,5 мм, которые изолируются друг от друга лаком для уменьшения потерь от вихревых токов.

Рисунок 1.7

В листах штампуются пазы для размещения в них обмотки якоря и отверстия для насаживания сердечника на вал якоря, для стяжных шпилек и осевой вентиляции. Пакет железа якоря крепится на валу шпонкой, а с торцов стягивается нажимными кольцами. В больших машинах якорь состоит из нескольких пакетов штампованных листов, между которыми делаются промежутки для лучшего охлаждения машины (радиальная вентиляция). Часть сердечника якоря, занятая пазами, называется зубцовой зоной.

Обмотка якоря выполняется из изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Она состоит из отдельных элементов – секций (рисунок 1.8), образованных из одного или нескольких витков.

Рисунок 1.8

Секции изготавливаются по шаблонам. Часть секции 1, заложенная в пазы сердечника якоря, называется пазовой или активной частью. Часть секции 2, расположенная вне сердечника – в воздухе и соединяющая активные части, называется лобовой частью (лобовые соединения). Концы секций припаиваются к коллекторным пластинам. Для крепления секций в пазах применяются деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Кроме витковой изоляции обмотка имеет пазовую изоляцию от сердечника. Лобовые части закрепляются с помощью проволочного бандажа.

Электроизоляционные материалы, применяемые для изоляции обмоток, по степени термостойкости делятся на классы, которые допускают определенную температуру нагрева. В машинах постоянного тока применяются в основном классы А, В, С и Н. Коллектор (рисунок 1.9) набирается из медных пластин I, изолированных друг от друга и от вала, на котором он крепится, с помощью миканитовых прокладок 8 и манжет 5,7. Состороны, обращенной к валу, пластины имеют форму ласточкиного хвоста 2. В два конусообразных углубления коллектора вставляются изолированные нажимные конусы 3,4, которые стягивают коллекторные пластины в осевом направлении. В собранном виде коллектор спрессовывают в горячем состоянии, после чего обтачивают для придания ему строго цилиндрической формы. В зависимости от размера якоря и коллектора концы секций обмотки впаиваются в коллекторные пластины непосредственно или через специ

Коллектор (рисунок 1.9) набирается из медных пластин I, изолированных друг от друга и от вала, на котором он крепится, с помощью миканитовых прокладок 8 и манжет 5,7. Состороны, обращенной к валу, пластины имеют форму ласточкиного хвоста 2.

Рисунок 1.9

В два конусообразных углубления коллектора вставляются изолированные нажимные конусы 3,4, которые стягивают коллекторные пластины в осевом направлении. В собранном виде коллектор спрессовывают в горячем состоянии, после чего обтачивают для придания ему строго цилиндрической формы. В зависимости от размера якоря и коллектора концы секций обмотки впаиваются в коллекторные пластины непосредственно или через специальные медные соединения – петушки 9. Коллектор жестко крепится на валу ротора рядом с сердечником якоря.

Щеточное устройств о– предназначено для обеспечения электрической связи между неподвижными зажимами, соединенными с внешней цепью, и вращающейся обмоткой якоря (через коллектор) (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10

Оно состоит из щеток 1, щеткодержателей 3, пальцев 5, траверсы 6 и соединительных шин. Непосредственный контакт с коллектором 2 имеет щетка. Она выполняется обычно из специальным образом обработанной смеси угля, графита и других компонентов в виде прямоугольной призмы и помещается в обойму щеткодержателя 4. Щетка может перемещаться в обойме в радиальном по отношению к коллектору направлении и для плотного прилегания прижимается к нему пружиной через нажимной рычаг. Щеткодержатели крепятся к пальцам 5, которые заделываются в траверсу 6 через изоляционные втулки 7. На одном пальце может быть от 2 до 10 щеток, которые для равномерного износа коллектора располагаются на его поверхности в шахматном порядке и соединяются с пальцами медными гибкими тросиками. Число пальцев всегда равно числу главных полюсов. Пальцы, имеющие одинаковую полярность, соединяются посредством соединительной шины, от которой делается отвод в клемную коробку машины или к обмотке дополнительного полюса.

Траверса может крепиться к подшипниковым щитам, станине или фундаментной плите. Крепление позволяет поворачивать всю систему щеток относительно станины.

Клемная коробка . В клемной коробке устанавливается изоляционная панель с клеммами, к которым подсоединяются выводы обмоток машины для соединения с внешней электрической сетью.

Реакция якоря.

При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода (I а =0) ток в обмотке якоря практически отсутствует и в магнитной цепи машины действует лишь одна МДС обмотки возбуждения F o . Магнитное поле машины в этом случае является симметричным относительно полюсов и не зависит от направления вращения машины и расположения щеток на коллекторе (рис. 1).

Рис. 1 - Работа машины постоянного тока в режиме холостого хода

Обмотка возбуждения является сосредоточенной на главных полюсах и любая замкнутая магнитная линия основного потока охватывает всю сумму токов обмотки. МДС такой обмотки в пределах полюсного деленияτ постоянна и равна F o /τ (рис. 1.б). Распределение магнитной индукции поля вдоль окружности якоря зависит от величины воздушного зазора и приближенно показано на рис. 1.б.

При нагрузке машины по обмотке якоря протекает ток, который создает собственное магнитное поле. Поэтому магнитный поток в воздушном зазоре и пространственное распределение магнитного поля при нагрузке машины будет определяться совместным намагничивающим действием полюсов и якоря. Магнитный поток и распределение результирующего поля в воздушном зазоре будут уже иными, чем при холостом ходе. Воздействие МДС якоря F a на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря.

На рис.2 показано поле, создаваемое токами в проводниках якоря при отсутствии МДС главных полюсов, когда щетки стоят на геометрической нейтрали qq . Под каждым полюсом располагается часть обмотки, в проводниках которой проходит ток одного направления. Как видно из рис.2, ось поля якоря совпадает с осью щеток, обуславливающих токораздел в якоре. При щетках, установленных на геометрической нейтрали, картина поля якоря симметрична относительно продольной и поперечной осей машины. Ось полученного поля направлена по поперечной оси qq , поэтому такое поле якоря называют поперечным, а реакцию якоря – поперечной.

Если наложить поле якоря на поле главных полюсов, то получим картину результирующего поля (рис.3).

Как видно из этого рисунка поле при нагрузке смещается по направлению вращения в генераторе (Г) и против направления вращения в двигателе (М), распределяясь несимметрично относительно оси полюсов. Под набегающим краем полюса генератора поле ослабляется, а под сбегающим усиливается. В двигательном режиме наоборот. Под воздействием поперечной реакции якоря физическая нейтраль (т.е. действительная, на которой В=0) смещается на некоторый угол β и занимает положение mm . У современных машин с добавочными полюсами щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако вследствие неточной установки щеточной траверсы может иметь место некоторый сдвиг щеток относительно геометрической нейтрали. В этом случае распределение токов якоря относительно главных полюсов становится несимметричным (рис.4).

МДС якоря F a , направленную всегда по линии щеток, можно разделить на иве составляющие: поперечнуюF aq , направленную по оси qq , образующую поперечную реакцию якоря и продольную F ad , направленную вдоль оси dd , создающую продольную реакцию якоря. При сдвиге щеток с нейтрали в направлении вращения якоря продольная МДС якоря генератора действует навстречу МЛС возбуждения, т.е. размагничивает машину; при сдвиге щеток против вращения действует согласно с МДС возбуждения, т.е. намагничивает машину. В двигательном режиме получается обратная картина.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали возникает также реакция добавочных полюсов. В генераторах она воздает размагничивающий эффект при сдвиге щеток по направлению вращения якоря и намагничивающие – при сдвиге против вращения якоря. Добавочные полюса в этом случае начинают частично выполнять роль главных полюсов.

Таким образом, под действием реакции якоря происходит изменение магнитного потока машины и перераспределение поля в воздушном зазоре. Это оказывает влияние на мгновенные значения ЭДС. отдельных секций якоря и результирующую ЭДС его обмотки. Для устранения вредного влияния реакции якоря на работу машины используются добавочные полюсы, последовательная и компенсационная обмотки.

Возможно, будет полезно почитать: