Электрические и магнитные цепи электрические цепи постоянного тока
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
12. Двигатели постоянного тока Двигатели постоянного тока исторически были первыми устройствами, преобразующими электрическую энергию в механическую. Сто семьдесят лет тому назад по Неве уже плавала лодка, приводимая в движение таким двигателем. Позднее они уступили свои позиции бесколлекторным двигателям, нов регулируемом приборном приводе ив системах автоматики дона- стоящего времени часто не существует альтернативы их применению. Это объясняется широким диапазоном и плавностью регулирования скорости вращения, а также более простыми методами и устройствами управления. Кроме двигателей широко распространены также генераторы постоянного тока. Однако область их применения сокращается в связи с развитием преобразовательной техники и выбор генератора постоянного тока в качестве источника питания производится обычно с учётом множества факторов, исключающих иное решение. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать в основном двигательный режим работы машин постоянного тока. 12.1. Устройство и принцип действия Машина постоянного тока функционально является обращённой синхронной машиной, те. синхронной машиной у которой функции статора и ротора поменялись местами. Статор возбуждает постоянное магнитное поле, а ротор вращается в этом поле и осуществляет преобразование энергии. Для создания машиной постоянного вращающего момента требуется, чтобы электромагнитная сила, создающая этот момент, была постоянной, что, в свою очередь, требует сохранения направления протекания тока по отношению к полюсам магнитного поля. Во вращающемся роторе функцию изменения направления тока при перемещении проводников обмотки к противоположному полюсу выполняет щёточно-коллекторный узел. На рис. 12.1 показан простейший двигатель постоянного тока. Он представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки и подвешенный на оси OO ′. Концы рамки abcd через полукольца и скользящие по ним щётки подключены к внешнему источнику постоянного тока. Взаимодействие протекающего в рамке токая с магнитным полем создаёт электромагнитную силу F, действующую на рамку и вызывающую её вращение. Для сохранения направления действия этой силы ток в части рамки находящейся под северным полюсом должен протекать в направлении, а в находящейся под южным полюсом части рамки – в направлении O ′ -O. Поэтому через каждые пол- оборота ротора ток в сторонах ab и cd рамки должен менять направление на противоположное. Это происходит при переходе полуколец с одной щётки на другую. Полукольца рамки являются простейшим коллектором машины постоянного тока и вместе со щётками выполняют функцию преобразования постоянного тока в переменный с частотой вращения ротора. Ротор машины постоянного тока называется якорем. Его конструкция является развитием рамки и полуколец. Чтобы увеличить вращающий момент нужно увеличить количество рамок и заполнить ферромагнетиком воздушный промежуток между полюсами статора. Для этого из штампованных листов электротехнической стали собирается пакет якоря (риса. Полукольца примитивного коллектора преобразуются в набор изолированных друг от друга медных пластин 1 залитых в пластмассовую втулку 2 (рис. 12.2, б. Пакет ротора и коллектор напрессовы- ваются навал якоря ив открытые пазы пакета укладывается обмотка (на рисунке не показана, концы секций (катушек) которой припаиваются к пластинам коллектора. Рис. 12.1 Рис. 12.2 Рис. 12.3 Общая конструктивная схема машины постоянного тока показана на рис. 12.3. Она состоит из корпуса 1, объединяющего все элементы конструкции и являющегося также магнитопроводом. В подшипниках корпуса установлен якорь машины 2 и щёточно-коллекторный узел 3, 4. В корпусе также установлены главные полюсы 5, распределяющие основной магнитный поток машины, возбуждаемый установленной на полюсах обмоткой 6. На геометрической оси щёток машины установлены дополнительные полюсы 7 с обмоткой 8, возбуждающей их магнитное поле. Обмотка возбуждения машины и обмотка якоря с последовательно включённой обмоткой дополнительных полюсов 8 образуют две электрические цепи, которые могут питаться от одного или от разных источников постоянного тока. По схеме питания этих цепей машины постоянного тока разделяют на машины с независимым (раздельным, параллельным, последовательными смешанным возбуждением (риса, б, в и г. К машинам с независимым возбуждени- ям относятся также машины с магнитоэлектрическим возбуждением, тес возбуждением основного магнитного потока с помощью постоянных магнитов (рис. 12.4, д. Вопросы для самопроверки 1. Какую функцию выполняет коллектор двигателя 2. Какую функцию выполняет корпус двигателя 3. Для чего нужно изменять направление протекания тока в секциях обмотки якоря 4. Как разделяют двигатели постоянного тока по схеме питания обмотки возбуждения 5. Перечислите основные элементы конструкции двигателя. 12.2. Магнитная и электрическая цепи машины Магнитная цепь главных полюсов машины предназначена для возбуждения и распределения основного магнитного потока. Она состоит из главных полюсов 1, воздушного зазора между полюсами и якорем 2, сердечника якоря 3 и корпуса машины или ярма 4 (риса. Ось симметрии pq между главными полюсами машины называется геометрической нейтралью, а дуга окружности воздушного зазора между точками её пересечения с нейтралью – полюсным делением τ (рис. 12.5). Полюсное Рис. 12.4 деление в зависимости от решаемой задачи может измеряться в угловых или линейных единицах, а также числом пазов пакета статора или ротора. На рис. 12.5, б показана линейная развёртка воздушного зазора и зависимость распределения индукции в нм. В машинах постоянного тока стремятся получить практически постоянное значение индукции под полюсами, что достигается специальной формой полюсных наконечников. Это необходимо для того, чтобы во всех секциях обмотки якоря при вращении наводились одинаковые ЭДС. При рассмотрении принципа работы машины постоянного тока отмечалось, что обмотка якоря состоит из секций. Каждая секция укладывается в пазы пакета якоря так, чтобы её стороны находились под соседними полюсами. В качестве примера на риса показана схема обмотки. Номерами с 1 по 8 на рисунке обозначены пазы якоря и пластины коллектора. Шаг секций обмотки по пазам равен полюсному делению 4 τ = . В каждом пазу уложено начало одной секции (сплошная линия) и конец другой (штриховая линия) и к каждой пластине коллектора присоединены начала и концы следующих по схеме секций обмотки. Так в первом пазу под северным полюсом находится начало первой секции, а конец её расположен в пятом пазу под южным полюсом. Начало первой секции присоединено к первой пластине коллектора, а конец – ко второй. К этой же пластине присоединено начало следующей по схеме второй секции и т.д. В результате образуется замкнутая в кольцо последовательная электрическая цепь, состоящая из одинаковых элементов секций. Щётки машины в норме расположены на геометрической нейтрали. Они создают узлы соединения и делят последовательную кольцевую цепь обмотки на две параллельные ветви (рис. 12.6, б, по каждой из которых протекает половина тока якоря я . При вращении якоря проводники секций обмотки пересекают линии магнитного поля ив них наводятся ЭДС, по форме повторяющие кривую ин- Рис. 12.5 226 дукции ( ) B α рис. 12.5, б. Начала секций 1-4 находятся под северным полюсом поля, а секций 5-8 – под южным, поэтому в этих группах секций наводятся ЭДС противоположных знаков. Но группы секций 1-4 и 5-8 находятся в разных ветвях, поэтому по отношению к щёткам или, что тоже самое, по отношению к внешней цепи их ЭДС имеют одинаковое направление ив сумме одинаковые значения. В результате образуется ЭДС якоря я , направленная встречно по отношению к напряжению источника питания цепи якоря и ограничивающая его ток. Смещение щёток с геометрической нейтрали приводит к тому, что расположенные под разно- имёнными полюсами секции оказываются водной параллельной ветви. Например, смещение щ- ток из положения ab на рис. 12.6 в положение cd приведёт к тому, что первая и пятая секции окажутся в ветвях с противоположным направлением ЭДС. В результате суммарная ЭДС якоря уменьшится вдвое, т.к. ЭДС секций приблизительно одинаковы и до смещения противо-ЭДС была равная, тогда как после смещения – 4 я 1 2 6 2 k k k k E e e e e e = = = − = − ≈ ∑ ∑ . Таким образом, расположение щ- ток на геометрической нейтрали обеспечивает получение максимально возможной противо-ЭДС якоря. Вращение якоря не меняет общую картину распределения ЭДС в обмотке, т.к. секции просто переходят из одной ветви в другую с сохранением суммарного значения. Определим значение противо-ЭДС якоря. По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в проводнике длиной l, движущемся со скоростью v в однородном магнитном поле, равна e Blv = . Пусть число проводников в Рис. 12.6 обмотке якоря равно N. Тогда с учётом деления их на a параллельных ветвей я 2 N N E e Blv a a = = . Полагая величину индукции в воздушном зазоре машины B равной среднему значению ср Ф B l = τ (рис. 12.4, бис учётом того, что / 60 v Dn = π и /(2 ) D p τ = π , где D – диаметр якоря n – скорость вращения в об/мин, получим я Ф E E C n = , (12.1) где 60 E pN C a = – конструктивная постоянная ЭДС Ф – магнитный поток в зазоре машины. При использовании системы единиц СИ частота вращения якоря равна 2 60 n π Ω = , тогда противо-ЭДС я Ф E C = Ω = ΩΨ , (12.2) где 2 pN C a = π – конструктивная постоянная Ф = – потокосцепление якоря. Для электрической цепи якоря, подключённого к источнику питания постоянного тока с напряжением я, можно составить уравнение по второму закону Кирхгофа я я я, (12.3) Отсюда ток якоря я я я) / I U E R = − . (12.4) Из выражений (12.2) и (12.4) следует, что при изменении скорости вращения ток якоря изменяется по величине и по направлению, т.к. от скорости линейно зависит противо-ЭДС я . Изменение направления протекания тока в якоре соответствует изменению знака мощности, потребляемой им от источника питания, те. изменению режима работы машины. При положительном значении токая я) машина работает в режиме двигателя или тормоза и потребляет электрическую энергию от источника, а при отрицательном (я я) – отдаёт её в источник. Условие я я я Ф n = ⇒ = = соответствует режиму идеального холостого хода машины. Отсюда скорость идеального холостого хода я я 0 Ф = Ψ . (12.5) 12.3. Электромагнитный момент машины Вращающий момент, развиваемый машиной, можно получить из выражения для электромагнитной силы f, действующей на находящийся водно родном магнитном поле проводник длиной l, по которому протекает ток i – f Bli = . Пользуясь рассуждениями и выражениями, использованными выше при определении противо-ЭДС, получим я я Ф M CI I = = Ψ . (12.6) Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные участки магнитной цепи 2. Что такое геометрическая нейтраль 3. Что такое полюсное деление 4. Как распределяется индукция в зазоре и почему 5. Какую электрическую цепь образуют секции обмотки якоря 6. Как образуются параллельные ветви обмотки якоря 7. Как влияет смещение щёток с геометрической нейтрали на ЭДС, наводимую в якоре магнитным полем главных полюсов 8. Как влияет скорость вращения на величину тока якоря и почему 9. Почему ЭДС, наводимая в якоре магнитным полем главных полюсов, называется противо-ЭДС? 10. Какие величины определяют величину скорости идеального холостого хода 11. Какие величины определяют величину электромагнитного момента. Реакция якоря Под реакцией якоря в машинах постоянного тока понимают воздействие магнитного поля, возбуждаемого током якоря, на поле главных полюсов. При разомкнутой цепи якоря в машине существует только симметричное однородное поле главных полюсов (риса. При протекании тока в обмотке якоря возникает неподвижное в пространстве магнитное поле, ось которого совпадает с осью щёток (рис. 12.7, б. Складываясь, эти два поля образуют результирующее магнитное поле машины. Нейтральная линия или физическая нейтраль результирующего поля, те. линия, проходящая через точки с нулевым значением индукции в зазоре машины, оказывается развёрнутой на некоторый угол γ относительно геометрической нейтрали (рис. 12.7, в. При изменении режима работы машины изменяется направление протекания тока в якоре и, соответственно, меняются местами полюсы его магнитного поля. Поэтому смещение нейтрали в режиме генератора ив режиме двигателя имеет противоположное направление. В генераторном режиме нейтраль смещена в направлении вращения якоря, а в режиме двигателя – против направления вращения. Вращение якоря не влияет на положение оси полюсов его магнитного поля. Однако при изменении нагрузки машины изменяется ток якоря и, соответственно, изменяется индукция магнитного поля реакции. Это, в свою очередь, приводит к изменению угла смещения γ. Смещение нейтрали вызывает целый ряд отрицательных эффектов. В генераторном режиме работы машины это уменьшает ЭДС и, соответственно, выходное напряжение. В двигательном режиме часть проводников параллельной ветви оказывается под другим полюсом и создаёт тормозной момент. Смещение нейтрали создаёт также неравномерность распределения индукции на главных полюсах машины (рис. 12.7, в. Она увеличивается на одном краю полюса и уменьшается на другом, но вследствие насыщения возрастание потока на одном краю не компенсирует снижения на другом ив целом магнитный поток в машине уменьшается. Кроме того, смещение нейтрали существенно ухудшает условия протекания электромагнитных процессов, связанных с переключением секций из одной параллельной ветви в другую, которые мы будем рассматривать далее. Для уменьшения искажения кривой распределения индукции в зазоре в машинах средней и большой мощности используют компенсационную обмотку (рис. 12.8). Её устанавливают в пазы главных полюсов и включают последовательно в цепь якоря. Возбуждаемое обмоткой магнитное поле направлено встречно по отношению к полю реакции якоря и компенсирует его в зоне главных полюсов. В зоне геометрической нейтрали поле реакции якоря компенсируют с помощью добавочных полюсов (рис. 12.3). Обмотку добавочных полюсов также как компенсационную обмотку включают последовательно в цепь якоря. Это обеспечивает автоматическую коррекцию режима компенсации при изменении нагрузки машины, т.к. МДС всех трёх обмоток изменяются пропорционально. Рис. 12.7 Рис. 12.8 Вопросы для самопроверки 1. Что такое реакция якоря 2. Что такое физическая нейтраль 3. Как влияет реакция якоря на магнитное поле машины 4. Что происходит с физической нейтралью машины при изменении нагрузки 5. Почему в генераторном ив двигательном режимах нейтраль смещается в противоположные стороны 6. Перечислите явления, возникающие в машине в результате смещения нейтрали. 7. Что такое компенсационная обмотка Её конструкция, схема включения и функции. 8. Что такое добавочные полюсы Их конструкция, схема включения и функции. 12.5. Коммутация Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. На рис. 12.9 показаны три стадии процесса коммутации в секции 2 обмотки якоря. Вначале секция находится в правой ветви обмотки и по ней от начала к концу протекает ток я 2 I . Затем щётка перемещается, замыкая ю и ю пластины коллектора (рис. 12.9, б, и секция оказывается замкнутой накоротко. Если щётки расположены на геометрической нейтрали, то проводники коммутируемой секции при движении пересекают линии магнитного поля реакции якоря ив них наводится ЭДС v a e B lv = , называемая ЭДС вращения. Здесь a B – индукция поля реакции. Кроме того, в секции наводится ЭДС самоиндукции / L e Ldi dt = − . Обе ЭДС создают в контуре секции ток коммутации к , величина которого зависит от ЭДС и сопротивлений элементов контура. Если ЭДС L e и v e направлены встречно, то возможно состояние, когда кВ этом случае ток в секции изменяется по линейному закону як ) (1 2 / ) / 2 i t I t T = − , определяемому изменением сопротивления площади контакта щётки с пластинами коллектора 2 и 3. Такая коммутация Рис. 12.9 называется линейной или коммутацией сопротивлением. Она является оптимальной, т.к. при этом не возникает искрения (рис. 12.10). В случае 0 L v e e e Σ = + ≠ ток к накладывается на ток линейной коммутации ( ) i t и происходит замедленная з к ( ) ( ) ( 0) i t i t i или ускоренная у к ( ) ( ) ( 0) i t i t i e Σ = + < коммутация. Приза- медленной коммутации L v e e > и переход щётки на соседнюю пластину коллектора соответствует процессу размыкания цепи с активно-индуктивной нагрузкой. Поэтому под сбегающим краем щётки возникает искрение (рис. 12.9, в, которое приводит к быстрому износу щёток и возникновению нагара на пластинах коллектора, увеличивающего переходное сопротивление скользящего контакта и вызывающего дополнительные потери. Основным способом улучшения коммутации является установка дополнительных полюсов. Все машины постоянного тока мощностью более 1000 Вт снабжаются дополнительными полюсами. Параметрами обмотки и геометрическими размерами дополнительных полюсов можно компенсировать или даже несколько перекомпенсировать МДС реакции якоря, обеспечивая линейную или слабо ускоренную коммутацию. Это позволяет существенно увеличить нагрузку машины, те. снизить её удельную массу и габариты. В машинах малой мощности дополнительные полюсы не устанавливают, а коммутацию оптимизируют смещением щёток за положение физической нейтрали. Настройку обычно производят в режиме номинальной нагрузки машины по минимуму наблюдаемого искрения. При этом в других режимах работы настройка нарушается, т.к. при изменении тока якоря положение физической нейтрали изменяется. Очевидно, что этот способ недопустим в машинах, работающих в режиме реверса, т.к. для одного из направлений вращения смещение щёток будет только ухудшать ситуацию Щёточно-коллекторный узел машин постоянного тока является главным элементом конструкции, определяющим предельную мощность и скорость вращения. От его работы существенно зависят также надёжность и срок службы. Поэтому коллектор и щётки требуют тщательного контроля за их состоянием, а также проведения периодических профилактических мероприятий для исключения отказов в работе. Это усложняет и удорожает эксплуатацию и является одной из главных причин, по которым машины постоянного тока заменяют бесколлекторными машинами. Вопросы для самопроверки 1. Что такое коммутация Рис. 12.10 232 2. Какие ЭДС наводятся в коммутируемой секции 3. Какие стадии проходит коммутируемая секция 4. Какой вид коммутации является оптимальными почему 5. При каких условиях коммутация происходит замедленно ускоренно. Почему при замедленной коммутации возникает искрение под сбегающим краем щётки? 7. Как оптимизируют коммутацию в машинах малой мощности 8. Почему невозможно оптимизировать коммутацию во всём диапазоне нагрузок машины путём смещения щёток? 9. Как оптимизируют коммутацию в машинах большой и средней мощности 10. Почему с помощью дополнительных полюсов можно оптимизировать коммутацию практически во всём диапазоне нагрузок машины. Энергетические соотношения машин постоянного тока Характер потребляемой машиной мощности зависит от режима её работы. Для генератора – это механическая мощность 1 P M = Ω ; для двигателя – электрическая мощность 1 P В машинах постоянного тока, также как ив других машинах, процесс преобразования энергии сопровождается её потерями. Обычно их разделяют на основные и дополнительные, включая в первую группу магнитные, электрические и механические потери, а во вторую – все остальные потери, трудно поддающиеся учту. Магнитные потери в машинах постоянного тока c P Δ связаны с перемагничиванием сердечника якоря и протеканием в нём вихревых токов. Их величина определяется скоростью вращения якоря. В конструктивных элементах статора машины, образующих магнитопровод, эти потери практически отсутствуют, т.к. магнитный поток в них постоянен. Электрические потери происходят в цепях обмотки возбуждения и якоря машины. Потери вцепи возбуждения происходят в обмотке ив регуляторе реостате, если он используется для управления, и выражаются через напряжение виток в источника питания этой цепи как в в в I Δ Потери вцепи якоря происходят в его обмотке ив щёточных контактах и определяются соответственно как я я щ щ я I P U I Σ Δ = Δ = Δ , где R Σ – суммарное сопротивление обмотки якоря и регулировочного сопротивления щ – падение напряжения на щётках, определяемое по справочным данным. Механические потери мх P Δ связаны с трением в подшипниках опор якоря ив щёточном узле, а также с трением якоря о воздух и с перемещением воздушных масс через корпус машины. К добавочным потерям д относят потери от вихревых токов в обмотках, встали полюсных наконечников, вызванные пульсацией магнитного потока вследствие зубчатого строения пакета якоря и др. Они не поддаются точному учёту ив зависимости от наличия или отсутствия компенсационной обмотки, принимаются равными 0,5% или 1% от подводимой или полезной мощности. Таким образом, полные потери в машине составляют в я щ мх д = Δ + Δ + Δ + Δ + Δ + Δ . Отсюда можно определить КПД машины в режиме генератора 2 2 P P P η = + Δ , где 2 2 2 P U I = – электрическая мощность на выходе генератора, и двигателя 1 1 P P P − Δ η В этих выражениях используется только легко измеряемая электрическая мощность и расчётные значения мощности потерь. Коэффициент полезного действия машин постоянного тока мощностью более 10 кВт составляет 0,85 …0,96, причём большие значения соответствуют машинам большей мощности. Ума- шин мощностью до 50 Вт он существенно меньше и составляет всего 0,15 …0,5 Зависимость КПД от коэффициента нагрузки 2 ному машин постоянного тока имеет такой же характер как у всех остальных машин (рис. 12.11). Он быстро снижается при малой нагрузке, поэтому недогруженную машину очень невыгодно эксплуатировать. Вопросы для самопроверки 1. Что включают в основные потери 2. Почему не учитываются магнитные потери в статоре 3. Что включают в электрические потери в машине 4. Что включают в механические потери в машине 5. Что включают в добавочные потери в машине и каких учитывают. Почему нельзя эксплуатировать недогруженную машину Рис. 12.11 |