лабораторная работа по элекиротехническим машинам. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Лабораторная работа 1 конструкция и принцип действия трансформатора и машин постоянного тока Часть Трансформаторы
 Скачать 5.02 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА И МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА» Часть 1. Трансформаторы 1.1 Устройство трансформатора. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, имеющими между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем, и служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении частоты тока неизменной. Классификация трансформаторов. По назначению трансформаторы делятся на силовые, используемые при передачи и распределении электрической энергии, и специальные – сварочные, печные, импульсные и т.д. По числу фаз трансформаторы делятся на трехфазные и однофазные. При принятой в энергетике трехфазной системе распределения электрической энергии наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы. По виду охлаждения- с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением. По типу магнитопровода трансформаторы бывают стержневые, броневые. Принято считать что, в трансформаторе стержневого типа обмотки охватывают сердечник, в броневом, наоборот, обмотка охвачена сердечником (рисунок 1).  Рисунок 1 Виды магнитопровода трансформатора: а-стержневой, б-броневой.  Рисунок 2 Трехфазный пятистрежневой трансформатор (а) и групповой трансформатор (б). В конструктивном отношении и по технологии изготовления броневые трансформаторы значительно уступают стержневым, так как требуют специальной запресовки боковых частей магнитопровода, установка и крепление обмоток в них сложнее, обмотки менее доступны для охлаждения, осмотра и ремонта. Поэтому броневой тип трансформатора распространения не получил и применяется лишь в трансформаторах специального типа (измерительные, испытательные). Положительные свойства броневого трансформатора заключаются в уменьшении тока холостого хода вследствие разветвления потока при выходе из среднего стержня по двум параллельным путям и уменьшение индуктивности из-за меньшего числа витков. Трехфазный стержневой трансформатор характеризуется простотой конструкции, большей доступностью обмоток, что в эксплуатации имеет большое значение. Основное конструктивное исполнение трехфазного стержневого трансформатора это расположение трех стрежней в одной плоскости. С ростом мощности трансформатора соответственно растут его размеры, что исключает возможность его транспортировки. Снижение высоты магнитопровода достигается путем использования группового трансформатора. Такой трансформатор состоит из трех одинаковых однофазных трансформаторов, объединенных в трехфазную группу на электрической стороне (рис.2). Устройство трансформатора.Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопровода и двух обмоток. Одна из обмоток называется обмоткой низшего напряжения, другая обмотка высшего напряжения. Магнитопровод. Основное назначение магнитопровода – обеспечение максимально возможной магнитной связи между обмотками трансформатора при их фиксированном расположении на нем. Он представляет собой стальной сердечник, состоящий из стержней и ярм, соединяющих их между собой. Магнитопровод трансформатора имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких пластин, (выполненных из специальной электротехнической стали с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм) покрытых с двух сторон изолирующей пленкой. Листы электротехнической стали изолируют специальными лаками, оксидированием, окисью хрома. Толщина лаковой пленки бывает от 6 до 8 мкм. Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе. Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому обобщенно потери в стали можно считать зависящими от квадрата индукции. Значения удельных потерь для различных марок электротехнической стали приводятся в таблицах справочников. В зависимости от частоты, потери на вихревые токи изменяются пропорционально ее квадрату, а потери на гистерезис — пропорционально ее первой степени. Прогресс в конструировании трансформаторов связан с применением новых материалов. В этой связи большое значение имеет использование для магнитопровода холоднокатаной текстурованной стали вместо горячекатаной. Магнитные свойства такой стали при намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной горячекатаной стали. В поперечном к прокату направлении магнитные свойства холоднокатаной стали значительно хуже, другими словами, эта сталь обладает резкой анизотропией, поэтому ее используют главным образом при изготовлении трансформаторов. Применение в трансформаторах холоднокатаной стали позволяет либо уменьшить потери при сохранении прежних размеров и индукции, либо повысить индукцию и обеспечить экономию стали и меди. Основными частями магнитопровода трансформатора, называемого также сердечником, являются стержни и ярма. Стержни—это часть сердечника, на которой размещены обмотки, ярма — часть сердечника, не охваченная обмотками, но необходимая для того, чтобы на всех участках магнитопровода магнитная цепь была замкнутой (рис. 3). Принята ступенчатая форма сечения стержня — многоугольник, вписанный в окружность (рис. 4). Число ступеней растет с увеличением диаметра окружности.  Рисунок 4 – Форма сечения стержня.  Рисунок 5 Остов трехфазного трансформатора Размеры ступеней по высоте и ширине при принятом числе ступеней определяются решением геометрической задачи о максимальной площади многоугольника, вписанного в заданную окружность. Коэффициент заполнения сталью сечения внутри обмоток получается достаточно большим, составляя 0,786 при двух и 0,92 при девяти ступенях. Ярма трансформатора также набирают из отдельных листов. Для упрощения технологии изготовления ярма, выбирают сечение в форме прямоугольника (в трансформаторах сравнительно малой мощности) или простой фигуры с небольшим числом ступеней. Для того чтобы в ярме распределение потока по сечению было таким же, как и в стержне, отношение площади сечения отдельной ступени ярма к площади сечения перекрываемой части стержня должно быть одинаковым для всех ступеней ярма. В противном случае поток при выходе из стержня в ярмо (или наоборот) будет соответственно перераспределяться, при этом силовые линии, вынужденные изменить свое направление, пойдут перпендикулярно плоскости пластин ярма, что приведет к возрастанию потерь от вихревых токов. При сборке стержней и ярем в единую конструкцию (сердечник) их соединяют встык или внахлестку (шихтовка). При сборке встык стержни и ярма, собранные отдельно, соединяют при помощи крепежных частей, например накладок, стягиваемых болтами, вертикальными шпильками (рис. 5). При сборке внахлестку стержни и ярма собирают из пластин, укладываемых в переплет (шихтовка) с чередованием двух видов слоев (рис. 6). После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимают, на стержнях размещают обмотки и ярмо снова зашихтовывают.  Рисунок 6 Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке внахлестку  Рисунок 7 Обмотка трансформатора: а-концентрическая, б- чередующая. Трансформаторы со стыковыми магнитопроводами гудят сильнее шихтованных из-за неравномерности зазоров между стержнями и ярмами, и ток холостого хода в них больше. При шихтовке любое место стыка в одном слое перекрывается с обеих сторон пластинами соседних слоев. Поэтому магнитное сопротивление в месте стыка заметно снижается. При этом способе сборки получается большая механическая прочность сердечника. Благодаря этим преимуществам, а также меньшему весу крепежных частей и отсутствию необходимости в прессовом оборудовании шихтовка стала практически единственным способом сборки сердечника силовых трансформаторов всех мощностей, несмотря на то, что это более длительный процесс сборки и при ремонте приходится расшихтовывать верхнее ярмо. Обмотки трансформатора. Обмотки должны удовлетворять следующим требованиям: обладать надлежащими механической и электрической прочностью, нагревостойкостью, экономичностью (в отношении потерь), технологичностью, быть простыми в изготовлении, удобными и недорогими. Медь долгое время была основным материалом, из которого изготовляли обмотки трансформатора. Мировая добыча меди ограничена, и темпы ее прироста меньше темпов роста мировой электротехнической промышленности. В связи с этим медь стали заменять алюминием. Но использование алюминия для обмоток трансформаторов связано с некоторыми трудностями. Так как электрическая проводимость алюминия составляет лишь 61 % проводимости меди, то сечение алюминиевых обмоток должно быть соответственно больше. Увеличенные размеры обмоток обусловливают повышение напряжения короткого замыкания трансформатора. Для его снижения приходится увеличивать диаметр стержней сердечника и уменьшать число витков, что ведет к увеличению размеров бака и объема масла. При этом возрастает средняя длина витка, что требует дальнейшего увеличения сечения для сохранения нужной величины активного сопротивления обмотки. Провода, применяемые при изготовлении обмоток, бывают круглого или прямоугольного сечения. Для проводов обмоток масляных трансформаторов широко применяют хлопчатобумажную изоляцию, в трансформаторах небольшой и средней мощности используют эмалевую изоляцию (нагревостойкие эмалевые лаки), провода прямоугольного сечения изолируют также двумя слоями кабельной бумаги. Для пропитки обмоток трансформаторов в настоящее время применяют синтетические лаки и смолы. К последним относятся фенольные смолы. Применяемые в последние годы полиэфирные смолы отличаются хорошей пропиточной способностью и не образуют пустот. По взаимному расположению обмотки высшего (ВН), и низшего (НН) напряжения подразделяются следующим образом: а) концентрические, расположенные друг относительно друга и вокруг стержня концентрически. Ближе к стержню обычно находится обмотка низшего напряжения по очевидным соображениям упрощения в таком случае изоляции обмотки от стержня; б) чередующиеся, в которых части обмоток ВН и НН по высоте стержня следуют поочередно (рис. 7). При современной технике выполнения непрерывных обмоток концентрическое расположение проще, чем чередующееся с вынужденными пайками и экономично как по затрате труда, так и по месту, занимаемому обмоткой в окне трансформатора. Чередующиеся обмотки трансформатора не только сложны в изготовлении, но при высоких напряжениях изолировать их друг от друга сложно и дорого. Но эти обмотки благодаря более тесному переплетению их отдельных частей имеют более полную электромагнитную связь, что уменьшает их индуктивное сопротивление рассеяния. Для трансформаторов радиоустановок это имеет определенное значение. Но в общем случае в силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, и трансформатор со стержневым сердечником и концентрической обмоткой следует считать основным типом. Концентрические обмотки конструктивно могут быть цилиндрическими, винтовыми и непрерывными спиральными. Цилиндрические обмотки бывают однослойные, двухслойные и многослойные. Однослойные и двухслойные обмотки наматывают по высоте соответственно в один или два слоя из прямоугольного провода. В последнем случае между слоями оставляют канал а для охлаждения (рис. 8). Цилиндрические обмотки просты, но так как их радиальные размеры невелики, они не обладают достаточной прочностью при воздействии на них осевых сил. Применяют их в основном в качестве обмоток низшего напряжения. Многослойную цилиндрическую обмотку обычно выполняют из круглого провода наматываемого по высоте всего стержня в несколько слоев. При большом числе слоев обмотку делят на две катушки, между которыми оставляют охлаждающий канал а (рис. 9). Эта обмотка применяется главным образом для высшего напряжения до 35 кв. Она достаточно проста в производстве, но механическая прочность ее по отношению к осевым силам также невелика.  Рисунок 8 Цилиндрическая двухслойная обмотка.  Рисунок 9 – Цилиндрическая многослойная обмотка Винтовую обмотку (рис. 10а) выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. Витки, как и в цилиндрической обмотке, наматывают по винтовой линии, но между двумя соседними по высоте витками оставляют горизонтальный канал а шириной 4,5—6 мм. При большем количестве параллельных проводников их располагают в каждом витке в несколько слоев или параллельные провода разбивают на 2—4 группы, каждая из которых образует самостоятельный винтовой ход обмотки. Обмотка в таком случае называется многоходовой.  Рисунок 10 Обмотки трансформатора: а-одноходовая винтовая обмотка, б-непрерывная спиральная обмотка Расположенные рядом несколько параллельных проводов неодинаково сцепляются с силовыми линиями магнитных потоков рассеяния, проходящих в пространстве, занимаемом обмотками. Это служит причиной возникновения разности потенциалов между отдельными точками проводов витка по радиальному направлению и как следствие этого вихревых токов, вызывающих явление поверхностного эффекта. Вследствие этого увеличивается активное сопротивление обмотки, что влечет за собой увеличение потерь. Для возможно более равномерного распределения тока между параллельными проводами витка прибегают к полному и частичному перекрещиванию (транспозиции) проводов. Винтовую обмотку применяют для низших ступеней напряжения, при токах более 300 а в трансформаторах средней и большой мощности. Она обладает достаточной механической прочностью, так как имеет относительно большие радиальные размеры. Непрерывная спиральная обмотка в отличие от винтовой состоит из ряда плоских катушек — дисков, отделенных друг от друга каналами а для охлаждения (рис. 10 б). Выполненные из прямоугольного провода дисковые катушки наматывают по спирали и соединяют друг с другом без пайки. Если виток обмотки состоит из нескольких параллельных проводов, то делают их транспозицию. Несмотря на сложность изготовления, непрерывную спиральную обмотку широко используют как для высшего, так и для низшего напряжения из-за ее большой механической прочности и надежности. Конструкционными элементами этих обмоток являются разного рода распорки, клинья, прокладки и т. п., а также изоляционные пленки и цилиндры, помещаемые между слоями, катушками и обмотками. При небольших мощностях и низких напряжениях цилиндрические обмотки надевают непосредственно на стержень; деревянные клинья и планки, прессующие-стержень, выполняют одновременно роль изоляции. В других случаях обмотку отделяют от стержня одним или двумя изоляционными цилиндрами, в зависимости от ее напряжения. Бак масляного трансформатора. Сердечник с размещенными на нем обмотками обычно опускают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Роль масла двоякая: облегчения условия охлаждений обмоток и сердечника и электрическая прочность изоляционных материалов, погруженных в масло, повышается. Конструкция трансформаторного бака определяется системой охлаждения, типом трансформатора и его мощностью. Трансформаторы бывают с гладкими баками, трубчатыми и радиаторными (рис 11).  Рисунок 11 Трансформаторы: а – с гладким баком; б – с трубчатым баком, в – с радиаторным баком. Баки с гладкими стенками применяются для трансформаторов мощностью до 25 кВА. Бак с трубчатыми охладителями представляет собой конструкцию, которая при естественном охлаждении надолго укрепится в трансформатор строении благодаря большой механической прочности и хорошей теплоотдаче. Для более мощных трансформаторов (SН > 10000 кВА) открытой установки принята система с искусственной вентиляцией, в которой усиленный отвод тепла осуществляется автоматически управляемыми вентиляторами, обдувающими трансформатор. При соприкосновении с воздухом масло окисляется, увлажняется и загрязняется, что ухудшает его изоляционные свойства. Чтобы уменьшить поверхность соприкосновения масла с воздухом, на крышке трансформаторов мощностью более 50—75 ква помещают бак, называемый расширителем, соединенный патрубком с баком трансформатора (рис. 11,б и в). Трансформатор заливается маслом целиком, а поверхность соприкосновения масла с воздухом перемещается в расширитель и уменьшается, при этом воздух соприкасается с маслом, температура которого ниже, чем масла в баке трансформатора. Объем расширителя составляет около 10% объема бака трансформатора, открытая поверхность масла при колебаниях температуры при изменении нагрузки трансформатора и окружающей среды всегда должна оставаться в пределах расширителя. При наличии расширителя продукты разложения масла и влаги почти не попадают в основной бак, а скапливаются на дне расширителя, где предусмотрено отверстие, снабженное пробкой для спуска осадков и масла. При внутренних повреждениях в трансформаторе возможно интенсивное испарение масла, сопровождающееся выделением газа. Для предотвращения в этом случае деформации бака в крышке трансформатора предусмотрена выхлопная труба 2, нормально закрытая стеклянной мембраной, лопающейся при повышении давления внутри бака (рис. 11, б и в). Принцип действия трансформатора. Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 12, а).  б)   Рисунок 12 Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы трансформатора Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U1. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС: в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e1 = –w1(dФ/dt), (1) во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции е2 = –w2(dФ/dt), (2) где w1 и w2 — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих U2 < U1. Из формул (1) и (2) видно, что ЭДС е1 и е2, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков w1 и w2 в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН). На рисунке 12,б показано изображение однофазного трансформатора на принципиальных электрических схемах. Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — понижающий. Часть 2. Машины постоянного тока (МПТ) Машины постоянного тока обладают свойством обратимости т. е одна и та же машина без изменения конструкции может работать как генератор так и как двигатель. Основные преимущества двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении и пониженная надежность. Все эти недостатки обусловлены наличием в них щеточно-коллекторного узла. 2.1 Конструкция машин постоянного тока Машина постоянного тока, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частей, разделенных воздушным зазором. Вращающую часть машины постоянного тока принято называть не ротором, а якорем так как это та часть в которой индуктируется ЭДС, а неподвижную – индуктором, которая создает основное магнитное поле. Якорь машины состоит из сердечника, обмотки и коллектора, на валу якоря укреплен вентилятор, к коллектору прилегают неподвижные щетки установленные в щеткодержателях. На внутренней поверхности статора укреплены полюса, предназначенные для создания в машине магнитного потока (рис 13).  Рисунок 13 – Основная конструктивная схема машины постоянного тока: 1-подшипниковый щит, 2-коллектор, 3-подшипник, 4- сердечник якоря, 5-основные полюса, 6- станина, 7-вал, 8- вентилятор. Статор состоит из станины и главных полюсов. Станина служит основанием для крепления с помощью болтов полюсов (главных и дополнительных), подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапыдля крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и монтаж машины. С торцевых сторон станины крепят боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины. На боковой поверхности установлена коробка выводов, на клеммную панель которой выведены концы обмоток якоря, возбуждения и добавочных полюсов. Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 2и полюсной катушки 3 (рис. 14). Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1—2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рис. 14, а). В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рис. 14, б). В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.  Рисунок 20 Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюсными катушками: 1 — станина, 2 — сердечник полюса, 3 — полюсная катушка Основные полюса служат для создания потока возбуждения, дополнительные— для улучшения коммутации (для обеспечения безыскрового снятия тока щетками с коллектора). Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника 1с обмоткой 2 и коллектора 3 (рис.21а). Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.  Рисунок 21. Якорь машины постоянного тока (а) и лист стали сердечника (б): 1-сердечник якоря, 2- секция обмотки, 3- коллектор. В листах сердечника якоря равномерно по окружности штампуются пазы, в которых располагается обмотка якоря (рис 21 б). Форма паза влияет на протекание процесса коммутации, связанного с переходом секции из одной параллельной ветви в другую. В этом смысле открытые пазы наиболее благоприятны, поэтому в машинах постоянного тока они получили преимущественное распространение. Обмотку в пазах крепят при помощи деревянных или гетинаксовых клиньев. Лобовые части обмотки укрепляются на якоре с помощью и бандажей из стальной проволоки. Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Секция или катушка является элементом обмотки якоря присоединенной к двум коллекторным пластинам. Виды обмоток якоря: простая петлевая, простая волновая, сложная петлевая, сложная волновая. Коллектор представляет собой одну из ответственных частей машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической, не подверженной каким-либо деформациям. Коллектор изготовляют из медных пластин клинообразного сечения, разделенных прокладками из твердого изоляционного материала (например, миканитарис. 22). Для изготовления коллекторных пластин применяют холоднокатаную медь, обладающую высокой механической прочностью. Пластины и прокладки между ними собирают в один цилиндр и при помощи нажимного кольца закрепляют на стальном корпусе, от которого они изолированы.  Рисунок 22. Коллектор: 1-корпус коллектора,2-стяжной болт, 3-нажимное кольцо, 4-изоляция (миканит); 5-петушки; 6-пластины,7- миканит, 8-медь.  Рисунок 23 - Щетки Обмотку якоря с коллектором соединяют непосредственно теми же проводниками, впаивая концы секций обмотки якоря в часть пластины коллектора называемой петушком. Съем тока с коллектора или подвод тока к нему осуществляется щетками посредством скользящего контакта между ними и коллектором. В современных машинах чаще всего используются угольно-графитовые щетки, имеющие форму прямоугольных брусков (рис. 23). Щетки помещают в щеткодержатель типичная конструкция щеткодержателя (одна из простых) показана на рисунке 24. Щетка 1 помещена в обойме щеткодержателя и при помощи пружины 2 прижимается к коллектору. Щеткодержатель насаживают и закрепляют на щеточном болте щеточной траверсы (рис.25); от траверсы болты изолированы. Щетка 1 со щеточным болтом 2 связана гибким токоведущим тропиком. Все щетки одной полярности электрически связаны между собой и присоединены к выводному зажиму машины. В машинах малой и средней мощности щеточную траверсу устанавливают на подшипниковом щите, в машинах большей мощности ее можно крепить к станине.  Рисунок 24 - Щеткодержатель  Рисунок 25- Щеточная траверса: 1-щетка, 2-щеточный болт,3-изоляция. Область применения коллекторных машин постоянного тока. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, для привода устройств автоматики (малая мощность) и для привода прокатных станов шахтных подъемников и других механизмов (большая мощность). В электрификации сельского хозяйства машины постоянного тока применения не находят. Но их используют как генераторы в качестве возбудителей синхронных машин, в зарядных агрегатах, сварочных установках, на автомобилях и как двигатели в качестве стартерных (на автомобилях, тракторах, комбайнах) и тяговых (на электрокарах). В народном хозяйстве машины постоянного тока находят широкое применение в регулируемом электроприводе. Генераторы постоянного тока применяются для питания таких двигателей, а также для зарядки аккумуляторов, в установках проводной и радиосвязи, электролиза, в авто- и авиатранспорте. Двигатели, кроме того, применяются в крановых, подъемных установках и в качестве тяговых. 2.2 Принцип действия машин постоянного тока Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 26 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R. Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, а направление для положения якоря, изображенного на рисунке 21, указано стрелками.  Рисунок 26 Упрощенная модель коллекторной машины Рисунок 27 К принципу действия двигателя постоянного тока В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d,занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R)был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 26, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В -- отрицательной. После поворота якоря на 1800 (рис. 27, а)направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление не тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 27, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В -пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.  Рисунок 28 К принципу действия генератора постоянного тока: ___________ ЭДС и ток в обмотке якоря; _ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора Rи подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого показано на рис. 28. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы Fэм, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 1800 электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока. Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. Контрольные вопросы: Что называется трансформатором? Как классифицируются трансформаторы по назначению, по виду охлаждения? Как классифицируются трансформаторы по числу фаз и типу магнитопровода? Какой тип магнитопровода получил наименьшее распространение и почему? Назовите положительные свойства каждого типа магнитопровода? Что такое групповой трансформатор и для чего он нужен? Устройство трансформатора, назовите все части. Назначение магнитопровода? Из какого материала изготавливается магнитопровод Зачем листы магнитопровода изолируют лаком? Зависимость потерь на вихревые токи и гистерезис? Чем холоднокатаная сталь лучше горячекатаной? Назвать основные части магнитопровода и их назначение? Какие способы сборки стержней и ярем вам известны, достоинства и недостатки каждого способа? Из какого материала выполняются обмотки трансформатора, изоляция и как расположены относительно стержня? Виды обмоток трансформатора Что такое транспозиция проводов и для чего она нужна? Конструкция баков трансформатора, назначение масла и расширительного бака Принцип действия трансформатора и принцип обратимости? Назовите основные части машин постоянного тока Укажите преимущества и недостатки МПТ по сравнению с машинами переменного тока Область применения МПТ Из какого материала изготавливается статор из каких частей состоит Из какого материала изготавливается статор из каких частей состоит Назначение главных и дополнительных полюсов Конструкция и материал главных полюсов Из каких частей состоит якорь МПТ Назовите виды обмоток якоря Назначение коллектора Назовите конструктивные части и материал коллектора Назовите конструктивные части и материал щеткодержателя Принцип действия машин постоянного тока В чем заключается свойство обратимости МПТ |