Лк МПТ - 1. Лекция Общие вопросы теории электрических машин постоянного тока
![]()
|
Любая электрическая машина постоянного тока (ЭМПТ) имеет неподвижную и подвижную части: статор 1 и ротор 2, разделенные воздушным зазором (рис. 1.1). ЭДС в ЭМПТ индуктируется во вращающейся части, поэтому их ротор называют якорем, а расположенную на нем обмотку 3 – обмоткой якоря. Магнитная система (сердечник) якоря представляет собой набор изолированных между собой листов электротехнической стали. В пазах цилиндрической поверхности сердечника располагается обмотка якоря, выводы которой присоединяются к изолированным друг от друга медным пластинам коллектора 4. На статоре ЭМПТ располагаются главные полюсы, которые обычно представляют собой полюсные наконечники 5 с обмоткой возбуждения 6. В микромашинах основной поток возбуждения может создаваться постоянными магнитами. Связь вращающегося якоря с неподвижными внешними цепями осуществляется посредством скользящих по коллектору графитных или металлографитных щеток 7, которые помещаются в специальных щеткодержателях и прижимаются к коллектору пружинами. Выводы обмотки якоря маркируются буквами Я1 и Я2. Обмотки возбуждения бывают двух типов: параллельного (Ш1 – Ш2) и последовательного (С1 – С2) возбуждения. Их также часто называют шунтовыми и сериесными обмотками. Многие ЭМПТ имеют также дополнительные полюса с обмоткой Д1 – Д2, которая включается последовательно с обмоткой якоря и служит, как будет показано далее, для компенсации действия реакции якоря. ![]() Принцип действия МПТ основан на законе электромагнитной индукции. Рассмотрим его на примере простейшей машины, имеющей обмотку якоря в виде одного витка, начало и конец которого присоединены к двум коллекторным пластинам, имеющим контакт с неподвижными щетками (рис. 1.2). ![]() Если с помощью внешнего привода привести якорь МПТ во вращение, под действием образованного полюсами магнитного поля в его обмотке возникает ЭДС, равная: ![]() где В, Тл – магнитная индукция; l, м – длина активной (помещенной в магнитное поле) части проводника; V, м/c – линейная скорость его движения по отношению к полю; α – угол между векторами силовых линий магнитного поля и линейной скорости. Направление ЭДС определяется правилом правой руки: если ладонь правой руки расположена таким образом, что в нее входят силовые линии магнитного поля, а большой палец указывает направление движения, вытянутые четыре пальца покажут направление ЭДС. При вращении якоря направление вектора скорости по отношению к силовым линиям магнитного поля изменяется, и мгновенное значение ЭДС в витке также изменяется по синусоидальному закону, принимая как положительные, так и отрицательные значения. Однако, по отношению к внешним цепям ее знак остается неизменным, поскольку под верхней щеткой в любой момент времени находится коллекторная пластина, соединенная с верхней частью витка, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с нижней частью. Например, при положении витка, показанном на рис. 1.2, ЭДС в верхней части направлена от точки «а» к точке «б», а в нижней – от точки «в» к точке «г». При повороте витка на 180о направление ЭДС изменяется на противоположное: от точки «б» к точке «а», и от точки «г» к точке «в». Одновременно меняются местами точки «г» и «а», и точки «в» и «б». В результате направление ЭДС по отношению к щеткам и внешним цепям остается прежним. Таким образом, коллектор и щетки в МПТ выполняют функции механического выпрямителя. Очевидный недостаток простейшего генератора заключается в уменьшении мгновенных значений ЭДС до нуля и больших пульсациях, для уменьшения которых необходимо увеличивать число секций обмотки якоря и коллекторных пластин. Если обмотка содержит две перпендикулярно расположенные секции (рис. 1.3 – а), ЭДС не уменьшается до нуля, и пульсации существенно уменьшаются. ![]() Среднее значение ЭДС зависит от способа соединения секций, которые могут соединяться как параллельно, так и последовательно. Параллельное соединение применяется при относительно малых напряжениях и относительно больших токах. Максимальное значение результирующей ЭДС при этом равно максимальному мгновенному значению ЭДС секции: ![]() ![]() Последовательное соединение применяется для увеличения результирующей ЭДС обмотки при относительно малых токах. Максимальное значение результирующей ЭДС в этом случае равно: ![]() ![]() Отношение ![]() ![]() где k – число коллекторных пластин. Чем меньше коэффициент пульсаций, тем лучше выпрямляется ЭДС, которая почти полностью сглаживается при ![]() ![]() Если к выводам щеток генератора присоединить внешнюю нагрузку, в образованном ею и обмоткой якоря контуре появится ток. В результате его взаимодействия с магнитным полем возникает электродинамическая сила, равная: ![]() где – угол между векторами магнитной индукции и тока. Направление этой силы определяется правилом левой руки: если ладонь левой руки расположена таким образом, что в нее входят силовые линии магнитного поля, а вытянутые четыре пальца указывают направление тока, то большой палец покажет направление вектора электродинамической силы (рис. 1.4). ![]() При работе в режиме генератора эта сила создает тормозной момент, направленный навстречу направлению вращения якоря. Для того, чтобы перевести МПТ в режим двигателя, к выводам щеток необходимо приложить постоянное напряжение, под действием которого в обмотке якоря появится ток. При его взаимодействии с магнитным полем в соответствии с (1.3) появляется электродинамическая сила, и создается вращающий момент, приводящий якорь в движение. При вращении якоря в магнитном поле согласно (1.1) в его обмотке наводится ЭДС, направление которой противоположно направлению приложенного напряжения.
Любая МПТ осуществляет преобразование энергии из одной формы в другую. В режиме генератора механическая мощность, сообщаемая валу ЭМПТ первичным приводом, преобразуется в электрическую мощность, а в режиме двигателя электрическая мощность, потребляемая ЭМПТ из сети, преобразуется в механическую мощность. В обоих случаях часть мощности теряется в виде механических (ΔРмех) и электрических (ΔРЭл) потерь, а мощность, которая непосредственно преобразуется посредством электромагнитного поля, называется электромагнитной мощностью РЭМ (рис. 1.5). ![]() При работе в режиме генератора под действием силы f1, создаваемой внешним моментом, проводники обмотки якоря перемещаются в магнитном поле с линейной скоростью V, и в них наводится ЭДС: ![]() под действием которой при замыкании на внешнее сопротивление в цепи якоря возникает ток iа, и электродинамическая сила: ![]() направленная против движения проводников. Уравнения (1.4), (1.5) получены из уравнений (1.1), (1.3) при условии ![]() ![]() При равномерном движении сила fэд уравновешивает силу f1. Развиваемая при этом мощность с учетом (1.4) и (1.5) составляет: ![]() Это равенство показывает, что в генераторе приложенная внешним приводом механическая мощность за вычетом механических потерь преобразуется в электрическую мощность. Обмотка якоря обладает определенным сопротивлением ra, поэтому напряжение на выходных зажимах генератора будет меньше ЭДС: ![]() а мощность нагрузки – меньше электромагнитной мощности: ![]() Если к обмотке якоря МПТ приложить напряжение u1, она перейдет в режим двигателя. Потребляемая из сети электрическая мощность за вычетом электрических потерь в обмотке якоря преобразуется в механическую мощность: ![]() Это выражение полностью идентично выражению (1.6), полученному для электромагнитной мощности генератора, что является наглядной иллюстрацией принципа обратимости МПТ. В режиме двигателя все составляющие мощности потребляются из сети, поэтому его ЭДС всегда меньше приложенного напряжения, а механическая мощность на выходном валу – меньше электромагнитной мощности: ![]() ![]()
Обмоткой якоря называется замкнутая система проводников, определенным образом уложенных в пазы якоря, и присоединенных к пластинам коллектора. Основным элементом любой обмотки является секция, состоящая из определенного количества витков, уложенных в одни и те же пазы (рис. 1.6 – а). Число секций равно числу коллекторных пластин и числу элементарных пазов: ![]() Элементарным пазом называется паз, в верхнем и нижнем слоях которого расположены две активные стороны различных секций. Один реальный паз может состоять из нескольких элементарных пазов (рис. 1.6 – б). Укладка секций в пазы и присоединение их выводов к коллектору производится с учетом шагов обмотки. ![]() Полюсное деление представляет собой длину дуги расточки статора, которая приходится на один полюс: ![]() и при определении шагов обмотки выражается числом элементарных пазов, приходящихся на один полюс: ![]() Первым частичный шагом у1 называется ширина секции (число элементарных пазов между начальной и конечной ее сторонами). Второй частичный шаг у2 равен расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей последовательно соединенной секции. Результирующий шаг у равен расстоянию между начальными сторонами двух последовательно соединенных секций. Шаг по коллектору укравен числу коллекторных пластин между начальным и конечным выводами одной секции. В силу равенства: ![]() Для получения наибольшей ЭДС первый частичный шаг любой обмотки всегда принимается равным полюсному делению, или ближайшему целому числу пазов: ![]() где ![]() Обмотки якоря подразделяются на две большие группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные Простые петлевые обмотки (рис. 1.7 – а) характеризуются тем, что секции в них имеют форму петли, поскольку начало и окончание каждой из секций присоединяются к соседним коллекторным пластинам, откуда следует: ![]() ![]() Простые волновые обмотки (рис. 1.7 – б) имеют форму волны, и секции в них соединяются последовательно. Обходу по окружности якоря соответствует число секций, равное числу пар полюсов р, а окончание последней секции присоединяется к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной, поэтому число коллекторных пластин и шаг по коллектору равны: ![]() ![]() причем, ук должно быть целым числом. Первый частичный шаг, как в петлевой обмотке равен или близок к полюсному делению, и определяется по выражению (1.12), а второй частичный шаг равен: ![]() ![]() Рассмотрим процессы, происходящие в петлевых и волновых обмотках, при протекании по ним тока и вращении якоря. На рис. 1.8 – а показана схема петлевой обмотки, имеющей следующие расчетные показатели: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Каждой паре полюсов соответствует пара щеток, которые устанавливаются на геометрической нейтрали с шагом, равным полюсному делению. При вращении якоря каждая из щеток последовательно замыкает накоротко одну из секций обмотки (при показанном на рис. 1.7 – а положении щеток секции 1, 4, 7 и 10). При этом образуются четыре параллельных ветви протекания тока якоря: ![]() ![]() ![]() ![]() в результате чего при ![]() ![]() При перемещении коллектора по щеткам происходит последовательная смена коммутируемых секций, но число параллельных ветвей ![]() ![]() Возможность получения больших токов якоря при относительно малых токах в секциях является достоинством петлевых обмоток. Для ограничения тока в короткозамкнутых секциях число коллекторных пластин выбирается таким, чтобы максимальное напряжение между смежными пластинами не превышало 30 – 40 В. ЭДС, индуктированные в параллельных ветвях, теоретически должны быть равны между собой, однако, вследствие неравномерности воздушного зазора , технологических неточностей и других причин они могут различаться на 3 – 5%, что приводит к появлению уравнительных токов. При большом количестве секций в петлевых обмотках применяют уравнительные соединения точек, имеющих теоретически равные потенциалы. Петлевые обмотки широко применяются в двухполюсных МПТ небольшой мощности, а также в МПТ большой мощности при напряжениях до 220 В. На рис. 1.9 – а показана схема волновой обмотки, имеющей следующие расчетные показатели: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Отличительной особенностью простых волновых обмоток является то, что независимо от числа пар полюсов они всегда образуют только две параллельные ветви протекания тока (рис. 1.9 – б). По этой причине в принципе при использовании волновых обмоток достаточно двух щеток. Однако, для улучшения условий коммутации и уменьшения тока, проходящего через одну щетку, обычно их число выбирается равным числу полюсов. При вращении якоря щетки последовательно замыкают накоротко определенные секции обмотки (при показанном на рис. 1.9 – а положении щеток секции 1, 4 и 11). При этом образуются две параллельных ветви протекания тока якоря: ![]() ![]() При любом положении щеток в состав параллельных ветвей входят секции, которые располагаются под всеми полюсами, поэтому в простых волновых обмоток отсутствует несимметрия магнитных потоков полюсов и ЭДС отдельных ветвей, и в них не требуются уравнительные соединения. Волновые обмотки являются обмотками последовательного типа, поэтому при числе пар полюсов ![]() ![]() |