Электротехника. Реферат №2 Магнитные цепи, синхронные машины, ма. Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока

• Название: Магнитные цепи, синхронные машины, машины постоянного тока
• Дата: 17.05.2022
• Размер: 0.95 Mb.
• Имя файла: Электротехника. Реферат №2 Магнитные цепи, синхронные машины, ма.doc
• Тип: Реферат; #534322
• страница: 3 из 4

Классификация генераторов постоянного тока

Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением.

Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 1, а). Ток в цепи возбуждения I_в может изменяться в широких пределах с помощью переменного резистора R_a. Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в номинальном режиме составляет 1-5 % номинальной мощности якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности, которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.

У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от собственного якоря. В зависимости от способа ее включения генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

С хема соединения генератора параллельного возбуждения показана на рис. 1,б. Переменный резистор R_B дает возможность изменять ток возбуждения I_в и, следовательно, выходное напряжение. Ток якоря I_a у этого генератора равен I_a = I + I_в, где I - ток нагрузки. Ток возбуждения относительно мал и для номинального режима составляет 1-5 % номинального тока машины.

У генератора последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с якорем и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: I_в = I_a =I (рис. 1, в).

У генераторов смешанного возбуждения (рис. 1, г) на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с якорем, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения включается последовательно с якорем. Ток якоря такого генератора равен I_a = I + I_в.

У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (МДС этих обмоток направлены одинаково) и встречно (их МДС направлены противоположно). В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой. Генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения иногда называют соответственно генераторами шунтового, сериесного и компаундного возбуждения.

Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2, параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2, последовательной обмотки возбуждения С1-С2, обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2, компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало, а 2 - конец обмотки.

Характеристики генераторов

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристика холостого хода; нагрузочная, внешняя и регулировочная характеристики.

Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря. Они могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Характеристики генераторов независимого возбуждения

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока I_в обмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор R_в. Ток в цепи якоря I_а регулируется переменным резистором R_нг.

Пределы измерения амперметра и вольтметра в цепи якоря следует выбирать, исходя из номинальных значений тока I_ном и напряжения U_ном, которые указываются на табличке машины, прикрепленной к ее станине. Амперметр в цепи обмотки возбуждения выбирается на ток, равный 1-5 % I_ном.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения I_в при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток I_а=0). В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении, а затем в другом эта зависимость, построенная в четырех квадрантах, имеет вид петли, показанной на рис. 3. Несовпадение кривых, полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения, объясняется наличием гистерезиса в стали, из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рис. 3 показана штриховой линией). При I_в=0 в обмотке якоря наводится ЭДС E_ост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение E_ост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Д ля практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая ток I_в от максимального значения до нуля (рис.4).

 Продолжая полученную кривую 1 до пересечения с осью абсцисс в точке А, а затем передвигая ее параллельно самой себе вправо на расстояние ОА, получаем расчетную характеристику холостого хода 2. При снятии характеристики холостого хода следует обращать внимание на то, чтобы ток возбуждения изменялся в одном направлении (или только увеличивался, или только уменьшался), так как в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того, эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.

Нагрузочная характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах машины U от тока возбуждения I_в при условии, что ток в цепи-якоря I_а поддерживается неизменным. Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость этой реакции от насыщения магнитной цепи машины и тока якоря.

М ожно снять ряд нагрузочных характеристик для различных значений тока I_а. Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что I_а = I_ном. Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику удобно построить на одном графике с нисходящей характеристикой холостого хода (рис. 5). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_а = 0 (кривая 1 на рис. 5).

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток и ЭДС машины (кривая 2 на рис. 5).

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на магнитный поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря I_aR_a, получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток I_а равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика). Эта зависимость обычно располагается ниже характеристики холостого хода.

Для получения одной и той же ЭДС Е' при холостом ходе требуется ток возбуждения I_в1, а при нагрузке - ток I_в2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего "действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

В общем случае разность I_в2 - I_в1  пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F_в,qd и продольной МДС якоря F_d. Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

I_в2 - I_в1 ≈ F_в,qd /ω_в= I_в,qd.,

где ω_в - число витков катушки обмотки возбуждения.

Соединяя между собой точки а, b и с, получаем треугольник, носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен I_в,qd, а вертикальный ab равен I_aR_a. Характеристический треугольник используется для построения других характеристик машины. При этом приближенно принимается, что оба его катета изменяются пропорционально току I_a.. Более точную зависимость I_в,qd от тока I_a можно получить, если снять серию нагрузочных характеристик при различных токах I_a, а затем для каждой из них при I_в = const определить I_в,qd.

Если построить характеристические треугольники при различных токах I_в, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / I_в,qd. При уменьшении насыщения (уменьшении тока I_a) размагничивающее действие поперечной реакции якоря (катет bc) уменьшается.

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока Нагрузки I=I_а, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U=f(I) снимается при I_в ==const.

Исходной точкой для снятия внешней характеристики является точка, когда при номинальном токе нагрузки I=I_ном на выходах генератора установлено номинальное напряжение U_ном (рис. 6). Напряжение меняют, регулируя ток возбуждения I_в, а ток I меняют, регулируя сопротивление резистора R_нг (рис. 1,а).

Ток возбуждения, соответствующий U=U_ном при I=I_ном, называется номинальным током возбуждения I_в,ном. В процессе снятия внешней характеристики этот ток поддерживается постоянным. Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение генератора при этом увеличивается, так как при уменьшении тока I_а уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе U=U₀ (рис. 6).

По внешней характеристике определяют изменение напряжения ΔU Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:

ΔU %=( (U₀.- U_ном )/U_ном)*100,

Изменение напряжения ΔU для генераторов независимого возбуждения составляет 10-15 %• На рис. 7. Показана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения при изменении нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания. Ток короткого замыкания I_k у таких генераторов составляет 5-10I_ном.

Регулировочная характеристика. Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при I_в=const напряжение на выводах  генератора с изменением нагрузки не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным, необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения с целью сохранения постоянства напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость I_в = f(I) при U=U_ном=const. Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения I_в необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.

Сравнение характеристик генераторов

Если у одного и того же генератора снять внешние и регулировочные характеристики при различных схемах включения его обмоток возбуждения, то полученные характеристики будут располагаться относительно друг друга так, как показано на рис. 18 и 19.

Наибольшее изменение напряжения будет у генераторов смешанного возбуждения при встречном включении обмоток, а наименьшее - у генераторов смешанного возбуждения при согласном включении обмоток.

Генераторы смешанного возбуждения при согласном включении обмоток и параллельного возбуждения применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока.

Г енераторы смешанного возбуждения предпочитают применять в тех случаях, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, так как они могут обеспечить автоматическое поддержание напряжения. Генераторы независимого возбуждения применяются тогда, когда требуется в широких пределах менять напряжение. В частности, они находят применение в электроприводах для питания одиночных двигателей с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

Двигатели постоянного тока

Устройство, принцип действия

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.



Рисунок 1 – Машина постоянного тока:

I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник



Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока:

а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник

В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.

Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Р исунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.

Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде "ласточкина хвоста", которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность "ласточкина хвоста", при втором — на "ласточкин хвост" и конец пластины.

Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.

В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются "петушками".

В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.

Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.

Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа.

Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.

В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.

Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.

Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Р исунок 4 – Щетки:

а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник

Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты.

Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.

В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.