лекция по электротехнике. ЭиЭ_лек1.5_ТимченкоЕС_11002017. Тема 5 Машины постоянного тока

• Название: Тема 5 Машины постоянного тока
• Анкор: лекция по электротехнике
• Дата: 01.11.2022
• Размер: 87.44 Kb.
• Имя файла: ЭиЭ_лек1.5_ТимченкоЕС_11002017.docx
• Тип: Документы; #766127

Тимченко Екатерины Сергеевны

гр. 11002017

Тема 1.5 Машины постоянного тока

1.1 Понятие и строение машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока находят широкое применение на транспорте, в металлургии, в электрохимии, в сварочном производстве. Для нужд народного хозяйства изготавливаются машины мощностью от сотен кВт до долей ватта.

Основным свойством машин постоянного тока является их обратимость, т.е. возможность использования машины одной конструкции как в качестве генератора, так и в качестве двигателя.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют преимущества перед другими в части обеспечения нужных характеристик электрического привода: большой пусковой момент, плавный пуск, большой диапазон регулирования скорости.

В электронных системах управления ДПТ широко используются в качестве сервоприводов в различных электромеханических устройствах и системах автоматизации.

Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока похожи на таковые для асинхронного двигателя переменного тока, так как в обоих случаях используется закон электромагнитной индукции и силовое взаимодействие магнитного поля и проводника с током.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: статора и ротора, причём эти части в машинах постоянного тока часто называют соответственно станиной и якорем (рис. 1):



Рис. 1 Схематичный поперечный разрез машины постоянного тока (а) и условное изображение машины в электрической схеме (б):

1– станина (статор); 2 – ротор (якорь); 3 – обмотка возбуждения; 4 – полюсные наконечники электромагнитов статора; 5 – неподвижный щёточный узел с электрическими проводниками; 6 – вал якоря

В машине постоянного тока магнитное поле неподвижно и возбуждается либо постоянными магнитами, либо электромагнитами постоянного тока с помощью обмотки возбуждения, размещённой на полюсных наконечниках.

В реальных машинах помимо основных полюсов обычно имеются дополнительные, обеспечивающие улучшение работы машины в переходных режимах.

Самым сложным узлом машины постоянного тока является якорь, так как на нём размещается основная обмотка, в которую необходимо подавать (для двигателя) или с неё снимать (для генератора) относительно большие токи при её вращении. Этот процесс осуществляется с помощью специфического для машины постоянного тока устройства, называемого коллектором, и щёточного узла. Схематичное изображение якоря показано на рис. 2:



Рис. 2 Схематичное изображение якоря машины постоянного тока,

где 1– вал якоря; 2 – коллектор; 3 – тело якоря с обмоткой.

Коллектор представляет собой пакет нескольких десятков медных клинообразных пластин, изолированных слюдяными прокладками и закреплённых по окружности вала якоря.

Коллектор вращается вместе с валом, причём каждая пластина коллектора одним концом с помощью проводников соединяется с витками якорной обмотки, размещённой в пазах тела якоря.

Медно-графитовые щётки обеспечивают электрическую связь внешней цепи с вращающейся обмоткой якоря через скользящие контакты, образованные поверхностями медных пластин коллектора и контактной частью щёток.

1.2 Принцип действия двигателя постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 3:



Рис. 3 Схема включения двигателя постоянного тока

РМ – рабочий механизм, приводимый в движение электрическим двигателем.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к источнику постоянного напряжения U_в. Постоянный ток обмотки возбуждения I_в создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Ф_в. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря двигателя постоянного тока.

Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря I_я. Через скользящий щеточный контакт ток якоря подается в его обмотку таким образом, что его направление в проводниках, расположенных в зоне одного полюса, оказывается всегда постоянным. В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила. Направление действия силы определяется правилом левой руки.

Направление тока в проводниках обмотки якоря определяется полярностью подключения ее к источнику постоянного напряжения.

Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить полярность подключения обмотки якоря или обмотки возбуждения. При вращении якоря ДПТ проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле возбуждения. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. В двигателе эта ЭДС направлена противоположно току и напряжению якоря и компенсирует приложенное напряжение.

1.3 Принцип действия генератора постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 4:



Рис. 4 Схема включения генератора постоянного ток

Д – приводной двигатель, вращающий вал генератора.

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключена к источнику постоянного напряжения U_в также, как в ДПТ. Постоянный ток обмотки возбуждения создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Ф_в. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря генератора постоянного тока.

Якорь генератора вращается приводным двигателем Д с частотой вращения n. Проводники обмотки якоря, вращаясь вместе с ним движутся в магнитном поле возбуждения. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закона электромагнитной индукции в таких проводниках индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки.

Конструкция обмотки якоря такова, что все ее проводники соединены последовательно. На зажимах обмотки якоря генератора создается напряжение U. Если к зажимам обмотки якоря генератора присоединить приемник электрической энергии с сопротивлением R_п, то образуется электрическая цепь, в которой под действием напряжения U возникает ток I_Я, который замыкается в приемнике

Таким образом, генератор постоянного тока, потребляя от приводного двигателя механическую энергию, отдает электрическую энергию электроприемникам во внешнюю электрическую цепь, т.е. преобразует механическую энергию в электрическую.

1.4 Способы возбуждения машин постоянного тока

Существуют четыре способа возбуждения машин постоянного тока:

• 
  независимое;
  
• 
  параллельное;
  
• 
  последовательное;
  
• 
  смешанное возбуждение (рис 5).
  

Рис. 5 Способы возбуждения машин постоянного тока, где

А – независимое, Б – параллельное, В – последовательное, Г – смешанное.

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от независимого источника с напряжением U_в. Ток приемника электроэнергии, подключенного к генератору, равен току якоря I_Я.

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена к зажимам якоря. Ток возбуждения определяется напряжением на зажимах генератора и равен:



В генераторе с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря. При этом токи якоря, возбуждения и приемника равны между собой.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

1.5 Разновидности машин постоянного тока

В связи с быстрым развитием полупроводниковой техники роль машин постоянного тока как источников электроэнергии несколько снизилась.

Машины постоянно тока находят применение в качестве источников питания регулируемых электроприводов постоянного тока (приводы прокатных станов, экскаваторов, подъемно-транспортных машин), электролизных и гальванических установок в металлургии и химии. Во многих случаях генераторы постоянного тока используются в качестве возбудителей синхронных машин для питания их обмоток возбуждения. Широко распространены генераторы постоянного тока как источники электрической энергии в автономных транспортных средствах, судах и летательных аппаратах.

Распространение двигателей постоянного тока обусловлено возможностью глубокого и плавного регулирования частоты вращения и получения желаемых механических характеристик, возможностью работы при низкой частоте вращения с достаточно высоким к.п.д., а также большим пусковым моментом и перегрузочной способностью. Двигатель с независимым и смешанным (согласное включение) возбуждением, имеющие жесткие механические характеристики, применяются в регулируемых металлургических электроприводах, например, в приводах валков прокатных станов.

МПТ находят применение в качестве тяговых двигателей электровозов, тепловозов, трамваев, троллейбусов и т.п., где требуется большой пусковой момент для преодоления инерции больших масс при трогании и небольшой момент при движении на высоких скоростях.

МГД-двигатели используются в качестве электромагнитных насосов для перекачки жидкометаллических теплоносителей в ядерных реакторах. Плазменный МГД-двигатель рассматривается как вариант двигателя вспомогательных устройств космических кораблей.