|
|
Условные положительные направления эдс, токов, напряжений
№37 Устройство машины постоянного тока.Способы возбуждения. Принципы работы и характеристики двигателей постоянного тока.
Устройство машин постоянного тока
В принципе одна и та же машина постоянного тока может работать и как двигатель, и как генератор. Такое свойство машины постоянного тока, так называемое обратимость, предоставляет нам возможность не подвергать рассмотрению отдельно устройство генератора или двигателя. Тем не менее, всякую электрическую машину завод выпускает для обусловленного, определённого назначения – это функционировать только в качестве двигателя или только в качестве генератора. Лишь иногда применяют машины постоянного тока, подготовленные для работы, как двигателем, так и генератором.
Генераторы постоянного тока используют, когда требуется независимый источник тока, к примеру, для питания отдельных видов электромагнитов, электролизных ванн, электромагнитных муфт, электродвигателей, сварочных установок и т.п. В случаях, когда требуется плавная регулировка скорости, используют электродвигатели постоянного тока, например в электровозах, троллейбусах, некоторых типах подъемных кранов, в устройствах автоматики.
Статор машины постоянного тока состоит из сердечника и станины. Производят станину из малоуглеродистой стали, имеющей большую магнитную проницаемость. Благодаря этому станина служит и магнитопроводом. В то же время она является основной деталью, объединяющей другие детали и сборочные единицы (узлы) машины в одно целое.
Изнутри на болтах к станине крепят полюсы, состоящие из полюсного наконечника, сердечника и катушки. Плюсы делятся на главные и дополнительные. Для возбуждения магнитного поля служат главные полюсы; отчего обмотку их катушек именуют обмоткой возбуждения. В машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливают дополнительные полюсы для улучшения работы машины; соединяют обмотку дополнительных полюсов последовательно с обмоткой ротора.
Ротор машины постоянного тока состоит из сердечника и обмотки. Из топких листов электротехнической стали набирают сердечник якоря, которые в свою очередь изолированы друг от друга лаковым покрытием, тем самым снижая потери на вихревые токи. Обмотку якоря укладывают в пазы сердечника. А в сердечнике якоря производят вентиляционные каналы. В машине постоянного тока устанавливают коллектор, для того чтобы ток проходил в одном и том же направлении от обмотки якоря во внешнюю цепь (в генераторе) или из внешней цепи к обмотке якоря (в двигателе). Набирание коллектора происходит из медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. К нескольким или одному виткам обмотки якоря присоединяют каждую пластину коллектора.
Коллектор и сердечник якоря закрепляют на одном и том же валу. Благодаря этому, коллектор играет роль устройства, конструктивно объединенное с якорем (ротором) электрической машины и являющееся механическим преобразователем частоты.
Токосъемные щетки скользят по составляющим коллектора, присоединенным к виткам обмотки якоря пластинам, изолированным друг от друга. Сквозь эти щетки обмотка якоря и коллектор подсоединяется к внешней электрической цепи. Щетки устанавливают в обоймы щеткодержателя, а также прижимают пружинами к коллектору. На момент работы машины щетки скользят по коллектору. Щеткодержатели же в своё время крепят в траверсе.
СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Возбуждение - это понятие, связанное с созданием основного магнитного поля машины. В машинах с электромагнитным возбуждением основное поле создается обмотками возбуждения. Имеются конструкции, в которых возбуждение создается постоянными магнитами, размещенными на статоре.
Различают четыре схемы включения статорных обмоток: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 7.2.1).
Изображения под пунктами б, в, г на рис. 7.2.1, называются схемами с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения происходит за счет остаточной намагниченности полюсов и станины. При вращении якоря в этом, небольшом по величине, магнитном поле (ФОСТ = 0,02 0,03 ФО) индуцируется ЭДС - ЕОСТ.
Поскольку обмотка возбуждения подключена через щетки к якорю, то в ней будет протекать ток. Этот ток усилит магнитное поде полюсов и приведет к увеличению ЭДС якоря. Большая ЭДС вновь увеличит ток возбуждения и произойдет нарастание магнитного потока до полного намагничивания машины.
11.2. Принцип действия машины постоянного тока
Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.11.2,
где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 11.2
|
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.
На рис.11.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 11.3)
Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 11.3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 11.4 представлена схема замещения якорной обмотки.
В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.
Рис. 11.4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф где Се - константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.
Типы и характеристики машин постоянного тока
Внешней характеристикой называют характеристику генератора, выражающую зависимость между напряжением на его зажимах и силой тока в обмотке якоря. Как стабильные, так и регулируемые напряжения можно получать в зависимости от способа возбуждения генератора. От частоты вращения вращающего момента и вращающего момента от силы тока в обмотке якоря также выражают зависимость характеристики двигателей постоянного тока. Крайнюю именуют механической характеристикой двигателя. Данные характеристики представляют, что в зависимости от способа питания обмотки возбуждения возможно в обширных пределах регулировать как частоту вращения двигателя постоянного тока, так и значение вращающего момента.
Специальные машины постоянного тока
Необходимость в специальных машинах постоянного тока появилась в основном с автоматизацией производства, а также развитием электрифицированного транспорта. Разделом выше говорилось о генараторных датчиках – микромашинах постоянного тока, используемых в преобразовании частоты вращения вала двигателя в электрический сигнал. Эту микромашину, встроенную в тахометр, независимою возбуждением, называют тахогенератором. Исполнительные двигатели используют в системах автоматического управления и регулирования. Они необходимы в преобразовании электрического сигнала в механическое перемещение. Мощность таких исполнительных двигателей, как правило, бывает 500-600 Вт. Они обязаны соответствовать таким требованиям, как высокая надежность, быстродействие, точность регулирования частоты вращения.
С печатной обмоткой якоря применяют двигатели постоянного тока в качестве исполнительных двигателей. Из текстолита, стекла или же другого немагнитного материала в виде тонкого диска производят якорь, на обе стороны которого наносят печатным способом проводники обмотки якоря. Постоянными магнитами образуется магнитное поле статора и усиливается при помощи кольца из ферромагнитного материала. В последние время используют машины постоянного тока с гладким якорем. У такого якоря обмотка размещена не в пазах, а прямо на сердечнике. Такие машины располагают улучшенными характеристиками, что в свою очередь обеспечивается повышенной магнитной индукцией в воздушном зазоре между якорем и статором и меньшей индуктивностью обмотки самого якоря.
Как правило, в автоматических системах необходимо усилить электрические сигналы. Часто с этой целью используют усилители, в которых энергия преобразуется при помощи транзисторов. Также распространены усилители – ЭМУ. ЭМУ представляет собой машину постоянного тока, которой на обмотку возбуждения может подаваться сигнал, подлежащий усилению. За счет употребления энергии первичного двигателя, достигается усиление. При помощи ЭМУ усиление мощности сигнала достигается в 104 – 105 раз. Конструкция электромашинного усилителя довольно таки сложная, а в объяснении принципа его работы необходимо обладать специальными знаниями. Отчего мы не станем рассматривать здесь эти вопросы.
Тяговые электрические двигатели используют в различных видах электрифицированного транспорта. Часто это двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Тем не менее, условия их работы различаются от условий работы электрических двигателей, применяемых в установках стационарного типа. Тяговые двигатели действуют в условиях нередкого пуска, резких изменений силы тока, напряжения, частоты вращения. Таким образом, тяговые двигатели соответственно обязаны располагать большим пусковым крутящим моментом (это обеспечивается благодаря последовательному возбуждению) и возможностью регулирования в обширных мерах частоты вращения. Это всё определяет специфики конструкции тяговых двигателей в различие от электрических машин общего назначения.
|
№38 Регулирование частоты ращения двигателя постоянного тока
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока.
Двигатели постоянного тока получили широкое распространение и часто являются незаменимыми благодаря ценному свойству - возможности плавно и экономично регулировать частоту вращения в широких пределах.
Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:n = (U - I(Rя - Rc))/СФ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для двигателя параллельного возбуждения Rс = 0).
Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.
Для регулирования частоты вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используют регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем.
В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается кпд двигателя.
Регулируют частоту вращения якоря двигателя изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения.
В двигателях параллельного и смешанного возбуждения для изменения тока включают регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением.
Последний способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.
|
Вопрос №39
Понятие о генераторах постоянного тока. Паспортные данные машин постоянного тока.
Генераторы постоянного тока представляют собой обычные индукционные генераторы, снабженные особым приспособлением — так называемым коллектором,— дающим возможность превратить переменное напряжение на зажимах (щетках) машины в постоянное.
Гененатор постоянного тока (ГПТ) предназначен для преобразования механической энергии приводного двигателя в электрическую.
При вращении якоря генератора в магнитном поле, созданном обмоткой возбуждения, в обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа.
При подключении к генератору нагрузки под действием ЭДС Еа в цепи якоря возникает ток Iа, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжения для цепи якоря генератора:
|
U = Еа -Iа·Rа,
|
(1)
|
где
|
Rа= rа+ rд+ rк.о+ rс+ rщ – сопротивление цепи якоря;
|
|
где
|
rа – сопротивление обмотки якоря;
|
|
|
rд – сопротивление обмотки добавочных полюсов;
|
|
|
rк.о – сопротивление компенсационной обмотки;
|
|
|
rс – сопротивление последовательной обмотки возбуждения;
|
|
|
rщ – сопротивление переходного щеточного контакта.
|
|
Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1.
Рисунок 46 Моменты, действующие в генераторе постоянного тока
Механическая мощность приводного двигателя Р1, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р2, отдаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р0 + Рэа + Рэв).
При увеличении электрической нагрузки на генератор ток якоря увеличивается, так как потребители подключаются к сети параллельно и при этом сопротивление нагрузки уменьшается, а ток, следовательно, увеличивается.
Рассмотрим основные характеристики ГПТ при n=const.
а) Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на выводах генератора в режиме х.х. от тока возбуждения.
U0 = f(Iв) при I = 0 и n = const.
б) Нагрузочная характеристика - зависимость напряжения на выводах генератора при работе под нагрузкой от тока возбуждения.
U = f(Iв) при I ≠ 0 и n = const.
в) Внешняя характеристика - зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки.
U = f(I) при rрг = const и n = const,
где rрг – регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
г) Регулировочная характеристика - зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выводах генератора.
Iв = f(I) при U = const и n = const.
Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов.
Выпускаемые двигатели должны соответствовать паспортным данным. Они проходят специальные испытания:
измерение сопротивления обмоток при постоянном токе; сопротивление не должно отличаться более чем на ±10% от номинального;
измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками;
испытание изоляции обмоток относительно корпуса и между обмоток повышенным напряжением — обычно испытательное напряжение (Уисп=2(/Ном+ + 1000 В;
испытание при повышенной частоте вращения, которая должна быть на 20% больше максимальной, указанной в паспорте, или на 20% больше номинальной, если максимальная частота вращения не указана; исключение составляют двигатели с последовательным возбуждением, испытательная частота вращения которых должка не менее чем на 50% превышать номинальную (если максимальная не указана);
проверка номинальных данных машины: частоты вращения, напряжения холостого хода и т. д.;
проверка коммутации при номинальной нагрузке и при кратковременной перегрузке по току в 1,5 раза в течение 1 мин.
Могут проводиться и дополнительные испытания, которые предусмотрены ГОСТом и специальными техническими условиями.
Типоразмер двигателя
|
P ном,кВт
|
U ном, В
|
n, об/мин
|
КПД, %
|
Момент инерции,кг*м2
|
номинальная
|
максимальная
|
| | | |
|
|
Скачать 1.24 Mb.