Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Назначение коллектора. Пульсацию тока можно уменьшить путем увеличения числа коллекторных пластин (вместо двух полуколец), соответственно увеличив число витков якоря, которые разделяются на отдельные части – секции. Расположим на якоре четыре катушки, сдвинутые на 900 друг относительно друга, и соединим их между собой последовательно (рис.120 а). Число коллекторных пластин также увеличим до четырех. Направление индуктированной эдс в катушках определяем по правилу правой руки. а б Рис.120 На рис. 120 б показаны кривые эдс катушек 1 и 2 . так как катушки сдвинуты в пространстве на 900, то кривые эдс также сдвинуты по фазе на 900. Кривые эдс у катушек 3 и 4 имеют тот же характер, что и у катушек 1 и 2, с той лишь разницей, что эдс катушек 1 и 3, с одной стороны, и катушек 2 и 4, с другой, равны по величине, но противоположны по направлению. Поэтому для выяснения вопроса ограничимся рассмотрением кривых эдс катушек 1 и 2. Поскольку катушки соединены между собой последовательно, то мгновенная величина эдс еобщ, создаваемая двумя катушками, равна сумме мгновенных значений эдс каждой катушки. На рис.121 а показано сложение мгновенных значений обоих катушек. Кривая суммарной эдс имеет меньшую а б Рис.121 пульсацию, чем кривые эдс отдельных катушек. Суммарная эдс катушек, находящихся под другим полюсом, имеет ту же величину, но противоположна по направлению суммарной эдс верхних катушек. Обе эдс включены параллельно по отношению к щеткам генератора. Восемь катушек, размещенных на якоре, при сложении их мгновенных эдс дадут, как показано на рис.121б, суммарную эдс еобщ, пульсации которой будут еще меньше, чем в предыдущем случае. Таким образом, размещая на якоре большое число проводников, увеличивая соответственно число коллекторных пластин, можно получить от генератора эдс, пульсации которой станут так незначительны, что ток, практически можно считать постоянным. Так, например, уже при 16 катушках на якоре колебания эдс будут менее одного процента. В современных машинах число катушек на якоре бывает свыше ста. Итак, коллектор в генераторах постоянного тока служит для преобразования переменной эдс, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную эдс на щетках генератора. В зависимости от способа создания магнитного поля генераторы постоянного тока делятся на три группы: 1) генераторы с постоянными магнитами, или магнитоэлектрические; 2) генераторы с независимым возбуждением; 3) генераторы с самовозбуждением. Магнитоэлектрические генераторы состоят из одного или нескольких подковообразных постоянных магнитов, в поле которых вращается якорь с обмоткой. Ввиду малой вырабатываемой мощности генераторы этого типа для промышленных целей употребляются в малой степени. У генераторов с независимым возбуждением обмотка полюсов питается от постороннего, не связанного с генератором, источника постоянного напряжения (аккумуляторы, выпрямители и др.) Питание обмотки возбуждения полюсов генератора с самовозбуждением осуществляется со щеток якоря самой машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем. При отсутствии тока в обмотке возбуждения якорь генератора вращается в слабом магнитном поле остаточного магнетизма полюсов. Незначительная эдс, индуктируемая в обмотке якоря в этот момент, посылает слабый ток в обмотку возбуждения. Магнитное поле полюсов увеличивается, отчего эдс в проводниках якоря также увеличивается, что, в свою очередь, вызывает увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока в обмотке возбуждения не установится ток, соответствующий величине сопротивления цепи возбуждения. Самовозбуждение машины может произойти лишь в том случае, если ток, протекающий по обмотке полюсов, будет создавать магнитное поле, усиливающее поле остаточного магнетизма, и если, кроме того, сопротивление в цепи возбуждения не превышает некоторой определенной величины. Генераторы с самовозбуждением, в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря, делятся на три типа:
В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря генератор обладает своими особенностями, своими присущими только ему свойствами.
Схема генератора этого типа дана на рис. а. Ток возбуждения, подаваемый от постороннего источника напряжения, не зависит от условий работы самого генератора. Реостат в цепи возбуждения позволяет менять величину тока возбуждения, что приводит к изменению магнитного потока машины, а это, в свою очередь, ведет к изменению эдс или напряжения генератора. а б Рис.122 Обмотка возбуждения состоит из большого числа витков медной изолированной проволоки. При постоянном числе оборотов якоря и отсутствии нагрузки генератора ( холостом ходе) эдс машины зависит только от тока возбуждения. Изменяя сопротивление цепи возбуждения, замечая показания амперметра в цепи возбуждения и вольтметра, подключенного к щеткам генератора, можно установить зависимость между эдс генератора и током возбуждения при холостом ходе (рис.122). При первом намагничивании генератора и при отсутствии тока возбуждения (iB =0) вольтметр машины покажет нуль при любом числе оборотов якоря. Увеличение тока возбуждения будет сопровождаться вначале пропорциональным увеличением эдс генератора. Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но дальнейшее увеличение тока возбуждения вызовет магнитное насыщение машины, отчего кривая приобретает изгиб. Если теперь уменьшать ток возбуждения, то можно заметить, что при тех же самых значениях тока возбуждения эдс генератора будет иметь большие значения, чем при намагничивании, и кривая размагничивания пройдет несколько выше, чем кривая намагничивания. Это объясняется явлением гистерезиса. При уменьшении тока возбуждения до нуля генератор за счет остаточного магнетизма будет иметь некоторую эдс. Большое практическое значение имеет внешняя характеристика при неизменных n и Iв, т.е. Рис.123 Снятие внешней характеристики имеет целью определить изменения напряжения, происходящие в генераторе в результате изменения нагрузки. Уменьшение напряжения на зажимах генератора с увеличением нагрузки вызывается увеличением реакции якоря и увеличением падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря, так как (10-1) Напряжение на зажимах генератора можно поддерживать постоянным при изменении нагрузки путем регулирования тока возбуждения при помощи регулировочного реостата.
На рис.124 а дана схема соединения генератора с параллельным возбуждением. Обмотка возбуждения параллельно включена обмотке якоря. Ток, проходящий по обмотке якоря во время работы генератора от положительной щетки растекается по двум параллельным ветвям: а б Рис.124 внешней цепи и обмотке возбуждения. Ток цепи I и ток возбуждения i, притекая к отрицательной щетке, в сумме своей равны току якоря. . (10-2) Полезная мощность генератора характеризуется величиной тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому ток возбуждения должен быть по возможности малым. Обычно ток возбуждения составляет 2-5% от номинального тока якоря. Поэтому обмотка возбуждения изготавливается из большого числа витков тонкой медной проволоки. При нагрузке генератора с параллельным возбуждением напряжение на выходе меняется в зависимости от тока нагрузки по трем причинам:
Этого не было у генератора с независимым возбуждением, так как обмотка возбуждения питалась от независимого источника постоянного напряжения. Внешняя характеристика генератора изображена на рис.124 б. Верхняя кривая представляет внешнюю характеристику генератора с независимым возбуждением. При работе генератора с параллельным возбуждением понижение напряжения будет больше, чем в случае независимого возбуждения, т.к. напряжение снижается как из-за реакции якоря и увеличения падения напряжения в сопротивлении якоря, так и вследствие уменьшения тока возбуждения. Влияние последнего фактора особенно резко проявляется при больших нагрузках, т.е. при малых внешних сопротивлениях. При уменьшении внешнего сопротивления до некоторого определенного значения дальнейшее его уменьшение влечет за собой уже не увеличение тока нагрузки, а его уменьшение. Наибольший возможный ток генератора с параллельным возбуждением называется критическим током. Если при критическом токе уменьшить сопротивление внешней цепи, то в первый момент ток в якоре возрастает; это вызовет возрастание реакции якоря и падения напряжения в его сопротивлении и, следовательно, понижение напряжения на его зажимах, которое еще больше уменьшится вследствие обусловленного им уменьшения тока возбуждения. В результате установится режим работы, при котором напряжение снижается в большей степени, чем уменьшается внешнее сопротивление, что приводит к уменьшению нагрузочного тока. В частности, когда сопротивление внешней цепи равно нулю, т.е. при коротком замыкании, ток возбуждения равен, очевидно, также нулю и ток якоря будет равен: (10-3) Следовательно, ток короткого замыкания генератора обуславливается только остаточным магнетизмом машины и для нее не опасен.
Схема генератора с последовательным возбуждением дана на рис.125 а. Как видно из схемы, а б Рис.125 обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Внешняя характеристика генератора изображена на рис.125 б. Ток в якоре и обмотке возбуждения, включенных последовательно, один и тот же, благодаря чему с ростом нагрузки растут как эдс, так и напряжение генератора. Однако напряжение будет увеличиваться до известного предела. При больших нагрузках как из-за насыщения магнитной системы машины, так и вследствие реакции якоря рост эдс почти прекращается, в то время как падение напряжения в якоре становится все больше и больше. Поэтому при дальнейшем увеличении нагрузочного тока напряжение снова уменьшается. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением показывает, что с изменением тока нагрузки напряжение машины резко изменяется. Поэтому генераторы этого типа на практике применяются редко.
На рис.126 а приведена схема соединения генератора со смешанным возбуждением. Параллельная обмотка возбуждения его присоединена параллельно приемнику энергии; последовательная обмотка возбуждения включается последовательно в цепь якоря. а б Рис.126 Обладая двумя обмотками на своих полюсах, генератор этого типа объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением. Если напряжение у генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки уменьшается, а у генератора с последовательным возбуждением увеличивается, то, подбирая число витков параллельной и последовательной обмоток генератора со смешанным возбуждением, можно добиться того, что напряжение машины с нагрузкой меняться не будет. Внешняя характеристика такого генератора представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (рис.126 б). Следует иметь в виду, что с изменением тока нагрузки будет изменяться величина падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Поэтому даже при постоянном напряжении генератора напряжение у потребителя будет изменяться. Во избежание этого число витков последовательной обмотки подбирают таким, чтобы магнитное поле, созданное этой обмоткой, не только компенсировало падение напряжения, вызванное действием реакции якоря и падением напряжения в обмотках машины, но было бы несколько большим. В этом случае напряжение генератора с нагрузкой будет несколько увеличиваться, что даст возможность скомпенсировать падение напряжения в подводящих проводах. Поэтому напряжение у потребителя будет практически постоянным. Генераторы со смешанным возбуждением получили широкое распространение особенно там, где требуется сохранить постоянство напряжения при резко или часто изменяющейся нагрузке.
Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т.е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется обратимостью. Несмотря на то, что существуют более простые по устройству и удобные в эксплуатации двигатели переменного тока, большое применение на практике имеют и двигатели постоянного тока. Основное преимущество этих двигателей – широкая регулировка оборотов – дает возможность применять двигатели постоянного тока на электрифицированном транспорте, в грузоподъемных механизмах, горной технике, в различных схемах автоматического регулирования и управления и т.д. Так тяговые двигатели трамваев имеют мощности до 60кВт, напряжение до 550В, скорости 560-700 об/мин. В электровозах применяются двигатели до 450кВт, 750В. Для привода прокатных станов используются двигатели постоянного тока мощностью до 5000кВт. Устройство электрических двигателей такое же, как у генераторов. Принцип действия основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов (рис.127 а). Вращающий момент двигателя Ф, (10-4) где коэффициент пропорциональности, ток якоря, Ф – магнитный поток. При постоянной скорости вращения момент, развиваемый двигателем, равен тормозящему моменту, приложенному к валу двигателя: Мощность, потребляемая двигателем от сети, больше мощности на вале на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на вихревые токи и гистерезис, потерь мощности на нагрев обмоток. Кпд электрического двигателя с изменением нагрузки так же изменяется. Перемена направления вращения может быть произведена путем изменения направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке полюсов. Двигатель, у которого одновременно изменено направление тока, как в обмотке якоря, так и в обмотке полюсов, будет вращаться в ту же сторону, что и прежде. При вращении якоря электродвигателя его обмотка пересекает магнитное поле. Поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает эдс индукции. Как видно из рис. 127 б, направление эдс, индуктируемой в проводнике, определяемое по правилу правой руки, будет противоположно напряжению сети, откуда она и получила название протовоэдс. Ток в обмотке якоря при работе двигателя: (10-5) где напряжение сети, величина противоэдс, сопротивление обмотки якоря. а б Рис.127 Величина противоэдс (10-6) где с – коэффициент пропорциональности, число оборотов двигателя, Ф – величина магнитного потока. Из этого соотношения следует . (10-7) Так как очень мало (вследствие малого сопротивления обмотки), то приближенно можно записать: (10-8) Из последнего выражения видно, что число оборотов двигателя постоянного тока пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально магнитному потоку. Изменяя напряжение, подводимое к двигателю, а также изменяя ток возбуждения при помощи регулировочного реостата, включенного в цепь возбуждения, можно изменять число оборотов двигателя. Двигатель с параллельным возбуждением. На рис. 128 представлена схема двигателя с параллельным возбуждением. Так как обмотка возбуждения включена параллельно в сеть, то при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжении сети магнитный поток Ф двигателя должен быть постоянным. а б в Рис.128 Число оборотов двигателя постоянного тока зависят только от величин напряжения сети и магнитного потока, и поскольку оба они постоянны, то и число оборотов двигателя с параллельным возбуждением не должно изменяться с изменением нагрузки. Однако из формулы (10-9) видно, что величина противоэдс двигателя уменьшается с увеличением тока якоря, отчего число оборотов также уменьшается. Кроме того, с увеличением нагрузки реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению числа оборотов. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было скомпенсировано реакцией якоря. Отсюда характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является практически неизменная скорость вращения при различных нагрузках на его валу. Регулирование скорости вращения ротора в двигателях обычно производится путем изменения магнитного потока, с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения. Двигатели с параллельным возбуждением применяются в сетях постоянного тока для привода станков, насосов, вентиляторов, ткацких машин, прокатных станов, шахтных подъемниках, требующих постоянной скорости вращения или широкой регулировки скорости. |