5. Машины постоянного тока. Машины постоянного тока

• Название: Машины постоянного тока
• Анкор: 5. Машины постоянного тока.doc
• Дата: 03.11.2017
• Размер: 2.35 Mb.
• Имя файла: 5. Машины постоянного тока.doc
• Тип: Документы; #10102

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока в ряде отраслей промышленности широко используется и постоянный ток. В связи с этим находят широкое применение электрические машины постоянного тока.

Двигатели постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, которая передается через вал рабочему органу приводного механизма.

Двигатели постоянного тока обладают важными преимуществом перед другими электродвигателями: они позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения и обладают большим пусковым и перегрузочными моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении.

Двигатели постоянного тока применяются:

- в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, штамповочных машин, роботов и манипуляторов, прокатных станов металлургического производства, некоторых типов грузоподъемных механизмов;

- в тяговых электроприводах транспортных средств мощных тягачей различного назначения, трамваев, троллейбусов, тепловозов;

- в электроприводах роторов мощных снегоочистителей;

- как исполнительные элементы автоматических систем управления технологическими процессами и производственными установками.

Конструкция машин постоянного тока

Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.

Р
ис. 5.1 - Общий вид двигателя постоянного тока:

1-коллектор, 2 - щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 - вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 - вал, 11-лапы

Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 5.1) являются станина 6 с закрепленными на ней главными 4 и добавочными полюсами, вращающийся якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы 11 для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.

На валу 10 двигателя расположен якорь двигателя. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7.

Якорьмашины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.

Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 1. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 2. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых - бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Обмотка якоря присоединяется к коллектору, закрепленному на валу машины. Обычно коллектор выполняется цилиндрического типа, реже торцевого. Продольный разрез цилиндрического коллектора приведен на рис. 5.2.



Рис. 5.2

1 - передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью служит щеточный аппарат. Обычно он состоит из щеточной траверсы с пальцами и щеткодержателей со щетками. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которой располагается щетка, и нажимной пружины, прижимающей щетку к коллектору. Все одноименные щетки соединяются между собой сборными шинами, которые выводятся на зажимы машины, как концы обмотки якоря. Обмотка якоря впаивается непосредственно в выступающие части коллекторных пластин или при помощи специальных соединительных проводников (петушков), если разница в диаметрах коллектора и якоря велика.

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.

Клеммы на щитке коробки маркируются: начало и конец обмотки якоря А₁ и А₂; параллельной обмотки возбуждения – Е₁ и Е₂ , обмотки дополнительных полюсов – В₁ и В₂ .
Классификация машин постоянного тока
Машины постоянного тока (двигатели и генераторы) различают по способу включения обмоток главных полюсов или возбуждения в сеть (рис. 5.3):

• 
  машины постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 5.3, а), электрическая цепь обмотки возбуждения является независимой от силовой цепи ротора; для генераторов это практический единственный вариант схемного решения;
  
• 
  машины постоянного тока с параллельным возбуждением (рис. 5.3, б), обмотка возбуждения включается параллельно с цепью якоря;
  
• 
  машины постоянного тока с последовательным возбуждением (рис. 5.3, в) обмотка статора включается последовательно с обмоткой ротора, что обуславливает зависимость магнитного потока от тока якоря; на практике такой способ возбуждения используются редко;
  
• 
  машины постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 5.3, г), присутствуют две обмотки возбуждения: параллельно и последовательно включенные с цепью якоря.
  

На рисунках сплошные стрелки показывают направления токов в режиме генератора, штриховые - в режиме двигателя.

Р
ис. 5.3
Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип действия двигателя параллельного возбуждения рассмотрим по схеме (рис. 5.4), где

N, S – главные полюса,

Ф – основной магнитный поток,

Ф_п – поперечный магнитный поток двигателя,

I_я – ток якорной цепи, I_в – ток возбуждения,

F – электромагнитные силы,

М_э – электромагнитный вращающий момент,

М_с – момент сопротивления приводного механизма,

ω – угловая частота вращения якоря,

U – напряжение источника питания двигателя,

Е
– противо-ЭДС обмотки якоря.
Рис. 5.4
К цепи обмотки возбуждения и якорной цепи подведено напряжение U от одного источника постоянного тока.

Под воздействием этого напряжения в обмотке возбуждения проходит ток I_в, создающий постоянную намагничивающую силу I_вw_в, которая возбуждает неподвижный в пространстве основной магнитный поток Ф, направление которого зависит от направления тока в обмотке возбуждения. Направление магнитного потока определяется правилом правоходового винта: вращательное движение винта направляют по току в обмотке возбуждения, тогда поступательное движение винта покажет направление магнитного потока. Полярность главных полюсов N, S зависит от направления магнитного потока..

В якорной цепи двигателя проходит ток I_я. Щетками, прижимаемыми к коллектору, обмотка якоря делится на параллельные ветви. Число пар щеток (+, – ) равно числу пар главных полюсов p.

Секция обмотки якоря укладывается в пазы сердечника якоря таким образом, чтобы ее активные проводники находились под разноименными полюсами. Поэтому, если в верхнем активном проводнике, расположенном под северным полюсом (рис. 5.4), ток направлен от переднего торца якоря к заднему (обозначен крестиком), то в нижнем проводнике этой секции, расположенном под южным полюсом, ток направлен в обратную сторону (обозначен точкой). Следовательно, во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление токов одинаково.

Н
а проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяются правилом левой руки: левая рука располагается так (рис. 5.5, б), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца направляются по току в проводнике, тогда большой палец, отогнутый на 90 градусов, покажет направление силы.

При указанном направлении тока в обмотке якоря и полярности полюсов (рис. 5.4) электромагнитные силы F, приложенные к верхним и нижним проводникам, создают электромагнитный момент, который вращает якорь в направлении против движения часовой стрелки со скоростью n, об/мин.

При вращении якоря активные проводники обмотки меняют свое расположение, переходя от одного полюса под другой, проходя через геометрическую нейтраль - линию, проведенную через щетки (рис. 5.4).

В результате воздействия магнитного поля двигателя на все проводники с током возникают электромагнитные силы, которые создают электромагнитный вращающий момент

М_вр, Н·м = C_МI_яФ,

где – конструктивная постоянная машины, зависящая от числа пар полюсов p, числа активных проводников N, числа пар параллельных ветвей а обмотки якоря.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают основной магнитный поток и в них на основании закона электромагнитной индукции индуцируется ЭДС. Ее направление определяется правилом правой руки: правая рука располагается так (рис. 5.5,а), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, большой палец, отогнутый на 90 градусов, направляется в сторону перемещения проводника, тогда четыре пальца покажут направление ЭДС.

На рис. 5.4 направление ЭДС обозначено точками и крестиками около проводников обмотки якоря. Видно, что направления этих ЭДС противоположно направлению тока в обмотке, поэтому их называют противоЭДС. Величина ЭДС

Е_я = С_ЕnФ,

где - конструктивная постоянная машины.

Ток в проводниках обмотки якоря образует магнитное поле якоря, направление которого определяется правилом правоходового винта. При указанных направлениях тока магнитный поток этого поля Ф_п направлен перпендикулярно основному (продольному) потоку Ф. Поэтому он называется поперечным.

При взаимодействии двух полей результирующее магнитное поле искажается. Под сбегающими краями главных полюсов магнитные потоки направлены встречно и результирующее магнитное поле ослабляется, а под набегающими – усиливаются, так как потоки направлены одинаково.

Для компенсации поперечного магнитного поля применяют дополнительные полюса N_д, S_д, обмотки которых включены последовательно с обмоткой якоря. Магнитный поток дополнительных полюсов направлен встречно потоку поперечного поля. и пропорциональны ему. Поэтому независимо от режима работы двигателя магнитный поток дополнительных полюсов всегда будет компенсировать магнитный поток поперечного поля.

На рис. 5.6 изображена схема замещения якорной цепи двигателя постоянного тока, где R_Я – сопротивление обмотки якоря.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа:



Тогда уравнение электрического состояния якорной цепи двигателя постоянного тока имеет вид:



Ток якорной обмотки .

В режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки на валу двигателя) якорь вращается с максимальной скоростью n₀. ЭДС Е_я имеет максимальное значение, ток якоря I_я= I_ях незначителен, как видно из формулы. Момент М₀, развиваемый двигателем в режиме холостого хода, равен моменту инерции двигателя.

При увеличении нагрузки на валу скорость двигателя n уменьшается и уменьшается величина противоЭДС Е_я. Тогда увеличиваются ток якорной обмотки и момент развиваемый двигателем М_вр=М₀+М_с, где М_с - момент нагрузки на валу двигателя.
Пуск и реверс двигателя постоянного тока
Ток якорной обмотки определяется выражением

.

При пуске двигателя якорь неподвижен, противо-ЭДС равна нулю. Сопротивление якорной обмотки незначительное, поэтому при U_я = U_н пусковой ток якоря I_япуск во много раз превышает ток в номинальном режиме I_{я н}, что приводит к повреждению двигателя.

Ограничение пускового тока в ДПТ с параллельным возбуждением производится введением последовательно в цепь якоря пускового реостата R_дя (рис. 5.7).

Ток при пуске тогда будет равен

.

Пуск должен производиться при номинальном магнитном потоке Ф_н, при этом согласно уравнению увеличивается пусковой момент и быстрее увеличивается ЭДС обмотки якоря. Это приводит к ускоренному разгону и сокращению времени прохождения большого пускового тока.

После разгона пусковой реостат ступенчато или плавно полностью выводится из цепи.

О
становка двигателя производится отключением от сети. Уменьшение до нулевого значения электромагнитной энергии, накопленной в индуктивностях, происходит в замкнутой цепи якоря и обмотки возбуждения.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или направление магнитного потока, что достигается изменением направления тока в обмотке возбуждения.
КПД и потери мощности машин постоянного тока
Потери в электрических машинах делят на основные и добавочные. К основным потерям относят электрические, магнитные и механические.

Электрические потери ΔР_эл или потери в меди обмоток, состоят из потерь в активных сопротивлениях обмоток и потерь в переходном сопротивлении щеточного контакта. Они определяются, как суммарные потери в обмотке якоря

ΔР_эля = R_я · I_я²,

где R_я – сопротивление цепи обмотки якоря с учетом переходного сопротивления щеточного контакта.

Магнитные потери или потери в стали обозначают ΔР_с. В процессе работы сердечник якоря машины постоянного тока перемагничивается. Поэтому в сердечнике якоря возникают потери на вихревые токи и гистерезис.

Механические потери ΔР_мех состоят из потерь на трение в подшипниках, потерь на трение щеток о коллектор, потерь на трение вращающихся частей машины о воздух, а также потерь вентиляционных.

Все потери, неучтенные как основные, называются добавочными. Добавочные потери возникают в стали сердечника и обмотке якоря. В стали – из-за искажения основного поля реакцией якоря, вследствие зубчатого строения сердечника якоря, потери в стяжных болтах и в проволочных бандажах и т.п. В обмотке якоря - в коммутирующих секциях, от вихревых токов в обмотке, в уравнительных соединениях.

Суммарные потери равны

.

В режиме холостого хода электрические потери незначительны, мощность потребляемая машиной из сети

ΔР₀ = ΔР_мех+ ΔР_С.

Потери холостого хода называют постоянными потерями, так как они не зависят от нагрузки.

Электрические потери называют переменными потерями

ΔР_элЯ = R_Я · I_Я².

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P₂ к потребляемой мощности P₁

или в процентах 100 %.

Электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети P₁ = P_я + P_в,

где P_я = U_нI_я – мощность якорной цепи,

P_в = U_нI_в – мощность цепи возбуждения.

Для двигателя параллельного возбуждения

P₁ = UI_д = U_н(I_я + I_в) .

Механическая мощность на валу двигателя, отдаваемая приводному механизму P₂=ωМ.

Современные машины постоянного тока имеют высокий КПД, который в зависимости от мощности, колеблется в пределах η_н = 0,75÷0,96. Высшее значение КПД относится к машинам большей мощности.
Рабочие характеристики
Рабочие характеристики ДПТ параллельного возбуждения малой мощности приведены на рис. 5.8.

Р
ис. 5.8

Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимости скорости вращения n, потребляемого тока I и мощности P₁, момента на валу двигателя M, коэффициента полезного действия η от полезной мощности P₂ при неизменном значении напряжения питания U_н = const, тока обмотки возбуждения I_вн=const и отсутствии добавочного сопротивления в якорной цепи R_{д я} = 0. Они дают возможность судить об эксплуатационных свойствах двигателей и определять наиболее экономичные их режимы работы в условиях производства.

Механическая характеристика двигателя

постоянного тока
Механическими характеристиками двигателя называются зависимости установившейся частоты вращения от момента на валу двигателя – n=f₁(M) или ω=f₂(M).

Характеристики называют естественными, если они получены при номинальных условиях питания (при номинальном напряжении), номинальном возбуждении и отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря.

Характеристики двигателя называются искусственными при изменении любого из перечисленных выше факторов.

Подставим в уравнение , выражения для определения тока и ЭДС ДПТ

Е_я = С_ЕnФ,



Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением имеет вид:

,

где R_яц = R_я + R_доб – полное сопротивление цепи якоря, Ом;

R_Я – сопротивление обмотки якоря, Ом;

R_доб – добавочное сопротивление в цепи якоря, Ом.

Анализируя выражение для построения механической характеристики, видим, что математически это уравнения прямой линии, пересекающей ось скоростей в точке n₀, где

n₀ = U/(·Ф) – скорость холостого хода.

где P_н – номинальная мощность двигателя, Вт;

ω_н – номинальная частота вращения, рад/сек.

Естественная механическая характеристика показана на рис. 5.9.

Для построения естественной механической характеристики (ЕМХ) необходимо найти две точки.

Одна из них определяется из паспортных данных двигателя для номинальных значений n_н и М_н:

М_н = P_н/ω_н , ω_н = π·n_н/30 = 0,105·n_н,

где P_н – номинальная мощность двигателя, Вт;

ω_н – номинальная частота вращения, рад/сек .

Вторая точка соответствует идеальному холостому ходу, когда I = 0 и М=0.

Скорость холостого хода можно найти из следующего уравнения при подстановке паспортных данных двигателя:

.



Регулирование скорости вращения ДПТ
Существует три основных способа регулирования частоты вращения машин постоянного тока: реостатное регулирование, регулирование изменением магнитного потока, регулирование изменением напряжения сети.

Реостатное регулирование частоты вращения осуществляется путем введения в цепь якоря дополнительных активных сопротивлений – резисторов, т.е. R_яц = (R_я + R_доб) = var при U = U_н, Ф = Ф_н. Как видно из уравнения механической характеристики

при изменении величины добавочного сопротивления R_доб в цепи якоря скорость идеального холостого хода n₀ остается постоянной изменяется лишь жесткость характеристики.

Искусственные механические характеристики (ИМХ) при введении добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя постоянного тока независимого возбуждения показаны на рис. 5.10.

Регулирование частоты вращения при изменении магнитного потока осуществляется преимущественно за счет ослабления магнитного потока Ф возбуждения двигателя, т.е. за счет уменьшения тока возбуждения i_в.

При уменьшении магнитного потока обычно соблюдаются условия: U = U_н; R_дя= 0. В этом случае для скорости идеального холостого хода имеем

, тогда ,

где - скорость холостого хода для искусственной механической характеристики;

- скорость холостого хода для естественной механической характеристики.

Искусственные механические характеристики при уменьшении магнитного потока представлены на рис. 5.11.

Д
ля регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением питающего напряжения необходимы регулируемые источники напряжения.

Из уравнения механической характеристики видно, что с регулированием напряжения связано изменение скорости идеального холостого хода n₀ = U_н/(·Ф_н) при сохранении жесткости характеристик. Это позволяет существенно расширить диапазон регулирования. Регулирование частоты вращения идет, как правило, вниз от основной характеристики.Искусственные характеристики при изменении (уменьшении) напряжения будут иметь вид прямых. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при изменении напряжения питания показаны на рис. 5. 12.