Sherstnyakov_Yu_G_Osnovy_elektromekhaniki

наиболее простую и наглядную модель преобразователя постоянного тока, состоящую из подвижного проводника длиной l, помещенного в ортогональное магнитное поле с индукцией B и подключенного к внешней цепи (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Элементарные модели преобразователя энергии:

а— модель работы генератора; б — модель работы двигателя

Вгенераторном режиме преобразователя (рис. 1.5, а) к внеш-

ней цепи подключен нагрузочный резистор сопротивлением Rн. Проводник приводится в движение с помощью внешней силы Fвн и движется вправо со скоростью v. При этом в нем наво-

дится ЭДС Е = Blv и в замкнутой цепи течет ток I = Е/(Ra + +Rн), где Ra — сопротивление проводника. Направление тока совпадает с направлением ЭДС, а направление ЭДС определяется с помощью правила правой руки. Взаимодействие тока с магнитным полем создает тормозную электромагнитную силу Fэм = BlI. Направление тормозящей силы определяют с помощью правила левой руки, что также подтверждается картиной деформируемого поля: реакция проводника усиливает магнитное поле перед движущимся проводником и ослабляет его за проводником. Электромагнитная сила препятствует движению проводника. Очевидно, что при v = const Fвн = Fэм. Умножив обе части последнего равенства на скорость движения проводника, получим Рмех = vFвн = vFэм = vBlI = EI = Рэл. Механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую мощность. Часть этой мощности преобразуется в полезную мощность, которая потребляется нагрузкой:

10

В двигательном режиме преобразователя (рис. 1.5, б) к проводнику подведено напряжение U, в результате чего в проводнике течет ток I. Магнитное поле ослабляется перед проводником и усиливается за ним. На проводник с током в магнитном поле действует электромагнитная сила Fэм = BlI. Под ее действием проводник движется с постоянной скоростью v, преодолевая внешнюю тормозную силу Fвн = Fэм = BlI. В движущемся проводнике наводится ЭДС Е = Blv. Cогласно правилу правой руки в данном режиме oна направлена встречно по отношению к току. Ток в проводнике I = (U −Е)/Ra. Уравнение равновесия напряжений в контуре имеет вид U = RaI +Е. Умножив обе части последнего равенства на I, получим уравнение энергетического баланса: UI = RaI2 + +ЕI. Из этого равенства следует, что электрическая мощность источника UI = Рэл частично преобразуется в мощность потерь в проводнике RaI2 = Р, а остальная большая´ часть преобразуется в механическую мощность EI = vBlI = vFэм = vFвн = Рмех; при

этом Рэл = Р +Рмех.

Из приведенного анализа видно, что электрическая EI = vBlI

имеханическая vFвн = vBlI мощности определяются через одни

ите же величины: v, B, l, I. В этом и заключается физическая сущность электромеханического преобразования энергии, взаимо-

связь электрической (EI), магнитной (В) и механической (vFвн) частей системы.

Для любой ЭМ обязательно наличие проводников (электропроводящей среды) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения. Взаимодействие между подвижной и неподвижной частями машины и преобразование энергии происходят через магнитное поле, существующее в зазоре и разделяющее их. Магнитное поле выступает в качестве энергоносителя, т. е. посредника, а само значение индукции магнитного поля определяет эффективность преобразования.

При работе ЭМ как в генераторном режиме, так и в двигательном режиме наблюдаются индуцирование ЭДС в проводниках

ивозникновение силы, действующей на проводники в магнитном

11

поле при протекании по ним тока. Очевидно, что любая ЭМ в зависимости от внешних условий может работать как в генераторном режиме, так и в двигательном режиме — это свойство ЭМ называется обратимостью. В двигательном режиме U > Е и ток течет навстречу ЭДС. В генераторном режиме ЭДС больше внешнего напряжения (U < Е) и ток течет согласно с ЭДС, совпадая по направлению U. Источник напряжения становится потребителем электрической энергии. Принцип обратимости ЭМ был впервые установлен русским ученым Э.Х. Ленцем.

1.3. Структура электрической машины

Рассмотренные элементарные электрические генератор и двигатель отражают лишь принцип использования в них основных законов электромеханики. Конструктивное исполнение ЭМ гораздо многообразнее, но работа большинства из них основана на принципе вращательного движения их подвижных частей, обеспечивающего бесконечное движение.

Обобщенная конструкция подобной ЭМ состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри расточки статора ротора (рис. 1.6). Между их поверхностями находится воздушный зазор. Как статор, так и ротор состоят из ферромагнитных сердечников, составляющих магнитную цепь машины. Магнитная цепь локализует и увеличивает магнитный поток при заданной намагничивающей силе, а также придает магнитному полю в воздушном зазоре (в рабочей области) желаемую конфигурацию. Сердечник статора 1 запрессован в корпус 8, а сердечник ротора 4 насажен на вал 7 и вращается вместе с ним в подшипниках 6, посаженных в подшипниковый щит 5. На сердечниках статора и ротора расположены обмотки: обмотка статора 2 и обмотка ротора 3.

Намагничивающая сила одной из этих обмоток при протекании в ней тока создает магнитный поток возбуждения в зазоре, поэтому ее называют обмоткой возбуждения. Эту обмотку вместе с магнитопроводом, на котором она расположена, называют индуктором. Другая обмотка называется якорной, а обмотка с магнитопроводом — якорем. Обмотка якоря является важнейшим элементом любой ЭМ. В ней реализуется процесс электромагнитной индукции и происходит преобразование энергии. Благодаря обмотке якоря

12

Рис. 1.6. Основные части электрической машины:

1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — обмотка ротора; 4 — сердечник ротора; 5 — подшипниковый щит; 6 — подшипники; 7 — вал; 8 — литой корпус из чугуна или легкого сплава

совершается обмен электрической энергией между ЭМ и сетью, к которой она подключена.

1.4. Классификация электрических машин

Разделение ЭМ на генераторы и двигатели является принципиальным, так как оно определяет направление преобразования энергий. Однако есть и другое применение ЭМ. Электромашинные преобразователи, изменяющие род тока (постоянный или переменный), напряжение, частоту, число фаз, распространены в промышленности и на транспорте. Компенсаторы генерируют реактивную мощность для улучшения показателей источников и приемников электрической энергии. Электромашинные усилители используются для управления объектами большой мощности.

Электрические машины мощностью до 600 Вт называют микромашинами. Их применяют в автоматике, вычислительной и бытовой технике. Они используются не только в качестве двигателей, но и в качестве информационных электромашинных устройств. Тахогенераторы преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал — напряжение, пропорциональное частоте вращения вала. Вращающиеся трансформаторы дают на выходе на-

13

пряжение, пропорциональное синусу или косинусу угла поворота ротора или самому углу. Машины синхронной связи (сельсины, магнесины) осуществляют синхронный и синфазный повороты или вращение механически не связанных между собой осей. Силовые микродвигатели приводят во вращение механизмы автоматических устройств. Управляемые (исполнительные) двигатели отрабатывают определенные команды, т. е. преобразуют электрический сигнал в механическое перемещение вала. Микромашины гироскопических приборов (гироскопические двигатели, датчики угла, датчики момента) осуществляют вращение роторов гироскопов с высокой частотой и коррекцию их положения.

По конструкции и принципу действия все электрические машины разделяются на бесколлекторные и коллекторные.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока. Они разделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяют преимущественно в качестве двигателей, а синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными, включаемыми в трехфазную сеть, или однофазными. В зависимости от конструкции обмотки ротора асинхронные машины подразделяются на машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором.

Коллекторные машины применяют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.

Синхронные и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения подразделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машиной постоянного тока (МПТ) в соответствии с общепринятой терминологией называют машину с механическим коллектором. Коллектор — устройство, преобразующее постоянный ток

14

впеременный, поскольку в якорной обмотке любой ЭМ с чередующимися полюсами должен протекать переменный ток. Только

вэтом случае происходит непрерывное электромеханическое преобразование энергии. Машины постоянного тока применяют как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей.

2.1. Принцип действия, устройство, функциональные особенности МПТ

Устройство простейшей электрической МПТ и ее схематичное изображение в осевом сечении показаны на рис. 2.1. Неподвижная часть машины (статор) состоит из системы возбуждения — индуктора, представленного в виде двух неподвижных полюсов N и S, создающих постоянный магнитный поток возбуждения. В МПТ поток возбуждения создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Подвижная часть машины — ротор, называемый якорем, содержит обмотку якоря, укрепленную на сердечнике якоря, и коллектор в виде разрезанного кольца. Обмотка якоря представлена в виде одного витка (контура) с диаметральным шагом. Концы витка машины соединены с внешней цепью через коллектор и щетки, закрепленные на статоре.

Рис. 2.1. Схемы, объясняющие работу машины постоянного тока:

а — простейшая модель машины постоянного тока; б — работа машины постоянного тока в режиме генератора; в — работа машины постоянного тока в режиме двигателя

15

Генераторный режим. Положим, что приводной двигатель вращает якорь машины с некоторой постоянной угловой скоростью ω против хода часовой стрелки. В подразд. 1.1 было показано, что при вращении рамочного контура во внешнем магнитном поле в нем наводится знакопеременная суммарная ЭДС e = 2lvВx, где l — длина активного проводника, v = ωD/2 — линейная скорость проводника; D — диаметр ротора; Вx — значениe магнитной индукции в том месте, где находится проводник.

Поскольку ферромагнитный материал статора и ротора обладает большой магнитной проницаемостью, можно считать, что в любом месте воздушного зазора между полюсами и ротором вектор Bx перпендикулярен поверхности ротора, т. е. сторонам витка. Поэтому здесь скорость vn принята равной v. Так как значения l и v постоянны, характер изменения ЭДС в контуре определяется характером распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между поверхностью якоря и магнитными полюсами. Будем считать, что магнитная индукция в зазоре рассматриваемой модели распределена синусоидально: В = Вm sin α = Вm sin ωt. Магнитная индукция в точках зазора на оси полюсов имеет максимальное значение, а в точках зазора на геометрической нейтрали равна нулю. Геометрической нейтралью называют линию, которая проходит через центр якоря посредине между полюсами N и S, а часть окружности, соответствующую одному полюсу, — полюсным делением τ = πD/(2p), где p — число пар полюсов.

ЭДС витка e = ωDlВm sin ωt = ωΦ sin ωt, частота наведенной ЭДС f = pn/60, где n — частота вращения якоря, об/мин−1, ω = = πn/30 рад/с. Напряжение на концах витка в режиме холостого хода при отсутствии нагрузки, присоединенной к клеммам щеток

машины, i = 0, uad = e; в режиме нагрузки ток i = e/(Rн +Ra), где Rн — сопротивление нагрузки, а Ra — сопротивление витка;

напряжение uad = e−Rai = Rнi. Как видно, формы uad и i совпадают с ЭДС e (см. рис. 2.2).

В МПТ (рис. 2.1, а) напряжение снимается со щеток, соприкасающихся с полукольцами. При этом верхняя щетка (щетка A) будет всегда подключена к проводнику витка, движущемуся под северным полюсом, а нижняя (щетка B) — к проводнику, движущемуся под южным полюсом. Поэтому напряжение на щетках будет сохра-

16

Рис. 2.2. Напряжение на концах витка и щетках генератора

нять полярность. Следовательно, напряжение на щетках и клеммах нагрузки будет постоянным по направлению независимо от режима нагрузки, ток также будет постоянным по направлению, т. е. напряжение UAB и ток Ia являются выпрямленными (см. рис. 2.2):

Ia = E/(Rн +Ra), UAB = RнIa = E −RaIa. Таким образом, в генераторе коллектор служит механическим выпрямителем, который

преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

В этой простейшей модели машины ток и напряжение во внешней цепи изменяются по величине — пульсируют. Для получения свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор.

Положение щеток на коллекторе имеет существенное значение. Их устанавливают так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в момент, когда ЭДС в витке равна нулю.

На проводники с током в магнитном поле будут действовать электромагнитные силы Fэм = liВx, направление которых определяется по правилу левой руки (см. рис. 2.1, б). Эти силы создают электромагнитный момент Mэм = 2FэмD/2 = FэмD = lDiВx. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Двигательный режим. В соответствии с принципом обратимости ЭМ упрощенная модель МПТ может быть использована в качестве двигателя постоянного тока (см. рис. 2.1, в). Для этого

17

необходимо подвести к щеткам напряжение от источника постоянного тока. В обмотке якоря потечет ток. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы Fэм и возникнет электромагнитный момент Mэм, определяемые, как и для генератора, равенствами Fэм = liВx, Mэм = lDiВx. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения, преодолевая внешний момент Mвн, равный моменту сопротивления Mc. Чтобы направление вращения ротора двигателя при той же полярности полюсов совпадало с направлением вращения ротора генератора, направление тока, а следовательно, и направление действия момента двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором. Для этого нужно подключить к щеткам источник напряжения с такой полярностью, которая обеспечила бы заданное направление тока.

Для обеспечения режима непрерывного вращения следует изменять направление силы Fэм на проводники обмотки каждый раз, когда они переходят из зоны действия одного полюса в зону действия другого полюса. Практически это означает необходимость изменения направления тока в витке каждый раз в момент прохождения плоскостью витка геометрической нейтрали. Подобная искусственная коммутация тока осуществляется коллектором. Через каждые пол-оборота полукольцо коллектора начинает контактировать со щеткой, соединенной с другой клеммой источника питания. Это и приводит к изменению направления тока i в витке.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Рассматриваемая упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает устойчивой работы двигателя, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали o—о (см. рис. 2.1, в) Fэм = 0 (на геометрической нейтрали магнитная индукция Вx = 0). Реальная обмотка якоря содержит большое число витков и коллекторных пластин, что обеспечивает устойчивую работу двигателя.

При вращении якоря в магнитном поле в проводниках его обмотки индуцируется ЭДС, абсолютная величина которой, как и в

18

генераторе, определяется равенством e = 2lvВx. Направление этой ЭДС в двигателе (см. рис. 2.1, в) такое же, как и в генераторе (см. рис. 2.1, б). В двигателе ЭДС e направлена против тока i, поэтому ЭДС якоря называют также противоЭДС.

2.2. Устройство и функциональные особенности коллекторных МПТ

Конструкции генератора и двигателя незначительно отличаются друг от друга. И хотя ЭМ обратимы, это не означает, что любой двигатель можно использовать в качестве генератора. Машины проектируют и используют либо как двигатель, либо как генератор. А свойство обратимости говорит о том, что во время работы двигатель может перейти в генераторный режим, а генератор — в двигательный режим.

Устройство исполнительного двигателя постоянного тока серии СЛ показано на рис. 2.3. Основными частями двигателя являются статор 5, якорь с сердечником 8, с обмоткой 10 и c коллектором 11 и щетки 2 с щеткодержателями.

Рис. 2.3. Исполнительный двигатель постоянного тока серии СЛ:

1 — передний подшипниковый щит; 2 — щетки с щеткодержателями; 3 — обмотка полюса; 4 — корпус (станина); 5 — статор в разрезе; 6 — задний подшипниковый щит; 7 — вал; 8 — сердечник якоря; 9 — полюс; 10 — обмотка якоря; 11 — коллектор; 12 — подшипник

19