Раздел 4. Машины постоянного тока

Более подробная информация по данной теме содержится в учебном пособии [1].

В разделе 4 рассматриваются три темы: 1. Общие сведения. 2. Генераторы постоянного тока.

3. Двигатели постоянного тока. После проработки теоретического материала следует ответить на контрольные вопросы, приведенные в конце раздела. Затем следует обратиться к практикуму и разобрать примеры решения задач, далее выполнить задачу

№ 3 контрольной работы. После этого следует перейти к лабораторным работам № 3 и № 4, если это предусмотрено Вашим тематическим планом.

При появлении затруднений следует обратиться к пособию [1]. После изучения данного раздела необходимо пройти контрольные мероприятия: ответить на вопросы теста № 4 и решить экзаменационную задачу № 3 по данному разделу. Максимальное количество баллов, которые Вы можете получить по данному разделу, равно 30: 10 баллов за тестирование и 20 баллов за решение экзаменационной задачи.

Введение

Машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя (свойство обратимости). Однако наибольшее применение находят именно двигатели постоянного тока, так как в связи с развитием промышленной электроники в последнее время источником постоянного тока могут служить полупроводниковые выпрямительные устройства. Основные преимущества двигателей постоянного тока заключаются в хороших регулировочных свойствах, дающих широкий диапазон регулирования скорости и возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин. К недостаткам машин постоянного тока относятся: относительно высокая стоимость и пониженная надежность работы, что обусловлено наличием коллектора. Машины постоянного тока широко применяются в качестве крановых двигателей, тяговых двигателей на транспорте, привода прокатных станов и других механизмов, а также в системах автоматики. Можно отметить, что несмотря на сложность конструкции, машины постоянного тока были изобретены ранее других электрических машин.

Тема 4. 1. Общие сведения

4.1.1. Устройство

Неподвижная часть электрической машины называется статором, вращающаяся часть – ротором. Эти части разделены воздушным зазором.

Статор состоит из станины, на внутренней поверхности которой расположены главные полюса. Станина, помимо механической нагрузки, выполняет роль элемента магнитной цепи и служит для замыкания магнитного потока.

Главные полюса машины состоят из сердечника полюса, полюсного наконечника и катушки возбуждения.Катушки всех главных полюсов электрически соединяются, образуя обмотку возбуждения, питаемую постоянным током. В машинах малой мощности главные полюса могут выполняться в виде постоянных магнитов. Полярность полюсов чередуется. Число полюсов2рвсегда четное. В теории обычно рассматриваются двухполюсные машины, так как процессы под каждой парой полюсов идентичны, хотя в реальных машинах число полюсов может быть больше двух. Между главными полюсами устанавливают дополнительные полюса для уменьшения искрения под щетками.

Ротор МПТ называется якорем. Сердечник якоря представляет собой цилиндр,набранный из штампованных листов электротехнической стали. Листы стали оксидируются для уменьшения потерь на вихревые токи, которые возникают в результате вращения якоря в магнитном поле. Листы стали имеют пазы для укладки обмотки.

Обмотка укладывается в пазы якоря и закрепляется проволочным бандажем или клиньями. Концы обмотки якоря присоединяются к коллектору, укрепленному на валу. Коллектор представляет собой набор медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. На коллектор налегают щетки. Щетки соединены с коробкой выводов. В машинах специального назначения полюсные наконечники могут иметь пазы, в которых располагается компенсационная обмотка, питаемая от обмотки якоря.

4.1.2. Режим генератора Рассмотрим простейший генератор, представляющий собой рамку в виде двух проводников длинойl, соединенных в виток (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Обмотка возбуждения создает магнитное поле с индукцией В. Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке и линейная скорость проводников равнаv. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС вращения, величина которой определяется по закону Фарадея

е _пр = B l v. (4.1)

Направление ЭДС проводника показано на рис. 4.1 и может быть определено по мнемоническому правилу правой руки: силовые линии входят в ладонь, большой палец показывает направление движения проводника, четыре пальца – направление ЭДС (рис. 4.2).

Как видно из рис. 4.1, ЭДС двух проводников по контуру витка складываются и полная ЭДС данного витка: е _в = 2 е _пр.

ЭДС обмотки якоря является переменной во времени, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. Частота ЭДС f = p n /60 , (4.2)

где р– число пар полюсов; n – частота вращения (об/мин).

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута на внешнюю цепь, то возникает ток. В обмотке якоря этот ток будет переменным и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС. Однако во внешней цепи направление ЭДС и тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 180° и изменении направления ЭДС и тока в проводниках одновременно происходит смена коллекторных пластин под щетками. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток внешней цепи.

Величина ЭДС обмотки якоря определяется общим числом проводников Nобмотки, их соединением в параллельные ветви 2а, числом полюсов 2рмашины, магнитным потоком полюса в воздушном зазоре Ф, частотой вращенияn

, (4.3) где конструктивная постоянная машины

. (4.4) ЭДС обмотки якоря можно также выразить формулой , (4.5) где угловая частота вращения

, (4.6) конструктивная постоянная

. (4.7)

Выходное напряжение (напряжение нагрузки) будет меньше, чем величина ЭДС

U = Е - I R _я - 2U _щ, (4.8)

где падение напряжения в якорной цепи

, (4.9) где R_я -сопротивление цепи якоря;2U_щ -падение напряжения в щеточном контакте. Обычно применяются угольно-графитные щетки, для которых принимается2U_щ= 2В.

Объединяя два последних члена, можно записать:

U = Е - I_я R, (4.10) гдеR- суммарное сопротивление якорной цепи с учетом сопротивления щеточного контакта.

При протекании тока по проводникам якоря, находящимся в магнитном поле, на них будут действовать электромагнитная сила Ампера (рис. 4.1)

F_пр = B l i_пр. (4.11)

Направление силы определяется по правилу левой руки (рис.4.3): силовые линии входят в ладонь, четыре пальца показывают направление тока, большой палец покажет направление силы. Эти электромагнитные силы, действующие на проводники с током, помещенные в магнитное поле, создают электромагнитный момент. В режиме генератора электромагнитный момент является тормозным, так как он действует против направления вращения якоря.

Рис. 4.3

Величина момента определяется формулой

М = с _м ФI _я. (4.12)

Полезная мощность генератора

P ₂ = UI . 4.1.3. Режим двигателя

Электрическая машина может работать как в режиме генератора , так и в режиме двигателя (принцип обратимости). В режиме двигателя (рис.4.4) необходимо к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток обмотки якоря и работает в качестве механического инвертора тока. На проводники с током обмотки якоря действуют электромагнитные силы (4.11) и возникает электромагнитный момент (4.12) М = с _м ФI _я.

Момент двигателя является движущим и приводит якорь во вращение. Рис. 4.4

После того, как ротор якоря придет во вращение, в проводниках обмотки якоря будет индуктироваться ЭДС (4.3), (4.5)

, . В режиме двигателя направление ЭДС Е и направление тока якоря I_я противоположны, поэтому ЭДС якоря двигателя называют противо -ЭДС. (В режиме генератора направление ЭДСЕи токаI _я якоря совпадают).

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС Еи падением напряжения в обмотке якоря:

(4.13)

или . (4.14)

Из сравнения формул напряжения генератора и двигателя видно, что в генераторе U Е ,а в двигателеU  Е .

Полезная мощность двигателя

P ₂ =  M₂ , (4.15)

где M₂-полезный момент на валу, угловая частота вращения (4.6).

.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение полезной Р₂мощности к потребляемой Р₁ . (4.16)

Так как величина электрических потерь зависит от нагрузки машины,то с ее изменением меняется величина КПД.Максимум КПД соответствует равенству постоянных и переменных потерь.

4.1.4. Реакция якоря Подробно данный материал приводится в учебном пособии [1]. В режиме холостого хода машины имеется только магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения. При нагрузке машины в обмотке якоря протекает токI, который создает свое магнитное поле якоря (реакция якоря). При обычном расположении щеток на геометрической нейтрали, ось магнитного поля якоря направлена поперек оси поля возбуждения, поэтому реакция якоря называется поперечной. Результирующее магнитное поле машины образуется совместным действием магнитных полей обмотки возбуждения и обмотки якоря. Под действием поля якоря результирующее поле машины не только искажается, но и при наличии насыщения магнитной цепи уменьшает свою величину. Уменьшение величины магнитного поля называется размагничивающим действием поперечной реакции якоря . Процесс прохождения проводника под щеткой называется коммутацией. Поток обмотки якоря оказывает вредное влияние на коммутацию, вызывая искрение под щетками. Для уменьшения реакции якоря в машине устанавливаются дополнительные (добавочные) полюса, обмотка которых соединяется последовательно с обмоткой якоря. Магнитный поток дополнительного полюса направлен встречно потоку обмотки якоря и компенсирует его.

4.1.5. Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения

На рис. 4.5 показаны электрические схемы МПТ. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения различают МПТ с независимым возбуждением (рис. 4.5, а, б) и с самовозбуждением : параллельным (рис. 4.5, в), последовательным (рис. 4.5, г) и смешанным (рис. 4.5, д).

Рис. 4.5 В машинах смешанного возбуждения имеется параллельная и последовательная обмотки возбуждения, в общем случае эти обмотки могут иметь согласное и встречное включение. При согласном включении магнитные потоки обмоток складываются, при встречном включении – вычитаются. С возбуждением от постоянных магнитов (рис. 4.5,б) обычно изготавливают машины небольшой мощности. Тема 4. 2. Генераторы постоянного тока

4.2.1. Основные уравнения

Генераторы постоянного тока (ГПТ) могут иметь следующие способы возбуждения: независимое, параллельное, последовательное или смешанное (рис. 4.5).

Генераторы последовательного возбуждения имеют специфические характеристики, отличные от других типов генераторов, и применяются только в специальных установках; в связи с ограничением области применения эти генераторы в дальнейшем не рассматриваются.

Основные формулы ГПТ были рассмотрены в п.4.1.2.

Уравнение напряжения на зажимах генератора согласно (4.10) U = E - I_Я R.

ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря, согласно (4.3)

.

Работа генератора характеризуется следующими основными величинами: напряжением на зажимах генератора U , током нагрузки I, током в обмотке возбуждения i_B и частотой вращения n. ГПТ обычно работают при практически постоянной частоте вращения, поэтому характеристики генераторов будем рассматривать при номинальной частоте вращения n_H. В этом случае соотношение величин U , I и i_B образуют три семейства характеристик, которые рассмотрены ниже.