Машины постоянного тока

ГЛАВА ПЕРВАЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. 1.1 Принцип действия машин постоянного тока Устройство машины постоянного тока. На рис.1.1 представлена простейшая МПТ, а на рис.1.2 дано схематическое изображение этой машины. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикреплены полюса. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рис.1.1, имеет 2 полюса 1 (ярмо индуктора на рис.1.1 не показано). Вращающаяся часть машины состоит из укрепленного на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис.1.1 и 1.2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в данном случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединена с внешней цепью. Основной магнитный поток в МПТ создается обмоткой возбуждения, возбуждения которая расположена сердечнике полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток, проходя от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Режим генератора. Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелки. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис.1.3а) и показано на рис.1.1, рис.1.2а. Эта ЭДС возникает только вследствие вращения якоря, поэтому называется ЭДС вращения. Значение индуктируемой в проводнике обмотке якоря ЭДС e пр B l  где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между  полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т.е. Та длина, на протяжение которой он расположен в магнитном поле;  - линейная скорость движения проводника. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контура витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря Ea 2 e пр 2 B l  ЭДС Еа является переменной, т.к. проводники обмотки якоря проходят переменно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме ЭДС проводника повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис.1.4а). Ea, Ia а t Ea, Ia б t Рис. 1.4 Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р полюсов с чередующейся полярностью f = pn. Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис.1.4а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис.1.1) на 90 градусов и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остается неизменным. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи. Изменив знак второго полупериода кривой на рис.1.4а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис.1.4б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора U = E – Ir Проводники обмотки якоря с током I находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис.1.2а) Fпр = BlI направление которых определяется по правилу левой руки (рис.1.3б). Эти силы создают механический момент, который называется электромагнитным моментом Mэм = FDa = BlDaI, где Da – диаметр якоря. Как видно из рис.1.2б в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря я является тормозящим. Режим двигателя. Рассматриваемая МПТ может также работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Мэм. При достаточном значении электромагнитного момента якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Электромагнитный момент при этом является движущим и действует в направлении вращения. 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. Проводники обмотки якоря также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС. Приложенное к якорю напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря U = E + Ir Принцип обратимости. Таким образом, каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ т называется обратимостью. Для перехода МПТ из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться просто и в определенных условиях автоматически. Преобразование энергии. На рис. 1.5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока. Согласно 1 закона Ньютона в применении к вращающему телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работе электромагнитный момент Мэм = Мв –Мтр – Мс, МВ МЭМ МВ n n Г Д МЭМ а б Iа Iа + + Еа Uа – Рис. 1.5. Еа Uа – где Мв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Мтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе ЭМ, Мс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности возникают в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения. В двигателе при установившемся режиме работы Мэм = Мв + Мтр + Мс, где Мс – тормозной момент на валу двигателя, развиваемой рабочей машиной (станок, насос и т.д.). В генераторе Мэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом. Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью Pэм M эм  После преобразований электромагнитная мощность может быть выражена и через ЭДС и ток: Рэм = EI. В свою очередь в обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается электрическая мощность якоря Ра = EI Таким образом, сравнивая последние выражения: Рэм = Ра , т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической мощности в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе. Умножим все слагаемые уравнения равновесия напряжения на зажимах генератора на величину I, получим UI = EI – I2r и слагаемые уравнения равновесия напряжения на зажимах двигателя UI = EI + I2r Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые слагаемые правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние слагаемые – электрические потери мощности в якоре. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в МПТ. Согласно последним выражениям механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине. Эти закономерности в равно степени относятся и к машинам переменного тока. 1.2 Устройство машины постоянного тока На рис.1.6 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 – 1 мм. Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя уширенная часть сердечника называется полюсным наконечником или башмаком. Расположенная на полюсе обмотка обычно разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее охлаждения. Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюса чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех полюсов соединяются обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5 – 3% от номинальной мощности машины. Первая цифра относится к МПТ в тысячи кВт, а вторая – к МПТ мощностью около 5 кВт. Для улучшения условий токосъема с коллектора в МПТ мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюса, которые меньше главных по размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали. Как главные, так и дополнительные полюса крепятся к ярму болтами. Ярмо в машинах обычно изготавливается из стали. В МПТ массивное ярмо является одновременно также станиной, т.е. Той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию. Сердечник якоря набирается их штампованных дисков толщиной 0,5 мм (рис.1.7а). Диски насаживаются либо непосредственно на вал, либо набираются на якорную втулку, которая надевается на вал. Сердечники якоря большого диаметра (более 100 см) составляются из штампованных сегментом (рис.1.7б) электротехнической стали. В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Обмотка соединяется с коллектором. Воздушный зазор между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см. Коллектор состоит из медных пластин толщиной 3-15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Для отвода тока от вращающего коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.