§ 6.7. Краткая теория и примеры

1. Электрические машины

Электрические машины представляют собой электромеханические устройства, в которых происходят преобразования энергии. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую, в двигателях – электрическая энергия в механическую. Каждая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в качестве двигателя и генератора. По роду тока электрические машины подразделяются на машины переменного тока и машины постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока (рис.6.10) состоит из неподвижной части – статора (1), подвижной части – якоря (2) и щеточно-коллекторного узла (3). В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле полюсов в обмотке якоря наводятся переменные ЭДС, т.е. ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле.

Статорявляется механическим остовом машины. Станина изготавливается из литой стали. На станине укрепляются основные магнитные полюса, которые служат для создания магнитного потока, и вспомогательные — для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, укрепленного на станине болтами, и обмотки возбуждения, т. е. представляет собой электромагнит. Сердечник полюса изготавливается из листовой стали и на свободном конце снабжается полюсным наконечником, для создания требуемого распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины.

Электромагниты (полюсы) создают в машине постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.6.10. Верхний полюс является южным, нижний — северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.

Рис. 6.10. Машина постоянного тока

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

В современных электрических машинах малой мощности возбуждение осуществляется постоянными магнитами. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Якорьмашины постоянного тока представляет собой стальной зубчатый сердечник, в пазах которого расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный потокосцепление будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак. Нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно, на нейтральной линии, расположенной симметрично относительно северного и южного полюсов.

Обмотка якоря является замкнутым контуром, но тока в нем не возникает, т. к. сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных витков обмотки равна нулю (машина симметрична). Если на геометрическую нейтраль установить неподвижные щетки и создать скользящий контакт между щетками и обмоткой, то обмотка будет представлять собой две параллельные ветви, в каждой из которой будут проводники с одинаково направленными ЭДС. Иначе говоря, получаем два параллельных источника ЭДС, состоящих из группы проводников, в каждый момент времени оказывающихся под южным и северным полюсом соответственно. При этом в каждой из обмоток индуктируется переменная ЭДС, а напряжение на зажимах машины постоянно. Если обмотку якоря через щетки замкнуть на сопротивление нагрузки, то в цепи возникнет ток, складывающийся из токов ветвей.

Осуществление скользящего контакта между щетками и обмоткой якоря возможно при удалении изоляции на узкой полосе наружной поверхности обмотки, когда щетки касаются оголенных проводов. В действительности же (в современных конструкциях) щетки касаются медных клинообразных пластин, собранных в цилиндр – коллектор, установленный на валу машины.

Пластины коллектора изолированы друг от друга и от вала и соединяются с обмоткой якоря проводниками. Отвод тока от коллектора осуществляется гибким кабелем через щетки, установленные в щеткодержателях.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром — обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только в якоре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, искажающая и магнитный поток машины. Это явление получило название реакции якоря. Из-за реакции якоря происходит снижение ЭДС машины, некоторое снижение главного магнитного потока, а также ухудшаются условия коммутации машины. Для компенсации реакции якоря между основными полюсами устанавливают дополнительные полюсы, токи обмоток которых создают магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря. Обмотки дополнительных полюсов последовательно соединяют с обмоткой якоря, с тем, чтобы с увеличением тока якоря увеличивалось их компенсирующее действие.

Потери мощности в электрических машинах невелики и составляет 5 – 15% преобразуемой мощности. В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин используют специальные сорта стали. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока обратимы: могут работать в режимах генератора и электродвигателя. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением, например, рис.6.11,а) цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением. Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата, который включается последовательно с обмоткой возбуждения.

У генераторов с параллельным возбуждением

рис.6.11,б) цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:

где: – ток якоря,

– ток нагрузки,

– ток возбуждения.

У генераторов с последовательным возбуждениемобмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки.

У генераторов со смешанным возбуждениемрис.6.11 в) имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью.

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:

где:– постоянная, зависящая от конструктивных данных машины,

– частота вращения якоря,

– результирующий магнитный поток,

– число пар полюсов статора,

– число активных проводников обмотки якоря,

– число пар параллельных ветвей обмотки.

Из этого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В машине, работающей в режиме генератора, скорость вращения остается при работе постоянной, поэтому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе машины в режиме двигателя скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения.

Рис.6.11. Генераторы постоянного тока с:

а) независимым возбуждением, б) параллельным возбуждением, в) смешанным возбуждением.

В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:

где:

– вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой,

– частота вращения ротора.

в электрическую мощность:

где:

– ЭДС якорной обмотки,

– ток в якорной обмотке.

В нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется мощность

КПД генератора находится как:

Где – суммарная мощность потерь.

Напряжение на выводах генератора:

,

где:

– сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмотокt=+75⁰С.

К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся:

Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением. Различают двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого.

В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря.

Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями:

,

где: .

Независимо от способа возбуждения уравнение электрического состояния цепи якоря имеет следующий вид:

Учитывая, что получим уравнение частотной характеристики двигателя.

,

К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие ,,,или и механическаяприU = соnstи I_в = соnst.

Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование.

Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата R_n, включаемого в цепь якоря (рис.6.12.). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения.

Рис.6.12. Двигатели постоянного тока с:

а) параллельным возбуждением, б) последовательным возбуждением, в) смешанным возбуждением.

Частота вращения двигателя регулируется тремя способами:

• изменением напряжения цепи якоря,

• изменением тока возбуждения, т.е. Ф = f(I_в),

• введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

Существует три способа электромагнитного торможения двигателей постоянного тока:

• рекуперативное (с возвратом энергии в сеть),

• динамическое,

• противовключение.

Пример.Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения заданы следующие номинальные параметры:кВт;В;об/мин;%;Ом;. Определить номинальный ток якоря, ЭДС и вращающий момент двигателя, магнитный поток одного полюса и электромагнитную мощность.

Решение. Так как в паспорте на двигателе указывается номинальная механическая мощность, то потребляемаякВт.Ток якоря находим (при параллельном возбуждении) из соотношенийА.

ЭДС определяем по формуле:

;

В.

Электромагнитная мощность:

кВт.

Вращающий момент двигателя:

,

а магнитный поток:

.

Окончательно:

Вб и.

Пример.Для двигателя параллельного возбуждения заданы следующие номинальные параметры:В,Ом,об/мин,А. Определить вращающий момент двигателя при токеА и постоянном напряженииВ. Построить рабочую характеристикув пределах от 0 до.

Решение.Рабочую характеристикуможно рассчитать, по формуле:

.

Частота вращения также зависит от тока якоря

.

Окончательно получаем:

.

Подставляем исходные данные, находим расчетное уравнение:

.

График зависимости в диапазоне изменения тока от 0 доприведен на рисунке 6.13.

Рис.6.13. График зависимости M=f(Iя).

При заданном в условии токе А момент равен.

Пример. Определить номинальный момент на валу, номинальные суммарные потери мощностии номинальный КПДэлектродвигателя постоянного тока типа П62 с параллельным возбуждением при номинальном режиме работы, если номинальные данные, указанные на его щитке: полезная мощность на валукВт, напряжениеВ, частота вращенияоб/мин, ток, потребляемый из сети,А.

Решение.Номинальный момент на валу электродвигателя:

.

Номинальная мощность, подведенная к электродвигателю из сети:

Вт.

Номинальные суммарные потери мощности в электродвигателе:

кВт.

Номинальный КПД электродвигателя:

или.

Пример.Генератор параллельного возбуждения имеет следующие данные:В,А,А иОм. Построить внешнюю характеристику генератора в режимах холостого хода и короткого замыкания.

Решение.На основании выражений:

,

можно найти исходную расчетную зависимость, учитывая, что ЭДС является функцией тока возбуждения , а ток возбуждения зависит от напряжения генератора. Таким образом, ток нагрузки в данном случае определяется из соотношения:

или.

Для того чтобы воспользоваться универсальной магнитной характеристикой, необходимо знать, что ее аргумент и функция находятся по соотношениям:

,.

С их помощью расчет сводится к линейным преобразованиям

,,

где номинальное значение ЭДС:

В

и проводимость якорной цепи Ом^-1.

В соответствии с полученными выражениями ток якоря равен нулю при:

.

По универсальной магнитной характеристике это соответствует значению аргумента или напряжениюВ.

При коротком замыкании, т.е. при напряжении, равном нулю, ток

А.

График внешней характеристики генератора приведен на рисунке.

Рис.6.14. График внешней характеристики генератора.

назначение, конструкция, устройство и принцип действия :: SYL.ru

Машины постоянного тока (МПТ) – это общий термин, объединяющий генераторы (ГПТ) и двигатели (ДПТ). Как правило, говоря об МПТ, имеют в виду биполярные машины, у которых имеются чередующиеся «северные» и «южные» магнитные полюсы возбуждения и механический или электронный коммутатор тока вращающейся обмотки якоря с одним единственным кольцевым полюсом (в отличие от униполярных машин). Мы также будем придерживаться этого принципа.

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока разделяются на обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (ОЯ). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые — для отбора мощности от питающей электросети в режиме двигателя или для питания электрической нагрузки в режиме генератора. Существуют еще и обмотки дополнительных полюсов, используемые для облегчения процесса коммутации.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Устройство машины постоянного тока

ГПТ может использоваться как ДПТ без каких-либо конструктивных изменений. Конечно, промышленностью выпускаются машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, и машины, являющиеся генераторами. Однако отличия между ними состоят в конструкции отдельных частей, и на этапе общего ознакомления могут быть проигнорированы. Следовательно, далее будем рассматривать устройство машины постоянного тока в общем, без привязки к режиму ее работы.

Ниже на рисунке показан поперечный разрез простой МПТ с двумя парами явно выраженных полюсов. Конструкция ее содержит две основные части: статор и якорь. Рассмотрим, из каких деталей они состоят.

Статор содержит станину, а также главные и находящиеся между ними дополнительные полюсы (на рисунке не показаны).

Станина – это внешняя конструктивная оболочка МПТ. Она бывает литой из чугуна (у машин старых конструкций) или сварной из толстого листа стали. Станина механически прочно скрепляет всю сборку МПТ. Кроме того, она служит магнитопроводом для магнитного потока, производимого главными полюсами.

Последние прикреплены к станине с помощью винтов или сварки. Основное их назначение – нести катушки обмотки возбуждения, намотанные на них и соединенные последовательно между собой таким образом, чтобы магнитная полярность полюсов чередовалась, т. е. после «северного» полюса следовал бы «южный» и т. д.

Полюсные наконечники (башмаки), являющиеся расширением главных полюсов, служат двум целям: для предотвращения соскальзывания катушек и для равномерного распределения поля возбуждения на большей части окружности воздушного зазора.

Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника с обмоткой, втулки и вала. Сердечник – это стальной каркас цилиндрической формы, сложенный из тонких электрических листов стали, покрытых с обеих сторон электроизоляционным лаком. Это делается для предотвращения появления вихревых токов, стремящихся замкнуться в толще сердечника. В пазах его уложены секции петлевой или волновой обмотки якоря, коллектор машины постоянного тока и щетки. Обмотку якоря нужно присоединить к внешней электросети постоянного тока. Но нельзя непосредственно соединить выводы обмотки с сетевым вводом, потому что она вращается. Поэтому между сетью и обмоткой якоря установлен коммутатор-коллектор, представляющий собой множество изолированных друг от друга пластин из меди, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, разделенную изоляционными дорожками. Неподвижные контактные щетки скользят по ней, когда якорь с коллектором вращаются. Таким образом неподвижные щетки физически соприкасаются с вращающейся обмоткой якоря, а с их помощью уже можно выполнить подключение к внешней сети машины постоянного тока.

Развитие конструкций МПТ

Первые промышленные образцы МПТ появились в 70-х гг. 19 в. Поначалу они имели кольцевой якорь с тороидальной (граммовской) обмоткой. После изобретения барабанного якоря они приобрели законченный вид, примерно соответствующий вышеприведенному рисунку. Однако конструкция машин постоянного тока во второй половине 20 в. претерпела довольно сильные изменения. Прежде всего они коснулись статора. Вместо явно выраженных главных полюсов стали применять неявнополюсную конструкцию. В ней сосредоточенную катушку возбуждения каждого главного полюса заменили несколько меньшие по размерам катушки, расположенные в пазах шихтованного статора, который имеет прямоугольную или многогранную форму, как на рисунке ниже. В тех же пазах статора размещают и компенсационную обмотку, о которой будет сказано далее. В результате конструкция машин постоянного тока стала намного легче.

В связи с развитием управляемого асинхронного электропривода некоторые специалисты высказывают мнение о скором вытеснении асинхронными двигателями ДПТ из традиционных для них областей применения, таких как тяговый электропривод или привод металлургических механизмов. Однако пока еще рано говорить об этом как о свершившемся факте.

Общий принцип образования обмотки якоря

Любая из обмоток якоря является замкнутой сама на себя непрерывной электрической цепью, состоящей из последовательно соединенных секций (катушек). В простейшем случае секция может представлять просто один виток с двумя пазовыми проводниками или же быть многовитковой. Пазовые стороны секции всегда разнесены на расстояние, чуть меньшее полюсного деления – части окружности якоря, приходящейся на один главный полюс. Поэтому они в каждой из секций всегда находятся под главными полюсами противоположной полярности. В единую замкнутую цепь секции соединяются на пластинах коллектора. Способ же этого соединения и определяет тип обмотки. Рисунок ниже поясняет принцип образования обмотки якоря машины постоянного тока из шести многовитковых секций, соединяемых на пластинах коллектора.

В положении, показанном на рисунке, щетки разделяют обмотку якоря на две параллельные ветви: верхнюю, в которую входят секции L_1, L₂, L₃, и нижнюю, состоящую из секций L_4, L₅, L₆. Число таких ветвей зависит от типа обмотки якоря, но оно всегда четное и не может быть меньше двух.

Петлевые и волновые обмотки якоря

Это два основных типа обмоток, каждый из которых имеет несколько разновидностей. Мы рассмотрим их простейшие варианты. Слева на рисунке ниже показана форма секций, из которых состоит простая петлевая обмотка якоря машин постоянного тока. Как можно увидеть, такая же форма секций характерна для волновой обмотки.

В первом варианте один (начальный, стартовый) вывод каждой двухвитковой секции подключен к i-й пластине коллектора, а второй (конечный, завершающий) вывод соединен на соседней (i+1)-й пластине коллектора с начальным выводом следующей секции (см. рисунок выше). Таким образом, выводы каждой секции присоединены к двум рядом расположенным пластинам, а сама секция, состоящая из двух пазовых сторон и двух лобовых частей по форме напоминает петлю (отсюда и название обмотки).

Секция волновой обмотки имеет выводы, присоединенные не к соседним пластинам коллектора, а к разнесенным на определенный шаг, называемый шагом обмотки по коллектору у_к. Для простой петлевой обмотки у_к=1, а для простой волновой — у_к=(К±1)/р, где К – число пластин коллектора, р- число пар главных полюсов. Как видно из рисунка, вследствие такого способа соединения секции приобретают форму, похожую на полуволну синусоиды, что и обусловило название обмотки.

Принцип действия в режиме генератора

Согласно первоначальной трактовке явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике, данной еще Фарадеем, когда он пересекает при движении силовые линии магнитного поля, в нем наводится ЭДС. Следуя этому принципу, можно объяснить причину наведения ЭДС в активных проводниках (тех, что уложены в пазы) обмотки якоря МПТ. Действительно, они движутся под главными полюсами, пересекая при этом линии поля. Поскольку последние непрерывны, каждый проводник якоря независимо от того, расположен ли он на его поверхности (так было в первых конструкциях МПТ) или в пазах, пройдя под полюсом, пересечет все исходящие из его наконечника линии поля. Направление действия индуцированной в проводнике ЭДС можно определить, применяя правило правой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже.

Пазовые проводники якоря попарно входят в состав витков катушек его обмотки. Сумма ЭДС витков дает ЭДС катушки. Неподвижные щетки делят всю обмотку якоря на несколько (минимум две) параллельных ветвей. Сумма ЭДС всех катушек, входящих в параллельную ветвь, дает ЭДС всей обмотки якоря МПТ. Таким образом, принцип действия машин постоянного тока при работе генератором можно сформулировать так: якорь возбужденной машины вращается приводным двигателем, в его обмотке наводится ЭДС, которая вызывает протекание постоянного тока якоря в замкнутой электроцепи, включающей обмотку, коллектор, щетки и внешнюю сеть с нагрузкой.

При наличии тока якоря на него начинает действовать тормозящий электромагнитный момент. Он создает нагрузку для приводного двигателя. Чем больше электрическая мощность нагрузки генератора, тем сильнее тормозится его якорь и тем выше нагрузка приводного двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии в последнем расходуется столько топлива на приведение якоря генератора во вращение, чтобы высвобожденная при его сгорании химическая энергия за вычетом энергетических потерь в двигателе и генераторе равнялась бы энергии, отбираемой электрической нагрузкой от машины постоянного тока.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

О физическом механизме наведения ЭДС в проводниках обмотки якоря МПТ

Следует отметить, что физикам-теоретикам не нравится вышеприведенный (и популярный в технической литературе) физический механизм наведения ЭДС, т. к. силовые линии магнитного поля – это всего лишь умозрительный образ, придуманный Фарадеем для его описания. Никаких подтверждений действительного существования их как реальных физических объектов не существует.

Альтернативным механизмом наведения ЭДС в движущемся пазовом проводнике обмотки якоря МПТ является воздействие на электроны внутри него силы Лоренца, пропорциональной магнитной индукции в месте расположения проводника. Однако и здесь имеется противоречие, заключающееся в том, что внутри пазов якоря магнитная индукция исчезающе мала, а на величине ЭДС проводников это не сказывается. Поэтому вместо индукции в пазе в формулу подставляют индукцию в воздушном зазоре, что, конечно же, неправильно, но дает результат, близкий к наблюдаемому на практике.

Выходом из данной коллизии является переход к описанию магнитного поля не посредством вектора магнитной индукции, а при помощи векторного магнитного потенциала. Активным сторонником такого подхода был выдающийся русский электротехник К. М. Поливанов. Более подробно с этой проблемой можно познакомиться в работах автора.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ — под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Побочные следствия реакции якоря

Вследствие явления магнитного насыщения стали результирующее поле под краем полюса, где оно усиливается, не может увеличиться в той же степени, в которой ослабляется под противоположным краем. Поэтому результатом данного эффекта является общее снижение магнитного поля нагруженной машины. В случае генератора ослабление поля уменьшает генерируемое напряжение.

Реакция якоря машины постоянного тока искажает пространственную картину силовых линий поля, следовательно, изменяется положение магнитной нейтрали (МН) — в двухполюсной МПТ она перпендикулярна силовым линиям потока возбуждения и совпадает с геометрической нейтралью ГН. Щетки должны быть размещены на МН, в противном случае это приведет к искрению под ними. Таким образом, в связи с реакцией якоря трудно определить точное положение МН. Впрочем, для этого существуют апробированные на практике способы.

Вторым негативным следствием данного эффекта, которое существенно ухудшает эксплуатационные характеристики машины постоянного тока, является повышение максимального напряжения между рядом расположенными пластинами. Посмотрите еще раз на схему простой петлевой обмотки. Если стороны некоторой ее секции находятся одновременно под краями двух соседних разноименных главных полюсов с увеличенным из-за реакции якоря полем, то индуктируемое в этой секции напряжение, а следовательно, и напряжение между парой соседних пластин коллектора может существенно превысить его величину, когда реакция якоря отсутствует, т. е. при холостом ходе. Причем такое превышение наступает обычно сразу на нескольких участках коллектора, расположенных в зонах увеличенного поля. В результате может возникнуть такое явление, как круговой огонь на коллекторе, которое может его полностью разрушить. Поэтому без специальных конструктивных способов подавления реакции якоря работа машины постоянного тока, имеющей среднюю и большую мощность, практически невозможна.

Способы борьбы с реакцией якоря

Наиболее простым и первым из появившихся способов стало увеличение воздушного зазора от середины к краям наконечников полюсов, т. е. выполнение расходящегося зазора. При этом увеличивалось магнитное сопротивление потоку реакции якоря, и воздействие его на поле возбуждения уменьшалось. Но сопротивление росло и для потока возбуждения, что вынуждало увеличивать габариты катушек на главных полюсах.

Для ослабления потока якоря при изготовлении главных полюсов используется электротехническая сталь с магнитной анизотропией ее свойств (магнитной проницаемости) вдоль и поперек оси полюсов. Полюсы из такой стали хорошо проводят продольный поток возбуждения и плохо — поперечный поток якоря. Однако такая сталь очень дорога, а ее свойства сильно зависят от температуры и изменяются с течением времени.

Наконец был найден радикальный способ борьбы с реакцией якоря машины постоянного тока. Устройство и принцип действия ее при этом почти не изменились, но добавилась еще одна обмотка – компенсационная. Она размещается в пазах, выполняемых в наконечниках главных полюсов (или в пазах статора вместе с обмоткой возбуждения при неявнополюсной конструкции), как показано на рисунке ниже, и присоединяется последовательно к обмотке якоря, т. е. по ним проходит одинаковый ток.

Однако направление обтекания им витков компенсационной обмотки выбрано таким образом, что возбуждаемый ею магнитный поток направлен навстречу потоку реакции якоря и компенсирует его.

Все современные электрические машины постоянного тока, имеющие среднюю и большую мощность, оснащаются такой обмоткой.

21. Электрические машины постоянного тока

Машина постоянного тока независимого возбуждения. Режимы работы и механические характеристики

Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения на электрических схемах приведено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Условное изображение машины постоянного тока независимого возбуждения

При вращении якоря его обмотка пересекает Ф_ост и в ней индуцируется небольшая по величине остаточная ЭДС Е_ост. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток возбуждения, который создаст небольшой магнитный поток. Если обмотка возбуждения включена правильно, то этот магнитный поток совпадет с остаточным магнитным потоком.

Рисунок 2.3

В результате общий магнитный поток возрастает, увеличится и ЭДС, наводимая этим потоком в обмотке якоря. Поскольку возросла ЭДС якоря, возрастает и ток возбуждения, что в свою очередь ведет к новому увеличению магнитного потока и ЭДС якоря. Процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря не станет равной падению напряжения в цепи возбуждения.

Запишем уравнение согласно второго закона Кирхгофа для контура, включающего в себя цепь якоря и цепь возбуждения:

Е_я=I_в R_ов+I_вR_я+I_вR_в=I_вR_цв

Здесь:

R_ов— сопротивление обмотки возбуждения;

R_я — сопротивление обмотки якоря;

R_в — сопротивление реостата;

R_цв= R_ов + R_я+ I_я R_я — сопротивление цепи возбуждения.

Если Е_я> I_вR_цв, то процесс самовозбуждения проходит.

Если Е_я= I_вR_цв, то процесс самовозбуждения останавливается.

Если Е_я< I_вR_цв, то процесса самовозбуждения нет и машина не возбуждается.

Таким образом, для обеспечения процесса самовозбуждения генератора постоянного тока необходимо три условия:

1. наличие остаточного магнитного потока в магнитной системе машины;

2. правильное включение обмотки возбуждения;

3. сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

Аналогично процесс возбуждения происходит у генераторов с последовательным возбуждением, но для этого к ним необходимо подключить нагрузку.

Рассмотрим работу машины постоянного тока независимого возбуждения в режиме двигателя (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4

Обмотку возбуждения подключена к источнику постоянного тока, под действием которого в ней будет протекать ток возбуждения и создаваться магнитный поток машины. Если к источнику постоянного тока подключить обмотку якоря, то по ней потечет ток якоря. Тогда на проводники с током якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения будут действовать электромагнитные силы, совокупность которых образует вращающий момент, приложенный к якорю. Направление этого момента можно найти по правилу левой руки, а величину его по выражению

M=kФI_я.

Под действием этого момента якорь придет во вращение, а его проводники — пересекать магнитный поток возбуждения и в них будет индуцироваться ЭДС Е_я, величину которой можно найти согласно:

Е_я=kФ?

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. В двигательном режиме ЭДС якоря в двигателе будет направлена против тока якоря. По величине Е_я близка напряжению сети, но всегда его меньше.

Значение Е_я зависит от частоты вращения якоря (?). Если под действием постороннего вращающего момента увеличивать скорость вращения якоря, то можно достичь такой скорости (?₀), при которой Е_я =U. В этом случае ток через якорь протекать не будет (I_я=0) несмотря на то, что обмотка якоря подключена к сети постоянного тока. Такой режим работы называют режимом идеального холостого хода.

Запишем уравнение для цепи якоря двигателя согласно второго закона Кирхгофа:

U — Е_я = I_я(R+R_p).

Учитывая, что Е_я=kФ?, после подстановки получим:

?= (U — I_я(R+R_p))/kФ.

Полученное уравнение называют уравнением электромеханической характеристики.

Если принять, что U=U_н, Ф=Ф_н, R_р=0, то получим уравнение естественной электромеханической характеристики:

Чтобы получить выражение для механической характеристики, нужно учесть, что M=kФI_я., выразить отсюда ток якоря I_я=M/(kФ) и подставить его в уравнение электромеханической характеристики:

Полученное уравнение называется уравнением механической характеристики.

Если в это уравнение подставить U=U_н, Ф=Ф_н, R_p=0, то получим уравнение естественной механической характеристики:

В режиме идеального холостого хода, когда Е_я=U, I_я=0, М=0, якорь должен вращаться со скоростью ?₀, тогда из выражений для механической и электромеханической характеристик следует, что скорость идеального холостого хода можно найти согласно выражению:

?₀ = U/(kФ)

Механическая характеристика двигателя — это зависимость угловой скорости двигателя от вращающего момента ? =f(M), полученная при неизменных других параметрах (при U=const, Ф=const, R_p=const). Механическая характеристика, снятая при нормальных рабочих условиях (U_н,I_вн,R_р=0) называется естественной характеристикой. Все прочие характеристики называют искусственными.

На рисунке 2.5 приведено семейство искусственных характеристик, соответствующих различным значениям сопротивления реостата R_p, включенного последовательно с якорем.

Рисунок 2.5

Все характеристики пересекаются в точке идеального холостого хода ?₀, поскольку скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления якорной цепи двигателя

(?₀=U/kФ).

Разность значений установившихся скоростей до и после приложения заданной статической нагрузки называется статическим падением скорости электропривода (??₀). Для данного двигателя из уравнения естественной механической характеристики следует, что:

.

Для искусственных характеристик статическое падение скорости определится из выражения:

.

Уравнение для скорости двигателя запишется в следующей форме:

?=?₀-??.

13.1. Общие сведения

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основ­ное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возмож­ности плавного регулирования частоты вращения и получения боль­ших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электри­ческом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности приме­няются в системах автоматического регулирования, где они исполь­зуются не только для привода исполнительных механизмов, но и как датчики частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока находят применение в системах электропитания специального оборудования, например в радиотехни­ческих установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электро­литических ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока яв­ляется их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию це­пей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надеж­ность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком применения двигателей постоянного тока является необ­ходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

13.2. Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вра­щающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной мо­мент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном.

Неподвижная^— часть состоит из станины (рис. 13.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы для возбуждения главного

магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации (см. § 13.7) в машине.

Главный полюс состоит из сердечника полюса, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки воз­буждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным нако­нечником для создания требуемого рас­пределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 13.2). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно по­стоянен. Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между основ­ными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последовательно с яко­рем.

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее отно­сительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В маши­не постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали (рис. 13.3, а) толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря (рис. 13.3, б) обычно состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 13.4). Щетку 1 к кол­лектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверсакрепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Рис. 13.3.

Характерной частью электрических машин постоянного тока яв­ляется коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 13.5). Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводниками 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вра­щающаяся обмотка соединяется с fjSB* внешней цепью скользящим кон- pNsI тактом между щетками и коллек- ШЯ

Как и все электрические маши- HP ны, машина постоянного тока об- ^^7 ратима. Она работает в режиме _Рис12 генератора, если ее вращает пер­вичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях ЭДС, ин­дуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток.

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу машины тормозной момент, который преодолевается первич­ным двигателем. Генератор преобразует меха­ническую энергию в электрическую.

Рис. 13.5.

В двигательном режиме цепи якоря и воз­буждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу ма­шины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Таким образом, одна и та же машина мо­жет быть использована в качестве генератора или двигателя. Важнейшим классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Одним из них является использование постоянных магнитов на полюсах ма­шины. Во многих современных машинах главное магнитное поле воз­буждается с помощью электромагнитов. Для этого используется об­мотка возбуждения с током возбуждения, размещенная на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоян­ного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двига­теля зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой, в соответствии с чем принято различать параллельное, последовательное, смешанное и независимое возбуждение машин. Практически весьма ценно то обстоятельство, что мощность цепи возбуждения прилюбом способе включения обмотки возбуждения относительно мала — примерно 5% номинальной мощности у малых машин и менее 1 % — у машин большой мощности. Это делает возможным экономичное управление работой машины по­стоянного тока (напряжением генератора, угловой скоростью враще­ния двигателя).

В машинах о независимым возбуждением обмотка возбуждения подключается к независимому источнику электроэнергии, благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Сечение проводов обмотки возбуждения в этих машинах выбирается в зависимости от напряжения источника тока возбуждения. Характерным для этих машин является независимость главного магнитного по­тока от нагрузки машины.

а б

Рис.13.7.

У машин с параллельным возбужде­нием цепь обмотки возбуждения соеди­ няется параллельно с цепью якоря (рис.13.7, а). В этом случае ток возбужде­ния I_в во много раз меньше тока якоря (0,05—0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (r_B = U/I_В) должно быть относительно вели­ко. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков w_nap из тонкого провода и благодаря этому об­ладает значительным сопротивлением. Характерно для машин парал­лельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, по­стоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

У машин с последовательным возбуждением ток якоря I_я равен току обмотки возбуждения (рис. 13.7, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока I_я в обмотке последова­тельного возбуждения велико, благодаря чему для получения необхо­димой МДС (I_яw_пос) достаточно, чтобы эта обмотка имела малое число витков w_пос . Следовательно, сопротивление обмотки последовательного возбуждения r_в относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изме­нениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, который является одновременно и током возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сер­дечнике расположены две обмотки (рис. 13.8).

Одна из этих обмоток, подключаемая параллельно якорю, явля­ется основной. Создаваемая ею МДС (I_парw_пар) возбуж­дает главное магнитное поле.

Рис. 13.8.

Вторая обмотка w_noc лишь дополнительно воздей­ствует на это магнитное поле. В зависимости от преоб­ладания МДС, созданных последовательной или парал­лельной обмоткой возбуждения, машина по своим ха­рактеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой воз­буждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т. е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток име­ют противоположное направление, применяется в немногих специаль­ных случаях.

виды и принцип их работы

Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.

Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.

Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.

Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем. Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.

При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.

Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.

По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.

По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.

По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.

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.

Рис. 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.

На 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 полюсовp, 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 полюсаN_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.

Конструкция машин постоянного тока

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.

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.

Рис. 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.

Якорь машины 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 .