Машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Машины постоянного тока

В автоматизированных электроприводах, обеспечивающих управление скоростью и положением различных объектов управления, широко используются машины постоянного тока, в основном в режиме двигателя. Применение двигателей постоянного тока в качестве исполнительных двигателей систем автоматического управления объясняется хорошими регулировочными свойствами. В приводах координатных систем применяются линейные двигатели постоянного тока. В качестве силовых преобразователей, обеспечивающих управление исполнительными двигателями постоянного тока, применяются электромашинные усилители мощности. Для выработки сигналов обратной связи в замкнутых системах автоматического управления используются тахогенераторы постоянного тока.

Машины постоянного тока бывают униполярные, коллекторные, т.е. имеющие скользящий контакт коллектор - щетки, и бесконтактные. Основная масса машин постоянного тока - коллекторные. Коллекторная машина постоянного тока характеризуется тем, что в обмотке якоря наводится переменная ЭДС, частота которой пропорциональна угловой скорости ротора, а между обмоткой якоря и внешней цепью постоянного тока включается механический преобразователь частоты - коллектор со щетками. В результате во внешней цепи машины ток протекает постоянный, а по каждому проводнику обмотки якоря - переменный, частота изменения которого определяется угловой скоростью ротора.

Конструкция

Коллекторная машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора, называемой иногда индуктором, и вращающейся части - ротора, называемой якорем.

Рис. 1

На рис. представлена конструктивная схема машины постоянного тока с барабанным якорем. На внутренней части корпуса 1, отлитого из стали или чугуна, прикреплены сердечники главных полюсов 2. Сердечники набраны из листовой электротехнической стали, с их помощью магнитный поток подводится к якорю. Сердечники выполняют наборными, чтобы уменьшить потери мощности от пульсаций магнитного потока, возникающих при вращении зубчатого якоря под полюсом. На сердечниках расположена сосредоточенная обмотка 3, создающая МДС и поток возбуждения машины; обмотка изготовлена из изолированного медного провода. Сосредоточенной принято называть обмотку, в которой магнитные оси всех витков совпадают с результирующей магнитной осью обмотки. На геометрической нейтрали ГН машины - линии геометрической симметрии магнитной системы - в корпусе расположены литые сердечники дополнительных полюсов 4 с обмотками возбуждения 5.

Дополнительные полюсы создают в зоне геометрической нейтрали магнитный поток, служащий для уменьшения искрения в скользящем контакте коллектор - щетки. Сердечник якоря 6 представляет собой цилиндр, набранный из листовой электротехнической стали с пазами для укладки обмотки и укрепляемый на валу машины. Распределенная обмотка якоря 7 собирается из отдельных катушек со сходящимися (см.рис.2.5,а) или расходящимися концами, выведенными на коллектор. Коллектор выполнен в виде цилиндра, собранного из медных пластин, изолированных друг от друга миканитом или пластмассой; число коллекторных пластин К равно числу катушек. Крепится коллектор на одном валу с сердечником якоря. Щетки 9 представляют собой стержни из графита с добавлением металлических порошков (меди, серебра), скользящие по поверхности вращающегося коллектора и подающие или снимающие напряжение и ток с обмотки якоря. Щетки устанавливаются в окнах щеткодержателей, прижимаются пружинами и при износе могут легко заменяться. Щеткодержатели крепятся к корпусу с помощью изоляционных кронштейнов. Вал ротора 10 вращается в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции - паровой турбиной, на гидроэлектростанции - водяной турбиной. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.

Режим генератора

Рис. 2 Рис. 3

Предположим, что якорь машины (рис. 2, 3) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э.д.с, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 4) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э.д.с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э.д.с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э.д.с.

enp = Blv,

где В - величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; 1 - активная длина проводника, т.е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v - линейная скорость движения проводника.

Рис. 4 - Правила правой (а) и левой (б) руки

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э.д.с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э.д.с. якоря рассматриваемой машины

Ea=2enp = 2Blv

Э.д.с. Еа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э.д.с. в проводниках меняется. По форме кривая э.д.с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 5, а).

Рис. 5 - Кривые э.д.с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Частота э.д.с. в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар 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 1а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э.д.с. (рис. 5, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 2) на 90° и изменении направления э.д.с. 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 остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 5, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 5, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей, Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря Rа:

Ua = Ea-laRa.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fnp и возникнет электромагнитный момент М. При достаточной величине М якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 6, а) и двигателя (рис. 6, б) были одинаковы, то направление действия M, а, следовательно, и направление тока Iа у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 6, б).

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 двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э.д.с. Еа. Направление этой э.д.с. в двигателе (рис. 6, б) такое же, как и в генераторе (рис. 6, а).

Таким образом, в двигателе э.д.с. якоря Еа направлена против тока Iв и приложенного к зажимам якоря напряжения Ua. Поэтому э.д.с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока 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 весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Машины постоянного тока по своим характеристикам определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной.

Рис. 6

Рис. 7

ток электрический машина генератор

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения.

За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало.

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят применение в сварочных генераторах постоянного тока.

Рис. 8

В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнитный поток и придающая устойчивость механической характеристике.

Способы возбуждения

Под способом возбуждения машины понимается схема соединения обмоток возбуждения главных полюсов и якоря. При независимом возбуждении обмотка главных полюсов получает питание от внешнего источника постоянного тока; независимым является также возбуждение машины с помощью постоянного магнита. Параллельное возбуждение обеспечивается параллельным подключением обмотки возбуждения и обмотки якоря по отношению к сопротивлению нагрузки или источнику питания, последовательное возбуждение - последовательным включением обмотки возбуждения и обмотки якоря. Машины смешанного возбуждения имеют на главных полюсах несколько обмоток, часть из которых включается независимо или параллельно, другая - последовательно по отношению к якорю. Конструктивно эти машины отличаются только параметрами обмоток главных полюсов: обмотки независимого и параллельного возбуждения выполняют с большим числом витков из провода малого сечения и относительно большим сопротивлением; обмотки последовательного возбуждения - с малым числом витков из провода большого сечения и относительно малым сопротивлением. Способ возбуждения весьма сильно влияет на основные характеристики машины.

Размещено на Allbest.ru