Сферы применения электродвигателей постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Реакция якоря

3. ЭДС якоря

4. Принцип работы в режимах генератора и двигателя

5. Электромагнитный момент

6. Понятие о коммутации

7. Задачи

Список литературы



Введение

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности. Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон - от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов.

Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей). В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).



2.Реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев - явление нежелательное, искажающее главное магнитное поле и тем самым ухудшающее условия работы машины, поэтому при конструировании машины предусматриваются меры для уменьшения ее влияния.

Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (I_Я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердечников полюсов и под полюсами почти равномерно. На рис. 1.1, a показано схематически такое поле двухполюсной (р = 1) машины. Геометрическая нейтраль п-п' - линия, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на дуге якоря области северного и южного полюсов, совпадает в этих условиях с физической нейтралью - линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю.

Рис. 1.1 Щетки, условно показанные опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены на коллекторе), находятся на геометрической нейтрали.

При токе в обмотке якоря он становится электромагнитом, ось которого направлена по оси щеток (рис. 1.1, б). По отношению к оси поля главных полюсов ось поля якоря направлена перпендикулярно, пока щетки стоят на геометрической нейтрали: в этих условиях поле якоря поперечное.

В современных машинах постоянного тока щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Но если щетки смещены с нее, то кроме поперечного поля возникает и продольное поле реакции якоря.

При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на главное поле, создает результирующее поле, характер которого примерно показан на рис. 1.1, в.

Линии магнитного поля в машине смещаются по направлению ее вращения в генераторном режиме или против направления вращения в двигательном режиме. При этом поток распределяется несимметрично но отношению к оси полюсов - ослабляется под одним краем и усиливается под другим. Вместе с тем в результате реакции якоря физическая нейтраль т-т' смещается по отношению к геометрической n - п' на угол в и щетки оказываются вне физической нейтрали.

Рассмотрим, как распределяется магнитная индукция под полюсами вследствие реакции якоря. Пока поле создается только главными полюсами, оно симметрично по отношению к оси полюсов и под полюсами почти равномерно (рис. 1.1, кривая 1). Обмотка якоря распределяется вдоль окружности якоря в пазах. Поэтому ток в обмотке якоря создает МДС, которая изменяется ступенчато вдоль этой окружности. Но так как число пазов довольно велико, то можно заменить ступенчатую кривую прямой. Наибольшее значение МДС якоря достигается на оси щеток (кривая 2). Если рассматривать поле якоря независимо от главного, то распределение его магнитной индукции будет в большой мере определяться магнитным сопротивлением на пути потока якоря. Это сопротивление относительно мало и постоянно вдоль окружности под полюсами машины и сильно возрастает в промежутке между полюсами. Вследствие такого влияния кривая 3 распределения индукции поля якоря имеет седлообразный характер.

Если сердечники полюсов машины в рабочих условиях не насыщаются, то поле машины при нагрузке можно определить путем наложения на главное поле поля якоря. При таком наложении магнитный поток, возбуждающий ЭДС якоря, остается прежним, но изменится его распределение вдоль окружности якоря (кривая 4).

При этом физическая нейтраль не будет совпадать с геометрической, и так как щетки стоят на геометрической нейтрали, то из-за реакции якоря при нагрузке они окажутся вне физической нейтрали.

Искажение магнитного поля под полюсами сопровождается значительным местным повышением магнитной индукции. Мгновенные значения ЭДС, индуктируемой в секции обмотки при ее движении, пропорциональны этой индукции. Следовательно, искажение поля может вызвать такое повышение напряжения между соседними пластинами коллектора (свыше 30 - 50 В), при котором между этими пластинами возможно возникновение опасных устойчивых дуговых разрядов (кругового огня по коллектору).

До сих пор не учитывалось влияние насыщения магнитопровода при реакции якоря.

Под одним краем полюса магнитная индукция возрастает настолько, что зубцы якоря и сердечника полюсов вдоль этого участка насыщаются (рис. 1.2, заштрихованная часть графика 4), в результате чего поле якоря ослабляет главное магнитное поле под одним краем полюса больше (-ДB рис. 1.3), чем усиливает это поле под другим краем полюса (+ДB). Таким образом, реакция якоря вызывает еще уменьшение главного магнитного потока, которому пропорциональна ЭДС якоря.

генератор электромагнитный якорь коммутация



3.ЭДС якоря

В симметричной обмотке якоря все параллельные ветви имеют одинаковую ЭДС, следовательно, в якоре и в параллельной ветви ЭДС тождественны.

Для получения ЭДС параллельной ветви нужно просуммировать ЭДС всех N/2a проводников, входящих в параллельную

2p/a=C₄ (5.17)

где C_e=pN/(60a) - коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы. Формула (5.19) дает среднее значение ЭДС. В действительности ЭДС пульсирует между двумя предельными значениями -- Е_тах и E_min, так как при вращении якоря часть витков, замыкаясь щетками накоротко, выключается из параллельных ветвей. Это число короткозамкнутых пластин изменяется на единицу, в связи с чем число секций в параллельной ветви изменяется также на единицу. Приближенно пульсации можно оценить, если предположить, что магнитный поток на поверхности якоря распределен синусоидально.

ЭДС проводника e=вl _a э _a.Тогда ЭДС параллельной ветви

(5.18)

СnФ (5.19)

e_CA.=e_c0cosa, (5.20)

где е_со -- максимальная ЭДС секции, индуцируемая, когда ее стороны находятся под серединами соседних полюсов; а=пх/х -- угол между секцией и осью главного полюса; х -- смещение между ними.

Электродвижущую силу параллельной ветви можно получить, складывая геометрически векторы ЭДС секций.

Так как при вращении якоря происходит и вращение многоугольника ЭДС относительно его центра, то изменяется его проекция, т. е. ЭДС Е_а, с периодичностью поворота на одну коллекторную пластину.

Пульсации ЭДС зависят только от числа секций в параллельной ветви. Значения АЕ=0,5(Е_тах--Emm) в зависимости от числа секций 5 приведены ниже.

Конечно, эти данные не абсолютно точны, но дают наглядное представление о влиянии числа секций в параллельной ветви на ЭДС.

Кроме пульсаций с частотой, соответствующей повороту на одну коллекторную пластину, ЭДС якоря содержит также пульсации, частота которых соответствует повороту на одно зубцовое деление, зависящие от изменения положения зубцов якоря относительно полюса; а их амплитуда, как правило, в 2...3 раза больше амплитуды коллекторных пульсаций. Она уменьшается с увеличением числа зубцов, приходящихся на пару параллельных ветвей Z/a.

Под нагрузкой, когда замкнута внешняя цепь, через обмотку якоря проходит ток. В генераторном режиме ток совпадает по направлению с ЭДС. На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действует электромагнитное усилие направление которого определяется по правилу левой руки.

4. Принцип работы в режимах генератора и двигателя

Генератором называется машина, преобразующая механическую энергию в электрическую. Работа генератора основана на использовании явления электромагнитной индукции. В генераторе якорь 1 (фиг. 107) с обмоткой вращается первичным двигателем в магнитном поле полюсов N и S электромагнитов 2. Электродвижущая сила, индуктируемая в проводниках обмотки якоря при помощи коллектора 3 и щеток, отводится во внешнюю цепь. Благодаря наличию коллектора ток, отдаваемый обмоткой якоря во внешнюю цепь, будет постоянным.

Для вращения генератора в качестве первичного двигателя можно применить паровую машину, паровую турбину, водяную турбину, двигатель внутреннего сгорания, ветряной двигатель, электрический двигатель.

5.Электромагнитный момент

Рассматривая различные типы обмоток якоря, мы установили, что ЭДС между разнополярными щетками (ЭДС обмотки якоря) определяется суммой ЭДС всех секций, образующих одну параллельную ветвь. Получим выражение для ЭДС обмотки якоря Е, полагая, что щетки установлены на линии геометрической нейтрали и машина работает на холостом ходу. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю (), поэтому магнитное поле в воздушном зазоре создается только обмоткой возбуждения (рис. 6.7). В машинах постоянного тока нет необходимости в получении синусоидального распределения радиальной составляющей индукции , напротив, кривую распределения  стремятся сделать близкой к трапецеидальной форме, так как при этом уменьшаются пульсации суммарной ЭДС якорной обмотки.

Примем за начало отсчета положение левой щетки (рис. 6.7), тогда ЭДС  в проводнике, расположенном на расстоянии x от начала координат, определится выражением

.

Если обмотка состоит из N проводников и образует 2а параллельных ветвей, то каждая ветвь обмотки состоит из  последовательно соединенных проводников. Тогда ЭДС якоря

.

При достаточно большом числе проводников сумму мгновенных значений индукции можно выразить через среднюю индукцию под полюсом:

,



где .

В этом случае выражение для ЭДС Е упрощается,

.

Учитывая, что

,

Получим

, (6.1)

где  - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров.

Таким образом, ЭДС якоря пропорциональна произведению частоты вращения якоря на магнитный поток, сцепленный с секциями, образующими параллельную ветвь.



Если щетки сдвинуть с геометрической нейтрали, то параллельная ветвь обмотки образуется из секций, имеющих ЭДС разных знаков, а это эквивалентно уменьшению магнитного потока на величину заштрихованных площадок (рис. 6.8). При сдвиге щеток на половину полюсного деления полезный поток и ЭДС обмотки якоря будут равны нулю.

Если включить на зажимы якоря нагрузку, то под действием ЭДС Е потечет ток  и возникнет электромагнитный момент

.

Подставляя сюда выражение для ЭДС (6.1), получим

, (6.2)

где .

Как следует из (6.2), электромагнитный момент пропорционален произведению потока, сцепленного с секциями параллельной ветви, на ток якоря. Величина электромагнитного момента, так же как и ЭДС Е, снижается при сдвиге щеток с геометрической нейтрали, так как уменьшается магнитный поток Ф, сцепленный с секциями параллельной ветви. На величину потока Ф оказывает влияние также поток реакции якоря, создаваемый током нагрузки .



6. Понятие о коммутации

Коммутацией тока называется процесс снятия тока с коллектора, связанный с переключением секций из одной параллельной ветви в другую. Ток в коммутируемой секции изменяет направление.

При вращении якоря машины коллекторные пластины поочередно приходят в соприкосновение со щетками, так что в определенные промежутки времени секция или несколько секций замыкаются щеткой. Поскольку переходное сопротивление между щеткой и коллекторной пластиной сравнительно мало, то замыкание секций щеткой близко к их короткому замыканию.

На рис. 140, а показана секция простой параллельной обмотки. В этой секции протекает ток одной параллельной ветви:

где Iя -- ток нагрузки,

2а -- число параллельных ветвей обмотки.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых протекает ток одной параллельно ветви iя.

Таким образом, через коллекторную пластину и щетку протекает ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2iя. В выделенной нами секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки. В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая выделенную нам секцию (рис. 140, б). В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2, и ток в выделенной нам секции изменит направление на обратное (рис. 140, в), т. е. секции переключается из одной параллельной ветви в другую. Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало и а это время в секции происходит изменение тока от +iя до --iя.

При изменении тока в секции создается э. д. с. самоиндукции которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются э. д. с. взаимоиндукции. Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки. Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором вызывает возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению послед него. Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на не и т.д. Даже незначительное искрение щеток является нежелательный так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышаете нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором. Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся активные стороны коммутируемы: секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при ко тором индуктируемая в секциях э.д. с. вращения е_v„ будет равен; и противоположна реактивной э.д.с. е_r, т.е. е_v = --е_r. Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительны полюсы Nк и Sк, размещая их между главными полюсами. Таким образом, полярность дополнительного полюса в генераторе должна соответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря главного полюса. В двигателе полярность дополнительного полюса должна соответствовать полярности предыдущего по направлению вращения якоря главного полюса.

Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенсирована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная э. д. с. пропорциональна току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если э. д. с. вращения также пропорциональна току нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изменяться пропорционально току якоря.

7. Задачи

Задача 1.

Решение:



1) На схеме электрической цепи (рис.1) условно изображаем направления токов в ветвях.

Цепь имеет n=4 узла (a,b,c,d) и m=6 ветвей.

2) Обход контуров производим по часовой стрелке. По первому закону Кирхгофа составляем n-1=4-1=3 уравнения, а по второму закону Кирхгофа составляем m-(n-1)=6-3=3 уравнения.

Составляем требуемые 6 уравнений:

1) 0=I₆-I₁-I₂ (По 1 закону Кирхгофа для узла «а»);

2) 0=I₁+I₂-I₃ (По 1 закону Кирхгофа для узла «b»);

3) 0=I₃-I₄-I₅ (По 1 закону Кирхгофа для узла «c»);

4) E₁-E₂=R₁I₁+R₂I₅+(R₄R₆)I₆ (По 2 закону Кирхгофа для контура aR₁bcR₂dR₆R₄a);

5) E₁=R₁I₁+R₂I₄+(R₄₊R₆)I₆ (По 2 закону Кирхгофа для контура aR₁bcR₅dR₆R₄a);

6) 0=R₃I₂+R₅I₄+(R₄₊R₆)I₆ (По 2 закону Кирхгофа для контура aR₃bcR₅dR₆R₄a);

Задача 2:

Схема согласно варианту № 28 имеет вид:

Вари- Нт	(B)	Приемник фазы А	Приемник фазы B	Приемник фазы C
		R (Ом)	L (мГн)	C (МкФ)	R (Ом)	L (мГн)	C (МкФ)	R (Ом)	L (мГн)	C (МкФ)
28	127	40	-	50	20	-	-	-	70	-



Определяем реактивные сопротивления фазы

-для фазы А

= 63,6

Где ю=2рf=2*3,14*50=314(1/с)

-Для фазы В:

В фазе В реактивных сопротивлений по условию нет.

-для фазы С:

2. Определяем полные комплексные сопротивления фаз

- для фазы А:

=64(Ом)

-для фазы В: (Ом)

-для фазы С: =j21=j21(Ом)

3. При соединении приемников по схеме «звезда» с нулевым проводом линейные токи равны фазным токам, т.е. Iл =I, а к приемникам приложено фазное напряжение источника

= = 73 (В)



Запишем комплексные действующие значения фазных напряжений сети, совместив вектор с осью действительных величин (см. рис. 2), Тогда будет отставать от на 120, а будет опережать 120.

=

=

=

4. Определяем фазные (они же линейные) токи приемников по закону Ома:

==

==

==

5. Определяем ток в нулевом проводе IN , как сумму трех токов по 1-му закону Кирхгофа для узла n:

++ =

= 1,1cos0,8

+j3,65 sin(-120)+3,5cos30+j3,5cos30=

=1,99 + j0,01 - 1,82 - j0,73 + 2,8 +j2,8=1,24+j2,81=

= ;

6. Строим совмещенную векторную диаграмму токов и напряжений, задавая масштаб векторам токов и напряжений.



7. Определяем активную мощность:

=414,85(Вт)

Определяем реактивную мощность:

Q =

Определяем полную мощность цепи:



Список литературы

1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В. и др. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1989. - 528 с.

2. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергия, 1981. т.1. 536 с.

3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергия, 1981. т.2. 346 с.

4. Бессонов Л.А.. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. шк., 1984. - 559 с.: ил.

5. Атабеков Г.И. Линейные электрические цепи. - М.: Энергия, 1978.-. 432 с.

6. Теоретические основы электротехники. Т.1. Под ред. П. А. Ионкина. М.: Высшая школа, 1976.- 544с.

7. Теоретические основы электротехники. Т.2.Под ред. П. А. Ионкина. М.: Высшая школа, 1976.- 383с.

8. Матханов П.А. Основы анализа электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1990. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru