Двигатель мпт


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 L1, L2, L3, и нижнюю, состоящую из секций L4, 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 ук. Для простой петлевой обмотки ук=1, а для простой волновой - ук=(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.

www.syl.ru

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (МПТ)

Поиск Лекций

 

Назначение и устройство машин постоянного тока

 

Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, то есть обладают свойством обратимости. В режиме генератора они преобразуют энергию, подводимую к их валу от первичного двигателя, в электрическую энергию постоянного напряжения, а в режиме двигателя осуществляют обратное преобразование: электрическую энергию постоянного напряжения преобразуют в механическую энергию, снимаемую с вала двигателя.

Генераторы постоянного тока предназначены для выработки энергии постоянного тока и применяются для питания ряда устройств, работающих на постоянном токе. Кроме того, генераторы постоянного тока применяются в качестве устройств систем автоматизированного управления. В качестве источников энергии генераторы постоянного тока в настоящее время используются относительно редко, так как для получения энергии постоянного тока разработаны и широко используются различные преобразователи переменного тока в постоянный.

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в тех случаях когда механизм, приводимый во вращение двигателем, должен иметь широкий диапазон регулирования скорости: в приводах высоковольтных выключателей, в мощных металлорежущих станках, на электрифицированном транспорте, в автоматике и др.

В системах автоматического регулирования широко примененяются машины постоянного тока малой мощности. Они используются для привода исполнительных механизмов и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Основным недостатком электрических машин постоянного тока является их конструктивная сложность, связанная, главным образом, с щеточно-коллекторным узлом. В щеточно-коллекторном узле, осуществляющем постоянную коммутацию цепей машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

Существенным достоинством двигателя постоянного тока является возможность плавного регулирования их скорости вращения в широком диапазоне.

На рис.15представлена простейшая машина постоянного тока. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис.15 простейшей машины имеет два полюса (ярмо индуктора на рисунке не показано).

Рис.15. Простейшая машина постоянного тока

 

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис.15 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

 

Принцип работы МПТ

 

Простейшую машину постоянного тока можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 16). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь. Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, можно представить постоянными магнитами.

а) б) в)

Рис.16. Работа простейшей машины постоянного тока (а) в режиме генератора (б)и двигателя (в)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис.16, а и б) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис.17, а)и показано на рис. рис.16, а и б.Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуцируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения.

а б

Рис.17. Правила правой (а) и левой (б) руки

Величина индуцируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС (1) будет равна: где – ЭДС проводника, B – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; vа– линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуцируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины:

(44)

ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис.18, а).

а б

Рис.18. Кривые ЭДС и тока простейшей машины:

а – в якоре; б – во внешней цепи

 

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в минуту: а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью:

(45)

где – скорость вращения якоря [об/мин];

– число пар полюсов в машине.

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток . В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис.18, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис.16, а) на 90° и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи 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 (рис.18, а),получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис.18, 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 на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря :

(46)

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис.16, а), направление которых определяется по правилу левой руки (рис.17, б):

(47)

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом и на рис.16, бравен:

(48)

где — диаметр якоря.

Как видно из рис.16, б, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

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 и возникнет электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (47) и (48). При достаточной величине якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис.16, б) и двигателя (рис.16, в)были одинаковы, то направление действия , а, следовательно, и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис.16, в).

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 ЭДС , величина, которая определяется равенством (44). Направление этой ЭДС в двигателе (рис.16,в)такое же, как и в генераторе (рис.16, б). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС).

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

(49)

Из сравнения равенств (46) и (49) видно, что в генераторе , а в двигателе .

Принцип обратимости.Из изложенного выше следует, что 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.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

 

poisk-ru.ru

37) Режимы работы мпт

Двигательный режим

Частота вращения меньше частоты вращения идеального холо-

стого хода и больше нуля, направление электромагнитного момента

совпадает с направлением частоты вращения, ток потребляется из се-

ти. Характеристики находятся в первом квадранте при прямом на-

правлении вращения и в третьем – при обратном.

Режим рекуперативного (генераторного) торможения

Возможен, если под действием внешнего момента частота вра-

щения якоря превысит частоту идеального холостого хода. Момент,

развиваемый двигателем, направлен противоположно частоте враще-

ния, т. е. является тормозным, а ток становится отрицательным (энер-

гия внешнего привода за вычетом потерь отдаётся в сеть). Характери-

стики являются продолжением двигательного режима во втором квад-

ранте при прямом направлении вращения, и в четвёртом – при обрат-

ном.

Торможение противовключением

Достигается в том случае, если: 1 - под действием внешнего

момента направление вращения якоря изменится на противоположное;

2 – в результате изменения полярности тока якоря

по отношению к магнитному потоку при вращающемся якоре разви-

ваемый машиной момент становится противоположным по знаку на-

правлению вращения.

Ток при торможении противовключением очень велик и превышает пусковой, поэтому данный режим допустим только при дополнительном сопротивлении в цепи якоря.

Динамическое торможение

Осуществляется путём отключения обмотки якоря от питающей

сети и быстром замыкании её на тормозное сопротивление при неиз-

менном потоке возбуждения. Ток в цепи якоря течёт под действием

э.д.с. вращения:

38) Способы соединения цепей якоря и обмотки возбуждения электрических мпт

39) Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Vϒ(гамма) - напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения - Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

ID_MAX - максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу токаID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) - Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

studfiles.net

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е1 – е2.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

electrono.ru

/ 2 семестр / МВ,МД,МО,МС.Электрические машины / Электрические машины. Вопросы к защите Пацкевич / МПТ

Машины постоянного тока

  1. Конструкция и назначение всех частей МПТ

  2. Принцип действия двигателя и генератора

  3. Способы создания магнитного поля в МПТ

  4. Назначение щеточно-коллекторного узла в генераторе

  5. Назначение щеточно-коллекторного узла в двигателе

  6. Разновидности якорных обмоток МПТ

  7. Шаги якорных обмоток, какими единицами они измеряются.

  8. Коммутация в МПТ, способы ее улучшения

  9. Назначение дополнительных полюсов в МПТ

  10. Разновидности МПТ по способу питания обмотки возбуждения

  11. Из каких частей состоит секция якорных обмоток и назначение этих частей

  12. Почему для МПТ слово «ротор» и «якорь» являются синонимами?

  13. Что подразумевается под возбуждением МПТ?

  14. Что такое реакция якоря?

  15. Способы уменьшения отрицательного воздействия реакции якоря на МПТ?

  16. Всегда ли присутствует реакция якоря? В каких случаях она отсутствует?

  17. Что такое геометрическая и физическая нейтраль в МПТ?

  18. Для чего применяют сдвиг щеток с геометрической на физическую?

  19. Основное электрическое уравнение якорной цепи для генераторного режима.

  20. Какие факторы влияют на величину ЭДС якоря?

  21. Какие генераторы называются генераторами с самовозбуждением?

  22. Условия самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением.

  23. Почему реакция якоря в генераторе приводит к уменьшению результирующего потока?

  24. Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением.

  25. Почему характеристика холостого хода идет не из нулевой точки?

  26. Почему характеристика холостого хода на начальном участке почти прямолинейна, а при больших токах возбуждения эта прямолинейность нарушается?

  27. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением.

  28. Почему с увеличением тока нагрузки генератора параллельного возбуждения напряжение на его зажимах уменьшается?

  29. Почему ток короткого замыкания генератора с параллельным возбуждением значительно меньше номинального тока?

  30. Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением?

  31. Почему на регулировочной характеристике увеличение тока нагрузки приводит к увеличению тока возбуждения?

  32. Основное уравнение в якорной цепи для режима двигателя.

  33. Факторы, влияющие на значение вращающего момента ДПТ.

  34. Какие факторы влияют на частоту вращения ДПТ.

  35. Почему при пуске возникает большой пусковой ток?

  36. Способы уменьшения большого пускового тока?

  37. Способы реверсирования двигателя.

  38. Объяснить поведение характеристики холостого хода ДПТ с параллельным возбуждением

  39. Объяснить поведение скоростной характеристики

  40. Объяснить поведение регулировочной характеристики ДПТ с параллельным возбуждением

  41. В каком случае ДПТ с параллельным возбуждением идет в разнос?

1.Конструкция и назначение всех частей МПТ?

Конструктивно МПТ состоят из 2 частей: 1. Неподвижная- статор, подвижная- ротор. Статор служит для создания рабочего подвижного потока в машине, внутри которого размещается вращательная часть ротор, который представляет собой ферромагнитный цилиндр набранный из пластин электротехнической стали, на внешней поверхности которого имеются пазы. Внутрь пазов укладывается обмотка ротора, которая состоит из отдельных катушек секций которые объединены между собой, и точка их объединения подключается к коллектору. Секции располагаются таким образом, что одна её часть находится под северным магнитным полюсом, а вторая под южным. Части секций находятся в зоне действия магнитного поля полюса называются активной стороной секции. Лобовая часть является лишь соединительными проводниками для активных сторон секций. Не в создании ЭДС, не в создании момента эти секции не участвуют. Коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию на внешней поверхности которой находится пластины из кадмированной меди (для повышения износа стойкости). Эти пластины изолированы друг от друга, и от вала машины, на которой коллектор насаживается. Выводы обмоток присоединяются к петушку. К коллектору прижимаются щётки, выполняются на графитовой или угольной основе, щётки изолированы друг от друга и от контура машины.

2.Принцип действия двигателя и генератора?

Принцип действия МПТ основан на взаимодействии магнитного поля с якорной обмоткой, причем в генераторном режиме, когда ротор машины приводится во вращение внешнем двигателем, в якорной обмотке по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС которая с помощью щётки снимается и направляется на потребление энергии. По закону электромагнитной индукции может наводиться только переменной ЭДС, поэтому непосредственно в якорной обмотке формируется ЭДС изменяемое как по величине, так и по направлению, а со щёток снимается постоянная ЭДС (эдс одного направления). Это возможно, потому что щёточно коллекторный узел является механизмом выпрямителем, с помощью которого переменное ЭДС превращённый в ЭДС одного направления. В двигательной режиме, по якорной обмотке через щётки и коллектор пропускается ток от источника постоянного тока и при взаимодействии этого тока с магнитным полем катушки возбуждение, по закону Ампера создается сила,от которой и образуется вращающийся момент двигателя. В двигательном режиме щёточный коллекторный узел выполняет инвертирование (превращения постоянного тока источника питания, в изменяемый ток якорной обмотки) это необходимо для того чтобы при перемещении активной стороны секции от одного полюса к другому направление действие силы тока не изменялось. Чтобы обеспечить сохранение неизменного вращения двигателя.

3.Способы создания магнитного поля в МПТ?

По способу создания магнитного поля МПТ: машины с магнитоэлектрическим возбуждением и машин с электромагнитным ваозбуждениям. При магнитоэлектрическим возбуждении, магнитное поле создается постоянными магнитами. При электромагнитным возбуждении магнитное поле создается с помощью электромагнитов которые представляют собой ферромагнитные сердечники с расположенными на них магнитами по которым пропускают постоянный ток.

4.Назначение щеточно-коллекторного узла в генераторе?

Назначение щеточно-коллекторного узла состоит в том, что в режиме генератора он представляет собой выпрямитель механического типа: в обмотке якоря ток переменный, а на выходе он выпрямленный.

5. Назначение щеточно-коллекторного узла в двигателе?

В режиме двигателя, где питание осуществляется постоянным током, щеточно-коллекторный узел преобразует его в переменный ток, протекающий по обмотке якоря. Если этого не сделать, то не будет происходить непрерывное вращение.

6.Разновидности якорных обмоток МПТ? Обмотки якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) шаг =1, и волновые (последовательные) шаг больше 1. В машинах большой мощности применяют также «лягушачью» (параллельно-последовательную) обмотку, в которой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток.

7.Шаги якорных обмоток и какими единицами они измеряются?

Результирующим шагом обмотки называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих одна за другой по ходу обмотки; первым частичным шагом (шагом секции) называют расстояние между двумя сторонами каждой секции; вторым частичным шагом — расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции.  Измеряется либо в долях полюсного деления, либо в зубцовых делениях (зубцовое деление - расстояние между двумя соседними зубцами сердечника, измеренное по поверхности сердечника якоря, обращенной к воздушному зазору).

8.Коммутация в МПТ и способы ее улучшения?

Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую. Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока. При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора

Улучшение коммутации:

А) обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации, это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля.

В) увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения  тока короткого замыкания, это достигается применением твердых графитовых  щеток с повышенным переходным сопротивлением.

В) тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы.

9.Назначение дополнительных полюсов в МПТ?

Дополнительными полюсами обеспечивается в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации, что и улучшает ее, уменьшается искрение и обгорание коллектора.

10.Разновидности МПТ по способу питания обмотки возбудителя?

МПТ могут выполняться: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от источника питания постоянного тока. Который электрически не связан с роторной обмоткой.

При параллельном возбуждении якорная обмотка включена параллельно обмотке возбуждения.

При последовательном возбуждении якорная обмотка и обмотка возбуждения подключена последовательно.

При смешанном возбуждении в машине имеются две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно, а вторая последовательно.

11.Из каких частей состоит секция якорной обмотки и назначение этих частей?

Секции состоят из двух активных проводников, которые непосредственно пересекают магнитный поток и индуцируют ЭДС, активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании ЭДС практически не участвуют.

12.Почему для МПТ слова “ротор” и ”якорь” являются синонимами?

Понятия статор и ротор – чисто механические. В литературе можно встретить понятия индуктор и якорь. Это чисто электротехнические понятия, и очень часто считают, что, например, якорь и ротор – это слова-синонимы. Статор – это то, что неподвижно, а ротор – то, что вращается. Под электротехническими понятиями «индуктор» и «якорь» понимают следующее: «индуктор» - это устройство, которое создает магнитное поле, а в якоре под действием этого электромагнитного поля наводится ЭДС, на которую со стороны магнитного поля действуют силы.

13.Что подразумевается под возбуждением МПТ?

Под возбуждением МПТ понимают создание в них магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя.

14.Что такое реакция якоря?

Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.

15.Способы уменьшения отрицательного воздействия реакции якоря на МПТ?

Наиболее действенным и распространенным средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами. Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря.

16.Всегда ли есть реакция якоря? Если не всегда, то когда она отсутствует?

При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами. Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Реакция якоря при ХХ отсутствует.

17.Что такое геометрическая и физическая нейтраль в МПТ?

Геометрическая нейтраль - 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.

18.Для чего применяют сдвиг щеток с геометрической нейтрали на физическую?

Для улучшения коммутации и уменьшения искрения в маломощных МПТ.

19.Основное электрическое уравнение якорной цепи для режима генератора?

Rя - сопротивление обмотки якоря

Iя – ток обмотки якоря

20.Какие факторы влияют на значение ЭДС якоря?

N – число витков якорной обмотки

p- число пар полюсов

Ф – магнитный поток

Ke- коэффициент  ЭДС,  зависящий  от  конструктивных особенностей машины.

ЭДС зависит от характеристик и конструктивных особенностей МПТ, магнитного потока и частоты вращения.

21. Какие генераторы называются генераторами с самовозбуждением?

В генераторах постоянного тока можно использовать для создания постоянного магнитного поля постоянный ток, вырабатываемый самим генератором. Такого типа генераторы называют генераторами с самовозбуждением.

22.Условия самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением?

А) наличие остаточного магнитного потока в машине.

Б) совпадение по направлению остаточного магнитного потока и магнитного потока обмотки возбуждения.

В) Сопротивление в цепи обмотки возбуждения должно быть меньше некоторого значения, называемого критическим сопротивлением.

23. Почему реакция якоря в генераторе приводит к уменьшению результирующего потока?

Если к генератору подключить нагрузку, то возникший при этом ток в якорной обмотке создаёт магнитный поток якоря, который влияет на магнитное поле в машине. Влияние магнитного поля якоря на магнитное поле обмотки возбуждения называется реакцией якоря. В результате такого влияния магнитный поток под одной частью полюса усиливается, а под второй ослабляется. Однако из-за нелинейности магнитопровода, ослабление поля под одной частью магнитного полюса, не компенсируется усилием под другой частью. В результате результирующий магнитный поток в машине из-за реакции якоря уменьшается.

24. Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением?

Характеристикой ХХ называется зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения, снятое при отсутствии нагрузки на генераторе и неизменной частоте вращения привода двигателя.

25. Почему характеристика холостого хода идет не из нулевой точки?

Характеристика идет не из 0 точки, объясняется это тем, что даже при отсутствии тока возбуждения (Iв=0) в машине сохраняется остаточный магнитный поток (остаточная намагниченность). Этот остаточный магнитный поток и создает остаточное напряжение Uост, значение которого может составлять от 5 до 10, от значения номинального напряжения.

26. Почему характеристика холостого хода на начальном участке почти прямолинейна, а при больших токах возбуждения эта прямолинейность нарушается?

На начальном участке характеристика при малых токах возбуждения, магнитный поток и магнитная индукция, в магнитопроводе машины, еще малы, поэтому между намагничивающей силы и магнитной индукцией почти прямолинейная зависимость. При больших значениях тока возбуждения в машине возрастает значение магнитной индукции до значения близкого к индукции насыщения. В этом случае начинает сказываться нелинейность магнитной системы, которое и вызывает нелинейную зависимость между током возбуждения и напряжение на зажимах генератора.

27. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением?

Внешняя характеристика называется зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки, снятое при неизменной частоте вращения и неизменном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения.

28. Почему с увеличением тока нагрузки генератора с параллельным возбуждением напряжение на его зажимах уменьшается?

С увеличением тока нагрузки, напряжение на зажимах генератора начинает уменьшаться от значения U0 соответственно режиму ХХ. Уменьшение напряжения объясняется тем, что с увеличением тока нагрузки возрастает и ток якоря, а, следовательно, и подение напряжения на якорной обмотке.

U = E - Iara

С увеличением тока нагрузки и тока якоря возрастает воздействие реакции якоря, которую не удается подавить дополнительными полюсами, в результате результирующий магнитный поток в машине снижается, а, следовательно, и уменьшается ЭДС якорной обмотки.

29. Почему ток короткого замыкания генератора с параллельным возбуждением значительно меньше номинального тока?

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю и обмотка возбуждения не создает магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря будет э. д. с. только от остаточного магнитного потока Еост, имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания Iк будет также мал.

Несмотря на малое значение установившегося тока короткого замыкания, нельзя сказать, что для генератора этого типа режим короткого замыкания не представляет опасности.

30. Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением?

Регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения генератора от тока нагрузки снятое при неизменной частоте вращения генератора и неизменного напряжения на его зажимах.

31. Почему на регулировочной характеристике увеличение тока нагрузки приводит к увеличению тока возбуждения?

С увеличением тока нагрузки, в соответствии с внешней характеристикой, напряжение на зажимах генератора начинает уменьшаться, а т. к. данная характеристика должна сниматься при неизменном напряжении на зажимах генератора, то для поддержания его на неизменном уровне, с увеличением тока нагрузки надо увеличивать ЭДС с генератора.

U = E – IaraE = CEnФ

32. Основное уравнение якорной цепи для режима двигателя?

В соответствии с вторым законом Кирхгофа для якорной цепи двигателя можно записать следующее выражение:

U = E + Iara

33. Факторы, влияющие на значение вращающего момента ДПТ?

M = CMIaФ

Ia – ток якоря;

Ф – значения магнитного потока;

CM – постоянный коэффициент, зависит от конструктивных особенностей машины.

34. Какие факторы влияют на частоту вращения ДПТ?

n = U - Iara/CEФ

Ia – ток якоря;

ra– сопротивление якоря;

Ф – значения магнитного потока;

CE – постоянный коэффициент, зависит от конструктивных особенностей машины.

35. Почему при пуске возникает большой пусковой ток?

Из уравнения напряжений ДПТ получим формулу тока якоря:

Так как напряжение U и сопротивление цепи якоря Rа постоянны, следовательно, ток якоря Iа зависит от противо-ЭДС Еа. Наибольшего значения Iа достигает в момент пуска, когда якорь за счет сил инерции еще неподвижен и Еа=0. Поэтому при непосредственном включении ДПТ в сеть в обмотке якоря возникает большой пусковой ток Iп=U/Rа, который в 10 ÷ 20 раз превышает номинальный ток.

36. Способы уменьшения пускового тока?

Из формулы пускового тока видно, что уменьшить пусковой ток можно двумя способами:

1) Реостатный пуск

Для этого в цепь якоря последовательно включают пусковой реостат, рассчитанный на кратковременное протекание по нему тока. Перед включением двигателя сопротивление реостата полностью вводят в цепь.

Iп=U/(Rа+Rпр), Rпр – сопротивление пускового реостата.

После разгона двигателя сопротивление реостата постепенно уменьшают и затем выводят его из цепи якоря. Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.

2) Пуск при пониженном напряжении

Этот способ применяют для двигателей большой мощности, для которых применение пусковых реостатов неэкономично из-за значительных потерь энергии и больших габаритов реостатов.

37. Способы реверсирования двигателя?

Реверсирование — изменение направления вращения двигателя — производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.

Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения имеет значительный запас энергии: постоянная времени обмотки составляет секунды для двигателей больших мощностей. Значительно меньше постоянная времени обмотки якоря. Поэтому для того чтобы реверсирование проходило возможно быстрее, производится переключение якоря. Только там, где не требуется быстродействия, можно выполнять реверсирование путем переключения цепи возбуждения.

Реверсирование двигателей последовательного возбуждения можно производить переключением или обмотки возбуждения, или обмотки якоря, так как запасы энергии в обмотках возбуждения и якоря невелики и их постоянные времени относительно малы.

38. Объяснить поведение характеристики холостого хода ДПТ с параллельным возбуждением?

Характеристика ХХ называется зависимость частоты вращения двигателя от тока возбуждения, снятое при постоянном напряжении питания и отсутствии механической нагрузки на вал двигателя.

Уменьшение частоты вращения двигателя с ростом тока возбуждения объясняется тем, что с увеличением тока возбуждения растет и значения магнитного потока. При уменьшении тока возбуждения частота вращения т. ж. возрастает и при очень малых значениях тока возбуждения обороты могут на столько возрасти, что произойдет разрушение.

39. Объяснить поведение скоростной характеристики?

Скоростной характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора двигателя от тока якоря, снятое при неизменном напряжении питания и неизменным сопротивлением в цепи обмотки возбуждения.

В соответствии со скоростной характеристикой увеличение тока якоря приводит к уменьшению частоты вращения ротора. Объясняется это тем, что с увеличением тока якоря возрастает падение напряжения на сопротивление якорной обмотки в результате обороты двигателя, уменьшаются.

40. Объяснить поведение регулировочной характеристики ДПТ с параллельным возбуждением?

Регулировочная характеристика называется зависимость тока возбуждения двигателя от тока якоря снятое при неизменной частоте вращения и неизменном напряжении источника питания.

С возрастанием тока якоря, в соответствии с скоростной характеристикой частота вращения ротора двигателя должна уменьшаться, однако регулировочная характеристика снимается при неизменной частоте вращения, поэтому для ее поддержания на неизменном уровне с увеличением тока якоря надо увеличить частоту вращения до прежнего значения, которое было при меньшем токе якоря, а увеличение частоты вращения требует уменьшение магнитного потока, что реализует уменьшение тока возбуждения.

41. В каком случае ДПТ с параллельным возбуждением идет в разнос?

Скорость двигателя постоянного тока параллельного возбуждения прямо пропорциональна напряжению питания и обратно пропорциональна потоку возбуждения. В случае обрыва обмотки возбуждения магнитный поток обмотки возбуждения стремится к нулю, соответственно скорость резко начинает возрастать и двигатель идет в разнос. Для этого в схеме управления ДПТ должно быть реле контроля обрыва обмотки возбуждения для отключения питания двигателя.

studfiles.net

Основные элементы конструкции мпт

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы2(рис 1). По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая — располагается

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока:

1 — обмотка возбуждения; 2 — полюсы; 3 — ярмо; 4 — полюсный наконечник; 5 — якорь; 6 — провод­ники якорной обмотки; 7 — зубец якорного сердеч­ника; 8 — воздушный зазор машины

Рис. 2. Полюс машины посто­янного тока:

2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения 5 — болт для крепления полюса; 6 — ярмо

вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф(см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник2северного полюсаN, воздушный зазор8, зубцы7и спинку якоря5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсуSи через ярмо3возвращается к северному полюсуN. ПотокФпроходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла α. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точкиа) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точкеbиндукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точкес, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Криваяcdeявляется зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривойoabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметьрпар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4). В теории электрических машин, кроме углаαг, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием углаαэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электриче­ский уголαэ=360 эл. град или 2π эл. рад. Поэтому

αэ=ραг(1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеемαэ=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индукти­руется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника

Рис. 3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной об­мотки во времени:

а — пространственное распределение индукции под полюсом; б — изменение э.д.с.. проводника во времени; в — выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках

e=Bαlν, (2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I— активная длина проводника, т. е. длина, в которой индук­тируется э. д. с., м;

v— скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:

а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре

При работе машины длина lактивного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e≡Bα. (3)

Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение э.д.с епроводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазореВα, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, гдеn— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеетрпар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдетрпространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой врраз больше, т. е.

(4)

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения wимеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значениеw, выраженное через механическую скорость вращения

имеем

(5)

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая — отрицательной.

Рис. 5. Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:

1— медные пластины; 2 — виток обмотки якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 5), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1на рис. 3,в).

Рис. 6. Устройство коллектора:

1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 — нажим­ное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 — «петушок» — часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках генера­тора постоянного тока:

а — при двух витках на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.

studfiles.net

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 .

studfiles.net


Смотрите также