От чего зависит эдс машины постоянного тока

От чего зависит эдс машины постоянного тока

От чего зависит ЭДС обмотки якоря в машинах постоянного тока

Обмотка якоря является замкнутой системой проводников, уложенных в пазах.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно — или много витковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря , в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС , величина которой равна:

т.е. она зависит от магнитной индукции полюсов , длины проводника и скорости его движения V. В реальной машине , будь она генератором или двигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря .

ЭДС МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Ранее было сказано, что ЭДС на зажимах генератора равна сумме ЭДС отдельных активных проводников, образующих параллельную ветвь обмотки якоря. Однако при более подробном рассмотрении оказывается, что ЭДС в каждом проводнике при вращении якоря меняется по величине с изменением магнитной индукции по окружности якоря (см. рис. 7.2.5). Поэтому необходимо найти среднее значение ЭДС одного проводника. Это легко сделать, если усреднить значение магнитной индукции. Для этого надо магнитный поток Ф полюса разделить на площадь полюса:

где г— полюсное деление; / — активная длина проводника, равная ширине полюса.

Обозначая через р число пар полюсов машины, можно длину окружности якоря представить в виде 2рт. Линейная скорость движения проводника

где п — частота вращения якоря, мин ‘.

Число проводников в одной параллельной ветви равно z/2a, где z — полное число активных проводников якоря; 2а — число параллельных цепей.

Обозначая все постоянные величины одной буквой, получим

Таким образом, ЭДС генератора пропорциональна магнитному потоку полюса и скорости вращения якоря.

Машины постоянного тока

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию «Основы теории машин постоянного тока» с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру.

Лекция 5. Основы теории машин постоянного тока
§1 Коллекторный тип машины постоянного тока
П1 Принцип работы машины постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока рассмотрим на примере простейшего одновиткового генератора с одной парой полюсов и одной парой щеток изображен на рисунке 40 .

Рис.40 Модель генератора постоянного тока

Его коллектор, состоит из двух полуколец. Когда, в процессе вращения якоря, в одновитковой обмотке меняется направление индуцируемой ЭДС, тогда полукольца меняют щетки. Выпрямленное напряжение такого генератора представляет собой пульсирующее напряжение одной полярности составленное из половинок синусоиды. Обычно, коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию, набранную из множества медных пластин — ламелей, расположенных вдоль образующей цилиндра (рисунок 41).

Рис.41 Разрез коллектора. Ламель

Ламели изолированы друг относительно друга. Коллекторные пластины соединены с секциями обмотки якоря. Секцией называется часть обмотки якоря непосредственно соединенная с двумя коллекторными пластинами. (1) Как правило, щетка представляет собой, снабженный гибким токоотводом, графитовый или медно-графитовый параллелепипед, скользящий в процессе вращения якоря по ламелям коллектора. Щетки расположены так, что соприкасаясь со следующими по ходу вращения секциями обмотки, обеспечивают практически постоянное максимальное напряжение между щетками. В этом случае, выпрямленное напряжение состоит из верхушек синусоиды, и, при достаточном числе ламелей коллектора, напряжение между щетками можно считать постоянным.
По свойству обратимости электрических машин, рассмотренная конструкция будет работать в двигательном режиме, если подвести постоянное напряжение к щеткам.
Вспомнив изученное в разделе синхронные машины, можно сделать вывод, что генератор постоянного тока можно определить, как снабженный механическим выпрямителем обращенный синхронный генератор с индуктором на статоре (станине) и обмоткой на роторе (якоре). В обмотке индуктора ( полюсов) протекает постоянный ток. В обмотке якоря, так же, как в обмотке статора синхронного генератора, индуцируется переменный ток. Переменный ток якоря выпрямляется с помощью механического выпрямителя — коллектора.(2)
Аналогично, двигатель постоянного тока может рассматриваться, как обращенный синхронный двигатель с коллектором, преобразовывающим постоянный ток сети в переменный ток в обмотках. Переменный ток в витке простейшего двигателя постоянного тока необходим для того, чтобы направление вращающего момента, действующего на рамку с током в магнитном поле, оставалось неизменным при каждом полуобороте рамки. Таким образом, в двигателе постоянного тока коллектор выполняет функции инвертора, то есть преобразователя постоянного тока в переменный.(3)
П2 Конструкция якоря машины постоянного тока (4)
Обычно, якорь представляет собой конструкцию из двух соосных цилиндров, сидящих на одном валу. Один цилиндр — коллектор, набранный из медных ламелей, второй — сердечник якоря. Ламель коллектора (рисунок 41) представляет собой фигурную конструкцию трапециевидного сечения. Ламели, разделенные слоями миканита, специального изоляционного материала на основе слюды, набираются по окружности вала якоря. Специальные выступы (петушки) на коллекторе служат для присоединения к секциям обмотки якоря. Рядом с коллектором на валу якоря находится сердечник якоря. Так как в обмотке якоря течет переменный ток, то его, для уменьшения потерь на вихревые токи, набирают из штампованных листов электротехнической стали.(рисунок 42).

Рис. 42 Лист стали сердечника якоря

По окружности листов имеются пазы под якорную обмотку, а вокруг центрального отверстия находятся отверстия вентиляционных каналов. В крупных машинах сердечник собирается из пакетов, толщиной 30 -50 миллиметров, разделенных воздушными промежутками, играющих роль вентиляционных каналов. В пазы сердечника якоря, идущие параллельно оси, или с некоторым скосом, укладывается изолированный провод обмотки. Концы секций обмотки со стороны коллектора закрепляются пайкой на петушках. Фрагменты обмотки , выходящие за пределы пазов со стороны противоположной коллектору, называются лобовыми частями. Обычно, сразу за лобовыми частями, на вал якоря насаживается крылатка вентилятора.
П3 Конструкция неподвижной части машины постоянного тока(5)
Неподвижная часть машины постоянного тока, как правило, включает в себя станину 19, главные полюса 11, щеточный аппарат 3,4 и подшипниковые щиты 1,17 (рисунок 43).

Рис.43 Конструкция машины постоянного тока

Станина является конструктивной основой машины, а также выполняет функцию части магнитопровода. К станине крепятся остальные части машины. Она , обычно, выполняется из толстых листов катаной стали и имеет вид полого цилиндра с крепежными лапами. У крупных машин станина делается разъемной.
Главные полюса создают основное магнитное поле машины, то есть являются индуктором. Сердечники главных полюсов (полюсные башмаки) набирают из листов электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет расширение — полюсный наконечник, для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор машины.
На сердечник главных полюсов укладывается обмотка индуктора.
Подшипниковые щиты удерживают подшипники, в которых вращается якорь, и предохраняют от попадания внутрь машины посторонних предметов. Со стороны коллектора, подшипниковый щит удерживает траверсу (рис 44) со щеточным аппаратом.

Рис. 44 Щеточная траверса и щеткодержатель

Траверса позволяет перемещать щеточный аппарат вдоль или против направления вращения. На траверсе укреплены стержни — щеточные пальцы, к которых закреплены щеткодержатели со щетками. Щетки прижимаются к коллектору пружинами щеткодержателей, и, по мере износа от трения по коллектору, могут перемещаться в обойме щеткодержателя.

Вопросы для самоконтроля.
1 Что такое секция обмотки якоря? (1).
2. Каково назначение коллектора генератора постоянного тока? (2)
3. Каково назначение коллектора двигателя постоянного тока?(3)
4. Расскажите устройство якоря машины постоянного тока (4)
5. Расскажите об устройстве неподвижных частей МПТ. (5)
§2 Обмотки и ЭДС якоря машины постоянного тока
П1 Кольцевые и барабанные якоря.
В зависимости от способа укладки обмотки различают якоря кольцевые и барабанные. В кольцевых якорях обмотка навивается как на кольцо, так что проводники проходят как снаружи, так и внутри кольцевого ферромагнитного каркаса якоря. В барабанных якорях обмотка навивается на сердечник якоря, как на барабан, так что витки проходят только по наружной поверхности сердечника якоря.(1) В настоящее время кольцевые якоря не применяются, ибо проводники, проходящие внутри ферромагнитного каркаса якоря, не работают, так как экранированы от магнитного поля индуктора. Однако, с методической точки зрения, кольцевой якорь очень удобен, так как принцип укладки его обмотки воспринимается значительно легче. Поэтому принято, первоначальные объяснения способов построения якорных обмоток, проводить на примере кольцевых якорей.
П2 Простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами. (2)
Представим себе кольцевой ферромагнитный сердечник с шестью пазами на внешней стороне, равномерно распределенными параллельно оси вдоль окружности. На кольцо наложены шесть витков провода, соединенных один за другим. Наружная (прямая) сторона каждого витка уложена в свой паз и называется активной стороной. Обратная сторона каждого витка не является активной стороной, так как лежит внутри кольца, вне магнитного поля полюсов. Сердечник с обмоткой надет на ось якоря. На оси якоря закреплен коллектор, состоящий из шести ламелей. Сторона витка лежащая в пазу присоединена к своей коллекторной пластине. На рисунке 45 представлен развернутый вид такой конструкции.

Рис. 45 Развернутый вид простой петлевой обмотки кольцевого якоря

Пунктиром отмечено расположение полюсов для фиксированного момента времени. В процессе вращения якоря щетки и полюса перемещаются относительно витков обмотки. Щетки сдвинуты на 90 градусов от плоскости проходящей через центры полюсов и ось машины. В этом случае, для фиксированного момента времени, 1, 2 и 3 секции расположены под северным , а 4, 5 и 6 секции под южным полюсом. Если считать, что проводники относительно полюсов движутся влево, то направление действия ЭДС и знаки щеток соответствуют рисунку. Обмотка якоря состоит из двух параллельных ветвей, показанных на рисунке 45 справа. Если внешняя цепь генератора замкнута, то ось магнитного поля тока якоря сдвинута относительно магнитной оси полюсов на 90 градусов по направлению вращения якоря, размагничивая тот край полюса, на который проводник набегает и намагничивая тот , с которого проводник сбегает.
П3 Звезда ЭДС простейшей петлевой обмотки кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами
Будем считать, что распределение магнитной индукции вдоль зазора машины постоянного тока от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Направление вектора магнитной индукции везде перпендикулярно зазору. Под центром северного полюса вектор магнитной индукции максимален и входит в якорь. Под центром южного полюса — выходит из якоря. В точках, сдвинутых на 90 электрических градусов от магнитной оси полюсов, магнитная индукция равна нулю. Электродвижущие силы, индуцируемые в каждой секции обмотки, изменяются по синусоидальному закону, фаза ЭДС каждой секции зависит от ее расположения относительно магнитной оси.
Будем считать, что секция 1 миновала максимум синусоиды магнитной индукции и уходит из под северного полюса. Секция 2 проходит максимум индукции под северным полюсом, а секция 5 проходит максимум индукции под южным полюсом. Тогда для момента , изображенного на рисунке 45 фаза ЭДС в первой секции равна 150 градусов, фаза ЭДС во второй секции — 90 градусов, в третьей — 30 градусов, в четвертой -330 градусов, в пятой — 270 градусов и в шестой — 210 градусов. Векторная диаграмма ЭДС секций якоря, носящая название звезды пазовых ЭДС, изображена на рисунке 46. (3)

Рис. 46 Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки

Если вспомнить, что ламели отделены одна от другой слоями изоляции, то становится понятно, что первая, вторая и третья секции включены последовательно и образуют одну ветвь. Вторая ветвь состоит из четвертой, пятой и шестой последовательно соединенных секций. Первая и вторая ветви соединены между собой параллельно и подключены, в рассматриваемый момент, к одной паре ламелей 1-4. Первая ламель соединена со щеткой минус, четвертая ламель – со щеткой плюс. Вектор ЭДС ветви может быть получен геометрическим суммированием векторов соответствующих ЭДС секций. По общему правилу, проекция результирующего вектора на ось ординат дает действующее значение ЭДС ветви. Анализируя звезду пазовых ЭДС можно видеть, одну из причин, почему щетки устанавливают по линии геометрической нейтрали: В ветвях ЭДС секций действуют согласно и результирующая ЭДС ветви максимальна. Наоборот, если щетки установлены под центрами полюсов, то проекция результирующего вектора ЭДС ветви на ось ординат равна нулю, а, значит, равно нулю действующее значение ЭДС ветви.
Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки с одной парой полюсов, но с другим числом пазов и секций может отличаться только масштабом и числом лучей. Второй причиной установки щеток на нейтрали является желательность иметь переключение секций, при скольжении ламелей возле щеток, когда ток в секции проходит через нуль.
П4 Звезды ЭДС петлевой обмотки многополюсной машины
Число пар полюсов машины постоянного тока равно числу геометрических нейтралей, и машине постоянного тока с простой петлевой обмоткой на кольцевом якоре, имеющей n пар полюсов, требуется n пар щеток. Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря, установленного в машину с другим числом пар полюсов, будет отличаться от исходной. Например, якорь с 24 пазами и 24 коллекторными пластинами в машине одной парой полюсов будет иметь двадцатичетырехлучевую звезду пазовых ЭДС . Этот же якорь в машине с двумя парами полюсов имеет двойную двенадцатилучевую звезду, а с тремя парами полюсов — тройную восьмилучевую звезду. При четырех парах полюсов векторная диаграмма ЭДС секций обмотки якоря состоит из четырех шестилучевых звезд. Таким образом, машина с n пар полюсов и простой петлевой обмоткой якоря имеет n пар параллельных ветвей.(4) Векторная диаграмма ЭДС секций ее обмотки состоит из n одинаковых звезд пазовых ЭДС. Число лучей для каждой звезды можно получить, разделив число пазов якоря на число пар полюсов.
П5 Волновая обмотка кольцевого якоря
Для многополюсной машины возможно такое построение обмотки, когда после первого витка переходят не к следующему по порядку пазу, а к пазу лежащему под следующей парой полюсов примерно на таком же месте, и только пройдя под всеми одноименными полюсами переходят к пазу соседнему с первым. Для того, чтобы все шаги от одного одноименного полюса к другому были одинаковой длины необходимо, чтобы выполнялось равенство
(5)
Здесь, z — число пазов ротора, n — число пар полюсов, k- целое число, число пазов по ротору между следующими друг за другом по схеме обмотки витками. Если то после обхода по окружности якоря провод обмотки прейдет к следующему от первого по ходу обмотки пазу. В противном случае провод обмотки прейдет к предыдущему пазу.
Каждая секция волновой обмотки состоит из n витков. (6)Так как положение витков одной и той же секции относительно одноименных полюсов не совсем одинаково ( — дробное число), то сложение ЭДС витков в секции следует производить геометрически. Векторная диаграмма ЭДС секций волновой обмотки всегда представляет собой одинарную звезду. Простая волновая обмотка машины постоянного тока имеет одну пару параллельных ветвей и может иметь одну пару щеток. Но если машина большой мощности, то для улучшения условий токосъема ставят n пар щеток, по числу пар полюсов. Для машин малой мощности ограничиваются одной парой щеток
П6 Особенности обмоток барабанных якорей
В настоящее время кольцевые якоря не применяются, так как в них неэкономично используются обмоточный провод.(7) Участвует в процессе преобразования энергии только одна, активная сторона каждого витка обмотки. В барабанных якорях обе половины каждого витка находятся в магнитном поле полюсов, одна под северным, а другая под южным полюсом. Таким образом, в каждом пазу барабанного якоря находится две активных стороны . На рисунке 47 представлена развернутая волновая обмотка барабанного якоря с двенадцатью пазами , двумя парами полюсов и двенадцатью коллекторными пластинами.

Рис.47 Простая волновая обмотка барабанного якоря

Сплошной линией показана одна (прямая) сторона витка, пунктирной линией — вторая (обратная). Также как в обмотке кольцевого якоря, каждая прямая половина витка соединена с одноименной коллекторной пластиной. В пятом пазу лежит прямая сторона пятого витка, соединенная с пятой коллекторной пластиной, и обратная сторона второго. Обратная сторона пятого витка лежит в восьмом пазу вместе с прямой стороной восьмого витка, присоединенной к восьмой коллекторной пластине. Обратная сторона восьмого витка лежит в одиннадцатом пазу вместе с прямой стороной одиннадцатого витка, присоединенной с к одиннадцатой коллекторной пластине. Таким образом, обе стороны каждого витка являются активными, поэтому лучи звезды ЭДС обмотки барабанного якоря будут длиннее соответствующих лучей звезды обмотки кольцевого якоря в два раза.

Рис. 48 Схема параллельных ветвей волновой обмотки барабанного якоря

На рисунке 48 представлена схема параллельных ветвей этой обмотки, а на рисунке 49 – звезда пазовых ЭДС.

Рис. 49 Звезда пазовых ЭДС волновой обмотки

П7 Электрическая нейтраль, полезный магнитный поток и ЭДС якоря
Будем считать, что распределение индукции в зазоре машины от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Геометрической нейтралью называют линию, повернутую на 90 электрических градусов от оси магнитного полюса.(8) На геометрической нейтрали в зазоре машины магнитная индукция полюсов равна нулю.
Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали ( то есть, коммутируют секции обмотки якоря проходящие геометрическую нейтраль), то потокосцепление обмотки якоря с магнитным полем полюсов максимально. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали потокосцепление уменьшается и при расположении щеток на магнитной оси машины потокосцепление якоря от магнитного поля полюсов равно нулю. В теории электрических машин принято интерпретировать уменьшение потокосцепления обмотки якоря при сдвиге щеток с нейтрали, как уменьшение полезного магнитного потока полюсов. (9)Электродвижущую силу, индуцируемую в обмотке якоря, определяют по полезному магнитному потоку, используя следующую формулу

Здесь р- число пар полюсов, n — число оборотов якоря в секунду, N — число проводников в пазах обмотки, а — число пар параллельных ветвей, Ф — полезный магнитный поток полюсов. Обозначив, имеем:
(10)
Здесь — частота вращения якоря в радиан в секунду.
Вопросы для самоконтроля.
1. Чем отличаются кольцевые якоря от барабанных? (1)
2. Как устроена простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами? (2)
3. Что такое звезда пазовых ЭДС? (3)
4. Сколько параллельных ветвей имеет четырехполюсная машина с простой петлевой обмоткой? (4)
5. Какое условие должно выполняться для обеспечения равенства шагов волновой обмотки якоря? (5)
6. Сколько витков содержит секция волновой обмотки четырех полюсной машины? (6)
7. Почему кольцевые якоря в настоящее время не применяются? (7)
8. Что такое геометрическая нейтраль машины? (8)
9. Как изменяется полезный магнитный поток при сдвиге щеток с геометрической нейтрали? (9)
10. Запишите формулу ЭДС якорной обмотки в функции частоты вращения якоря и полезного магнитного потока .(10)
§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока
П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока
Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 50 а).

Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС, выбранные так, что условно положительное направление ЭДС совпадало с истинным направлением этой величины и противоположно напряжению генератора. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:
Индексы при обозначениях величин задают их условно положительное направление.
Умножим левую и правую части равенства на ток

Или (1)
Мощность, стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 50 б. (1)

Похожие публикации:

1. Как снять магнето
2. Какие колодки бош или брембо
3. Масло в m109r какое лить
4. Руда вмт и смт что это

От чего зависит эдс машины постоянного тока

§ 2.11. Электродвижущая сила машины постоянного тока

Величина магнитной индукции в зазоре между полюсными наконечниками и якорем в различных точках по окружности якоря имеет неодинаковые значения. Наибольшую величину она имеет непосредственно под серединой полюсных наконечников и, начиная от их краев, быстро падает, а в точках, лежащих на нейтрали, равна нулю. В соответствии с этим и величина э. д. с., наводимой в проводниках обмотки якоря, изменяется от нуля до некоторого амплитудного значения.

Распределение магнитного потока под полюсом в воздушном зазоре характеризуется трапецеидальной кривой ABCD (рис. 2.16). Выразив площадь, охватываемую трапецеидальной кривой, равновеликим прямоугольником AEFD, основанием которого является полюсное деление , получим среднее значение магнитной индукции, равное высоте прямоугольника. Тогда средняя величина э. д. с., наводимой в одном активном проводнике обмотки якоря, по закону электромагнитной индукции равна

, (2.9)

где — средняя величина э. д. с.,в;

— средняя величина магнитной индукции, тл;

l — длина активной части проводника, м;

— окружная скорость на поверхности якоря, м/сек.

Э. д. с. машины слагается из величин э. д. с., наводимых во всех последовательно соединенных проводниках одной параллельной ветви обмотки якоря.

Количество проводников, входящих в одну параллельную ветвь, определяется отношением

,

где N — количество проводников во всей обмотке.

Отсюда величина э. д. с. обмотки якоря равна

.

Скорость выразим через скорость вращения п, измеряемую в об/мин,

.

Длину окружности якоря можно представить в виде. Используя данные выражения, получим уравнение э. д. с.

где — площадь полюсного деления, а.

После преобразования получим окончательное уравнение э. д. с. машины

, (2.10)

где Ф — основной магнитный поток, вб.

Для каждой электрической машины величина постоянная, так как она зависит исключительно от конструктивных данных машины: числа пар полюсовр, числа пар параллельных ветвей а, числа активных проводников N в обмотке якоря. Если эту величину выразить через постоянный коэффициент , то

. (2.11)

Из полученного выражения следует, что э. д. с. машины постоянного тока прямо пропорциональна скорости вращения якоря п и основному магнитному потоку Ф.

§ 2.12. Электромагнитный момент машины постоянного тока

В электрической машине между током в обмотке якоря и магнитным полем возбуждения создается взаимодействие, в результате которого на каждый проводник якоря действует механическая сила, среднее значение которой

.

Средняя величина магнитной индукции , а ток в последовательно соединенных проводниках каждой параллельной ветви равен, откуда

.

Средний электромагнитный момент, развиваемый проводником, равен

,

где R — радиус якоря.

Полная длина окружности ,, откуда

.

Наконец, электромагнитный момент машины постоянного тока, развиваемый всеми проводниками обмотки якоря N, равен

(2.12)

где — величина постоянная и может быть обозначена постоянным

коэффициентом . Тогда

. (2.13)

Здесь магнитный поток Ф выражен в веберах, а электромагнитный момент в ньютон-метрах ().В системе единиц МКГСС за единицу момента силы М принят , т. е. момент, создаваемый силой в 1 кГ, имеющей плечо 1 м. Для перехода от системы единиц МКГСС к системе Международных единиц измерения СИ надо численное значение момента силы, выраженное в ,умножить на коэффициент 9,81 ().

Для генераторного режима М — противодействующий или тормозящий момент, для двигательного режима — это вращающий момент. Между механической мощностью, выраженной в ваттах, я моментом существует соотношение

. (2.14)

или , (2.15)

где М — момент на валу электрической машины, ;

—механическая мощность, вт;

п — скорость вращения, об/мин.

Если в выражение (2.15) подставить значение момента (2.12), то получаем

,

.

Здесь есть уравнение э. д. с.Е. Тогда

, (2.16)

т. е. полная механическая мощность двигателя равна его электромагнитной мощности. Это соотношение выражает закон сохранения энергии при преобразовании механической энергии в электрическую и обратно без учета тепловых потерь.

Электродвигатель постоянного тока

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

• где M — момент электродвигателя, Нм,
• – постоянная момента, Н∙м/А,
• I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

• где — электродвижущая сила, В,
• – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
• — угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой K_T = K_E. Постоянные K_T и K_E равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя K_м. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

• где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
• R — сопротивление обмоток, Ом,
• – максимальный момент, Нм,
• — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

• где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

• где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции K_TK_E/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

• где I – сила тока, А
• U — напряжение, В,
• M — момент электродвигателя, Н∙м
• R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
• L — индуктивность, Гн,

• P_эл — электрическая мощность (подведенная), Вт
• P_мех — механическая мощность (полезная), Вт
• P_теп — тепловые потери, Вт
• P_инд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
• P_тр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

От чего зависит ЭДС обмотки якоря в машинах постоянного тока

Обмотка якоря является замкнутой системой проводников, уложенных в пазах.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно — или много витковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря, в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС, величина которой равна:

т.е. она зависит от магнитной индукции полюсов , длины проводника и скорости его движения V. В реальной машине, будь она генератором или двигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Студопедия рекомендует:

Вопрос 2. Машина для нарезки гастрономии. Устройство, принцип действия, правила эксплуатации МРГ-300. Слайсер МРГ-300 – Машина для Резки Гастрономии, 300 мм- диаметр дискового ножа, производительность 45 резов в минуту.
Организационные документы Организационные документы – это документы, устанавливающие порядок создания организации и ее работы, организующие коллективную.
Преступления против половой свободы и половой неприкосновенности Общая характеристика преступлений против половой неприкосновенности и половой свободы личности Половые преступления.
Отопление пассажирских вагонов Назначение отопления и виды систем отопления вагонов Система отопления служит для поддержания внутри вагона нормального.
Пороговые значения индикаторов экономической безопасности. В процессе мониторинга угроз экономической безопасности страны должен использоваться широкий круг аналитических индикаторов.

Глава 6. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Как известно, при вращении рамки в постоянном магнитном поле, в ней возбуждается переменная ЭДС. Эта переменная ЭДС может быть преобразована в импульсную ЭДС в результате переключения концов рамки с помощью двух коллекторных пластин, представляющих собой два полукольца, в момент, когда ЭДС равна 0. (рис. 6.1)

Даже при наличии двух взаимно перпендикулярных рамок и четырех коллекторных пластин, выходная ЭДС оказывается практически постоянной (рис.6.2).

Таким образом, в машине постоянного тока, используемой как генератор, коллектор выполняет функцию выпрямителя.

Машины постоянного тока обратимы, и их устройства одинаково как для двигателя, так и для генератора.

Машина постоянного тока состоит из двух частей: неподвижной и подвижной, статора и якоря соответственно (рис.6.3).

Статор — неподвижная часть машины, представляет собой цилиндрическую станину, к внутренней поверхности которой крепятся 2, 4 или более полюсов, состоящих из сердечника, полюсных наконечников и обмотки возбуждения.

Подвижная часть, якорь, выполнена в виде цилиндрического пакета, состоящего из большого числа тонких пластин. В продольных пазах якоря размещена обмотка, состоящая из нескольких секций. На валу якоря располагается коллектор, представляющий собой цилиндр из диэлектрика, на котором расположены пластины коллектора, соединенные с секциями обмотки якоря. С внешней электрической схемой коллектор соединяется с помощью графитовых щеток, скользящих по поверхности коллекторных пластин. Щетки установлены так, что переключение секций обмотки якоря (коммутация) происходит в тот момент, когда секция обмотки находится в нейтральной зоне между полюсами.

В этом случае, когда нагрузка генератора отсутствует, ЭДС, возбуждаемая в обмотке якоря, определяется соотношением:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.1)

где С — конструктивный коэффициент, Ф — магнитный поток, n-число оборотов якоря.

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в цепи якоря равен нулю. При этом магнитное поле якоря отсутствует, и генератор работает в «холостую». Двигатель, приводящий во вращение якорь генератора, преодолевает только момент трения, совершая минимальную механическую работу.

При подключении электрической нагрузки в обмотке якоря и в нагрузке возникает ток, создающий вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с неподвижным магнитным полем статора, приводит к появлению тормозного момента. Момент возрастает с ростом тока нагрузки. При этом мощность, выделяемая в нагрузке генератора, увеличивается (напряжение и ток возрастают), что приводит к увеличению механической мощности, развиваемой приводным двигателем.

Суммарное магнитное поле, возникаемое при работе генератора под нагрузкой, оказывается уже не симметричным как в режиме холостого хода, а смещается по направлению вращения генератора или против направления вращения в двигателе. Это обусловлено тем, что появляется магнитное поле якоря, созданное током нагрузки. Подобное явление называют реакцией якоря. Наличие реакции якоря приводит к ухудшению коммутации и к повышенному искрению под щётками. Для устранения этого явления, щётки перемещают из геометрической нейтрали в другое положение, либо машина снабжается дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой, включённой последовательно с основной обмоткой якоря. В этом случае компенсация реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины.

Основным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, создаваемого током, протекающим через обмотку возбуждения. Все рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа включения обмотки возбуждения по отношению к цепи якоря. Это включение может быть последовательным, параллельным, комбинированным, также эти цепи могут быть независимы друг от друга.

6.1. Генераторы с независимым возбуждением.

В подобных генераторах обмотка возбуждения питается от отдельного источника, вследствие чего ток возбуждения не зависит от напряжения генератора, а следовательно, от условий нагрузки (рис.6.4).

Это дает возможность в очень широких пределах менять магнитный поток, а следовательно, и ЭДС, возникающую на обмотке якоря. Зависимость ЭДС от тока возбуждения при постоянном числе оборотов называется характеристикой холостого хода (рис. 6.5).

Наличие остаточной намагниченности системы возбуждения приводит к тому, что при отсутствии тока возбуждения, ЭДС возбуждения в якоре не равна 0, а равна остаточной ЭДС, Е₀. С ростом тока возбуждения магнитное поле возрастает и приводит к магнитному насыщению системы возбуждения, вследствие чего, при значительных токах возбуждения ЭДС не возрастает.

Вид этой характеристики аналогичен подобной характеристике синхронного генератора.

Важной характеристикой генератора является внешняя зависимость напряжения U на выходе генератора от силы тока якоря (рис.6.6.А). Эта зависимость определяется соотношением:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.2)

где Е — ЭДС якоря, I_н — ток нагрузки, R_я — сопротивление обмотки якоря и представляет собой прямую (рис. 6.6.Б пунктир).

Однако, при значительных токах нагрузки появляется насыщение магнитной системы и возникает размагничивающее действие реакции якоря, что приводит к уменьшению суммарного магнитного потока, а следовательно ЭДС и выходного напряжения быстрее, чем по прямой линии.

6.2. Генераторы с параллельным возбуждением.

У таких генераторов цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно цепи якоря и часть тока потребляемого двигателем (примерно 1%) используется для питания обмотки возбуждения (рис.6.7).

Обмотка возбуждения выполнена тонким проводом и содержит значительное количество витков. Самовозбуждение подобных генераторов возможно только лишь в том случае, если статор машины сохраняет остаточную намагниченность. Характеристика холостого хода у таких генераторов аналогична характеристике генераторов с независимым возбуждением (рис.6.5), а внешняя характеристика (рис.6.6.Б) проходит ниже, так как при увеличении тока нагрузки увеличивается падение напряжения на обмотке якоря, что приводит к уменьшению выходного напряжения, а следовательно, и тока возбуждения. Генераторы с параллельным возбуждением не боятся коротких замыканий и поэтому наиболее широко распространены.

6.3. Генераторы с последовательным возбуждением.

Якорь у таких генераторах соединен последовательно с обмоткой возбуждения, поэтому ток нагрузки является током возбуждения и током якоря (рис.6.8).Сопротивление обмотки возбуждения должно быть соизмеримо с сопротивлением обмотки якоря, то есть мало (малое число витков толстого провода).

Так как обмотка якоря соединена последовательно с обмоткой возбуждения, характеристика холостого хода у такого генератора отсутствует. Для внешней характеристики генератора характерно наличие максимума, связанное с тем, что при достижении значительных токов нагрузки магнитная система насыщается и магнитный поток уже не растет, а выходное напряжение начинает уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на обмотке якоря. Такие генераторы используются очень редко.

6.4. Генераторы смешанного возбуждения.

Такие генераторы имеют две обмотки возбуждения: одну, включенную параллельно обмотке якоря и имеющую значительное сопротивление, и вторую, включенную последовательно, со значительно меньшим сопротивлением (аналогично генераторам последовательного и смешанного соединения) (рис.6.9).

Эти обмотки могут быть включены либо согласно, либо встречно.

В генераторах с согласным включением обмоток выходное напряжение почти не меняется с изменением нагрузки (рис.6.10.А).

Это происходит потому, что магнитный поток последовательной обмотки создается током нагрузки и при увеличении нагрузки возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри генератора.

Генераторы со встречным включением обмоток имеют крутопадающую внешнюю характеристику (рис.6.10.Б). При увеличении тока нагрузки встречный магнитный поток последовательной обмотки размагничивает генератор, и выходное напряжение резко снижается. Наиболее часто подобные генераторы используются в качестве сварочных, т.к. для поддержания горения дуги требуются именно крутопадающие внешние характеристики.

6.5. Двигатели постоянного тока.

Если машину постоянного тока включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и в обмотках возбуждения возникают токи. При этом система возбуждения создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с полем якоря, и на каждый проводник обмотки якоря начинает действовать сила, которая стремится повернуть якорь. Появляется крутящий момент М, приводящий якорь во вращение.

Помимо вращающего момента М, возникающего в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем обмотки возбуждения, на якорь двигателя действует ряд других моментов:

момент холостого хода Мо, связанный с механическими потерями;

тормозной момент М₁ , создаваемый механизмом, приводимым во вращение двигателем;

динамический момент Мдин сил инерции, возникающий при изменении скорости вращения якоря.

Динамический момент Мдин пропорционален моменту инерции вращающихся частей J и угловому ускорению:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.3)

Чем быстрее меняется скорость двигателя, тем больше динамический момент. В установившемся режиме, когда скорость вращения постоянна, динамический момент равен нулю.

Моменты двигателя связаны уравнением, которое носит название уравнения моментов:

В установившемся режиме

вращающий и тормозной моменты взаимно уравновешены, и якорь двигателя вращается с постоянной скоростью.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигателя, различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

6.6. Двигатели с независимым и параллельным подключением.

Схема включения двигателя приведена на рис.6.11. При подключении обмотки возбуждения подобного двигателя к отдельному источнику создается независимое возбуждение.

При включении двигателя постоянного тока в сеть, в момент пуска ток якоря определяется соотношением:

где U — напряжение сети, R_я — сопротивление обмотки якоря, I_я -ток якоря.

Затем якорь под действием крутящего момента приходит во вращение, и в обмотке якоря возбуждается ЭДС самоиндукции

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.6)

где с — конструктивный коэффициент, n — число оборотов, Ф — магнитный поток системы возбуждения. Полярность ЭДС самоиндукции противоположна полярности напряжения сети (противо- ЭДС), вследствие чего с ростом частоты вращения якоря значительно уменьшается ток, протекающий в цепи якоря.

Следовательно, пусковой ток оказывается значительно больше номинального (в 10. 30 раз), и очень часто в цепь якоря включается реостат, величина которого позволяет уменьшить пусковой ток до значений .1. 1.5 I_ном. Преобразуя соотношение (6.7) к виду:

получаем, что приложенное напряжение U уравновешивается суммой противо- ЭДС Е и падением напряжения на обмотке якоря R_яI_я.

Крутящий момент двигателя независимого и параллельного возбуждения определяется соотношением:

С увеличением тормозного момента, создаваемого механической нагрузкой двигателя, механическая мощность возрастает. Число оборотов якоря уменьшается, что приводит к уменьшению противо-ЭДС и росту тока, потребляемого двигателем, а, следовательно, к увеличению крутящего момента и возрастанию электрической мощности, потребляемой двигателем от сети. Зависимость установившейся скорости вращения от тормозного момента двигателя при постоянном напряжении питания цепей якоря и возбуждения называется механической характеристикой двигателя.

Механическая характеристика рассматриваемых двигателей изображена на рис.6.12.

Как видно из графика, скорость вращения двигателей при изменении тормозного момента в широких пределах (от 0 до номинального) изменяется незначительно. Это означает, что двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют жёсткую механическую характеристику.

Зависимость скорости вращения n, тока якоря I_я, вращающего момента М и коэффициента полезного действия h от полезной мощности Р₂ на валу двигателя при постоянном напряжении цепей якоря и возбуждения (I_B=const) называется рабочими характеристиками двигателя.

Рабочие характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представлены на рис.6.13.

Так как с увеличением полезной мощности вращающий момент возрастает, скорость вращения двигателя уменьшается.

С увеличением вращающего момента увеличивается пропорциональный ему ток якоря. Моменты М и М₁ oтличаются на величину момента холостого хода, М₀. Наибольший к.п.д. достигается при нагрузках, несколько меньших номинальной.

Механическая и рабочая характеристики двигателя независимого возбуждения идентичны аналогичным характеристикам двигателя параллельного возбуждения.

Так как противо- ЭДС зависит от скорости вращения якоря и равна

то приложенное напряжение U определится соотношением

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.11)

Отсюда находим выражение скорости вращения двигателя:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.12)

Полученная формула позволяет решить задачу регулирования скорости вращения двигателя. Необходимо отметить, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря R_я стремятся сделать по возможности малым (в реальных машинах оно составляет сотые или тысячные доли ома), В соответствии с этим и падение напряжения на активном сопротивлении якоря I_яR_я невелико по сравнению с напряжением сети. Поэтому в формуле (6.12) членом I_яR_я можно пренебречь. Тогда

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.13)

Отсюда видно, что существует два способа плавного изменения скорости вращения двигателя в широких пределах:

1. изменение напряжения U, подведенного к якорю двигателя;

2. изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения I_B).

На рис.6.14 показано возможное включение регулировочных реостатов в схему двигателя.

При увеличении сопротивления R₂ , при постоянном напряжении сети U, уменьшается напряжение, подведенное к якорю, и следовательно, скорость вращения двигателя. С увеличением сопротивления R₁ уменьшается ток возбуждения и магнитный поток возбуждения, а, следовательно, увеличивается скорость вращения двигателя.

Второй способ регулирования скорости вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями мощности: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменять скорость вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.

Возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.

Соотношение (6.13) определяющее скорость вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока скорость неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до величины потока остаточного намагничивания, а двигатель идет «вразнос». Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя. Режим «разноса» является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.

У нагруженного двигателя увеличение скорости вращения происходит не столь резко, так как уменьшение магнитного потока при постоянном моменте вращения приводит к такому увеличению тока якоря, при котором произведением I_яR_я уже нельзя пренебрегать. Но и в этом случае обрыв цепи возбуждения может быть опасным.

6.7. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением.

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6.15.

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток, потребляемый двигателем, достаточно велик, обмотка возбуждения имеет небольшое число витков.

Из- за последовательного включения обмоток якоря и возбуждения (рис.6.15), магнитный поток Ф пропорционален току I (если пренебречь насыщением магнитопровода), и в формуле следует положить , где k — постоянный коэффициент. Тогда

вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока, потребляемого двигателем.

Выразим магнитный поток через вращающий момент:

и подставим в приближенное выражение скорости вращения двигателя:

&nbsp &nbsp &nbsp &nbsp(6.16)

Отсюда видно, что для двигателей последовательного возбуждения опасен режим холостого хода, т.к. при уменьшении момента на валу до нуля, скорость вращения неограниченно увеличивается (рис.6.16), двигатель идет «вразнос». Это обстоятельство требует такого сочленения двигателя последовательного возбуждения с рабочей машиной, при котором режим холостого хода исключён. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения приведены на рис.6.16.

Скорость вращения двигателя последовательного возбуждения можно регулировать либо изменением подводимого напряжения, либо изменением магнитного потока возбуждения за счет шунтирования обмотки возбуждения (рис.6.17). Второй способ более экономичен.

Двигатель последовательного возбуждения имеет существенные преимущества, благодаря квадратичной зависимости вращающего момента от тока. Так, например, он развивает больший пусковой момент, что очень важно для электропривода на транспорте (благодаря этому, двигатель способен быстро набирать скорость после остановки). Однако резко выраженная зависимость скорости вращения от нагрузки и опасность «разноса» ограничивают область применения этих двигателей.

Указанных недостатков лишены двигатели смешанного возбуждения (рис.6.18).

Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим «разноса» двигателя при снятии нагрузки.

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

Похожие публикации:

1. Пружины на паджеро 4 какие лучше
2. Кварц на мойке авто что это
3. Допуск 502 и 504 в чем разница
4. Как посмотреть ошибки на киа спортейдж 3

Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

1. индуктор: неподвижная часть;
2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

В двигателях с параллельным возбуждением на индуктор подается то же напряжение и от того же источника питания, что и на якорь.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

• при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой ниже 25% номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим: частота вращения окажется чересчур высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).

Основы машин постоянного тока: устройство, принцип действия, ЭДС и ЭММ

В данной статье мы рассмотрим устройство и принцип действия машины постоянного тока, а также изучим понятия электродвижущей силы и электромагнитного момента в контексте электротехники.

Основы машин постоянного тока: устройство, принцип действия, ЭДС и ЭММ обновлено: 14 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В мире электротехники машины постоянного тока играют важную роль. Они используются в различных областях, включая промышленность, транспорт и энергетику. Понимание устройства и принципа действия этих машин является ключевым для электротехнических специалистов.

В данной статье мы рассмотрим основные аспекты машин постоянного тока, включая их устройство, принцип действия, электродвижущую силу и электромагнитный момент. Мы постараемся объяснить эти понятия простым языком и предоставить четкие определения и свойства каждого из них.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока (МПТ) – это электрическое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую и наоборот. Она состоит из нескольких основных компонентов:

Статор

Статор – это неподвижная часть машины, которая создает магнитное поле. Он состоит из железного ядра и обмотки, намотанной на него. Обмотка статора подключена к источнику постоянного тока и создает постоянное магнитное поле.

Ротор

Ротор – это вращающаяся часть машины, которая содержит обмотку и коммутатор. Обмотка ротора подключена к внешней нагрузке и создает электрическую энергию. Коммутатор служит для изменения направления тока в обмотке ротора.

Коллектор и щетки

Коллектор – это устройство, которое соединяет обмотку ротора с внешней цепью. Он состоит из множества медных пластин, называемых ламелями, которые разделены изоляционными прокладками. Щетки – это угольные или металлические контакты, которые прижимаются к коллектору и передают ток между ротором и внешней цепью.

Подшипники

Подшипники – это устройства, которые обеспечивают плавное вращение ротора. Они устанавливаются на обоих концах ротора и позволяют ему вращаться без трения.

В целом, устройство машины постоянного тока довольно сложно, но его основные компоненты позволяют преобразовывать энергию и выполнять работу.

Принцип действия машины постоянного тока

Машина постоянного тока (МПТ) работает на основе принципа электромагнитной индукции. Она состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор

Статор – это неподвижная часть машины, которая создает магнитное поле. Он состоит из постоянных магнитов или электромагнитов, расположенных вокруг ротора. Магнитное поле, создаваемое статором, является постоянным и направленным.

Ротор

Ротор – это вращающаяся часть машины, которая содержит обмотки проводника. Ротор может быть постоянным магнитом или электромагнитом. Когда ротор вращается, обмотки проводника пересекают магнитное поле, создаваемое статором.

Принцип действия МПТ заключается в следующем:

1. Подача постоянного тока на обмотки ротора создает магнитное поле вокруг ротора.
2. Магнитное поле ротора взаимодействует с магнитным полем статора, создавая момент силы.
3. Момент силы вызывает вращение ротора.
4. Вращение ротора приводит к изменению магнитного потока, проходящего через обмотки ротора.
5. Изменение магнитного потока в обмотках ротора вызывает индукцию электрического тока.
6. Электрический ток, протекающий через обмотки ротора, создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора.
7. Взаимодействие магнитных полей продолжается, поддерживая вращение ротора.

Таким образом, принцип действия машины постоянного тока основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора, что приводит к вращению ротора и преобразованию электрической энергии в механическую работу.

Электродвижущая сила (ЭДС) в машинах постоянного тока

Электродвижущая сила (ЭДС) – это разность потенциалов, которая возникает в обмотках машины постоянного тока и вызывает электрический ток.

В машинах постоянного тока ЭДС обычно создается с помощью коммутатора и щеток. Коммутатор – это устройство, состоящее из сегментов и изолирующих пластин, которое позволяет изменять направление тока в обмотках ротора.

Когда ротор вращается, щетки подают электрический ток на разные сегменты коммутатора, изменяя направление тока в обмотках ротора. Это создает изменение магнитного потока в обмотках ротора и, следовательно, вызывает индукцию электрического тока.

ЭДС, создаваемая в обмотках ротора, направлена противоположно ЭДС, создаваемой в обмотках статора. Это происходит из-за изменения направления тока в обмотках ротора при вращении. Таким образом, ЭДС в обмотках ротора противодействует ЭДС в обмотках статора.

ЭДС в машинах постоянного тока играет важную роль в их работе. Она обеспечивает протекание электрического тока в обмотках и создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора, вызывая вращение ротора.

Электромагнитный момент (ЭММ) в машинах постоянного тока

Электромагнитный момент (ЭММ) в машинах постоянного тока является ключевым понятием, определяющим их работу. ЭММ представляет собой момент силы, возникающий в результате взаимодействия магнитного поля статора и ротора.

Магнитное поле статора создается постоянными магнитами или электромагнитами, которые образуют постоянные полюса. Ротор, в свою очередь, состоит из обмоток, через которые протекает электрический ток. При подаче тока на ротор, вокруг обмоток возникает магнитное поле.

Взаимодействие магнитного поля статора и ротора приводит к возникновению электромагнитного момента. Этот момент создает крутящий момент на роторе, который вызывает его вращение. Таким образом, ЭММ является причиной вращения ротора в машинах постоянного тока.

Величина ЭММ зависит от силы магнитного поля статора, тока в обмотках ротора и геометрических параметров машины. Чем сильнее магнитное поле статора и ток в обмотках ротора, тем больше будет ЭММ и, соответственно, крутящий момент на роторе.

ЭММ также зависит от положения ротора относительно статора. В машинах постоянного тока существует определенное положение ротора, при котором ЭММ будет максимальным. Это положение называется положением максимального ЭММ или положением нейтрального пуска.

ЭММ в машинах постоянного тока может быть изменен путем изменения силы магнитного поля статора или тока в обмотках ротора. Это позволяет регулировать скорость вращения ротора и мощность машины.

Таблица по теме “Устройство машины постоянного тока”

Термин	Определение	Свойства
Якорь	Основной элемент машины постоянного тока, состоящий из обмотки и магнитопровода, который вращается в магнитном поле.	– Создает электромагнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. – Передает электрическую энергию в механическую энергию вращения.
Статор	Неподвижная часть машины постоянного тока, состоящая из постоянных магнитов или электромагнитных катушек.	– Создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с полем якоря. – Обеспечивает направление движения тока в якоре.
Коллектор	Устройство, которое позволяет передавать электрический ток между якорем и внешней цепью.	– Обеспечивает изменение направления тока в якоре при каждом положении якоря. – Позволяет передавать электрическую энергию от источника питания к якорю.
Коммутатор	Устройство, которое обеспечивает переключение контактов коллектора для изменения направления тока в якоре.	– Позволяет якорю вращаться в одном направлении, меняя направление тока в зависимости от положения якоря. – Обеспечивает постоянное вращение якоря и создание механической работы.

Заключение

Машины постоянного тока являются важным элементом в электротехнике. Они состоят из устройства, которое преобразует электрическую энергию в механическую работу. Принцип действия машины постоянного тока основан на использовании постоянного магнитного поля и электромагнитного момента. Электродвижущая сила (ЭДС) играет ключевую роль в работе машины, обеспечивая поток энергии. Электромагнитный момент (ЭММ) создается при взаимодействии магнитного поля и тока в обмотках машины. Понимание этих основных понятий поможет студентам разобраться в принципах работы машин постоянного тока и их применении в различных областях электротехники.

Основы машин постоянного тока: устройство, принцип действия, ЭДС и ЭММ обновлено: 14 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру