Лекция 2 КСР Электрические машины постоянного тока 1 Устройство

Лекция 2(КСР) Электрические машины постоянного тока 1. Устройство и принцип действия машины постоянного тока. 2. ЭДС, вращающий момент и реакция якоря. 3. Электрические двигатели постоянного тока и их характеристики. 4. Генераторы постоянного тока и их характеристики. Литература: 1. Богданович П. Ф. , Григорьев Д. А. Электротехника. Курс лекций - Гродно: «ГГАУ» , 2010. с. 118 - 131. 2. 2. Касаткин А. С. Электротехника. Учебник для вузов – М. : «Академия» , 2005. с. 371 - 407.

1. Устройство и принцип действия машины постоянного тока

Машина постоянного тока 1 - обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3 – станина (ярмо); 4 - полюсный наконечник; 5 - проводники якорной обмотки; 6 - воздушный зазор машины.

Коллектор - это полый цилиндр, набранный из отдельных медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга и от вала. К пластинам коллектора припаяны проводники обмотки якоря. По пластинам коллектора скользят медно-графитовые щетки, закрепленные в щеткодержателях. Машина постоянного тока может работать в двух режимах – в генераторном и в двигательном.

Если якорь машины вращать за счет некоторого внешнего источника механической энергии, то в каждом проводнике его обмотки будет индуктироваться ЭДС где Ф – магнитный поток; В – магнитная индукция; l – активная длина проводника; v – окружная (линейная) скорость движения проводника относительно магнитного поля статора. В этом случае получим режим генератора.

Режим двигателя получим подав на якорь напряжение. При этом, для создания магнитного поля статора, необходимо подать напряжение питания на обмотку возбуждения статора. На каждый проводник якорной обмотки будит действовать сила F = B IЯ l , где В – магнитная индукция; IЯ – ток якоря; l – активная длина проводника. Направление действия этой силы определяется по правилу левой руки.

При вращении якоря, согласно закону электромагнитной индукции, в проводниках его обмотки будет возникать ЭДС, направленная противоположно току IЯ. В этом легко убедиться, воспользовавшись правилом правой руки. Приложенное напряжение U уравновешивает эту ЭДС и падение напряжения на сопротивлении обмоток якоря.

Свойство электрических машин работать как в генераторном так и в двигательном режимах называется обратимостью. Оно характерно для всех электрических машин. Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции, связанная главным образом со щеточно -коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно -щеточном аппарате, осуществляющем постоянное переключение цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

2. ЭДС, вращающий момент и реакция якоря

При работе машины постоянного тока в режиме генератора генерируемая ЭДС - постоянный для данной машины коэффициент; п - частота вращения якоря, об/мин; Ф – магнитный поток, (Ф = B l τ); l τ - площадь одного полюсного наконечника; l – активная длина проводника; τ – длина дуги охвата одного полюсного наконечника; р – число пар полюсов магнитной системы статора; N - число проводников обмотки ротора; 2 а – число параллельных ветвей на которые щетки делят всю обмотку якоря. где

При работе электрической машины в режиме двигателя взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает электромагнитный (механический) вращающий момент где данной машины. - коэффициент, постоянный для

При вращении якоря направление токов в проводниках между щетками не изменяется и поле якоря оказывается неподвижным относительно щеток и полюсов возбуждения. Сам якорь становится электромагнитом. Линия NЯ - SЯ совпадает с физической нейтралью (линия n - n′), где индукция магнитного потока статора равна нулю. Именно на этой линии в машинах постоянного тока устанавливают щетки коллектора.

Магнитный поток якоря накладывается на основной магнитный поток. В результате наложения магнитных потоков, статора - ФС и якоря – ФЯ , создается суммарный магнитный поток Ф∑. Физическая нейтраль смещается на некоторый угол и занимает новое положение (линия m - m′). У генераторов она смещается в направлении вращения якоря, у двигателей против направления вращения якоря. Величина угла смещения нейтрали зависит от нагрузки.

Влияние тока якоря на основной магнитный поток называют реакцией якоря. Реакция якоря нарушает симметрию магнитного поля в воздушном зазоре и уменьшает магнитный поток. Вследствие этого в генераторе уменьшается ЭДС (напряжение на щетках). В двигателе уменьшается электромагнитный момент и изменяется частота вращения. Меры ослабления реакции якоря: - увеличение воздушного зазора между якорем и полюсами; - применение специальной компенсационной обмотки в полюсах статора, включенной последовательно с якорем; - устанавка дополнительных полюсов, которые располагают на станине по линии геометрической нейтрали, питаемых током якоря.

3. Электрические двигатели постоянного тока и их характеристики Двигатели постоянного тока используются в приводах, требующих изменения частоты вращения. Они имеют большой пусковой момент и могут быть выполнены практически на любую частоту вращения.

Характеристики двигателя: механическая п=f(МВР); рабочие: МВР= f(РВЫХ); п=f(РВЫХ); η = f(РВЫХ); IП = f(РВЫХ), где РВЫХ – выходная механическая мощность двигателя; η - коэффициент полезного действия двигателя; IП – ток, потребляемый двигателем. Все названные характеристики зависят от способа возбуждения: параллельного, последовательного или смешанного.

Двигатель с параллельным возбуждением Схема включения Механическая характеристика п=f(МВР), или Пусковой реостат RП необходим для ограничения тока якоря IЯ при пуске двигателя. Регулировочный реостат RШ при пуске наоборот выводят, что обеспечивает получение максимальных значений ЭДС якоря ЕЯ и пускового момента МВР.

Универсальная механическая характеристика для машины постоянного тока с параллельным возбуждением. Она характеризует режимы работы машины в зависимости от момента МВР на валу двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением Схема включения Механическая характеристика Регулировать обороты двигателя можно путем изменения напряжения питания или с помощью реостата RП, уменьшая или увеличивая ток двигателя. Можно также шунтировать обмотку возбуждения реостатом RШ. При этом уменьшается магнитный поток Ф, возрастает частота вращения п и увеличивается ток двигателя.

Двигатель со смешанным возбуждением Схема включения Механическая характеристика Одна из обмоток возбуждения играет роль основной, формирующей в номинальном режиме не менее 70% основного магнитного потока. По этому признаку различают двигатели с последовательнопараллельным возбуждением и с параллельнопоследовательным возбуждением.

В двигателе с последовательно-параллельным возбуждением преобладает последовательное возбуждение. Однако наличие параллельной обмотки возбуждения при уменьшении нагрузки на валу двигателя ограничивает нарастание частоты вращения п. В двигателе с параллельно-последовательным возбуждением за счет последовательной обмотки стабилизируется основной магнитный поток, облегчаются условия пуска и регулирования частоты вращения.

4. Генераторы постоянного тока и их характеристики В зависимости от того, откуда к обмотке возбуждения генератора подводится напряжение, различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

Генератор с независимым возбуждением Схема генератора Внешняя характеристика UГ = f(IН ) Характеристика холостого хода ЕЯ = f(IВ ) Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением UГ = f(IH ) выражается соотношением U Г = Е Я – R Я IH. Наклон характеристики объясняется падением напряжения на сопротивлении обмотки якоря RЯ.

В генераторах с самовозбуждением обмотка возбуждения подключается к обмотке якоря. В зависимости от способа подключения, параллельного или последовательного, различают генераторы: с параллельным возбуждением; с последовательным возбуждением.

Генератор с параллельным возбуждением Схема генератора Внешняя характеристика. Ток возбуждения можно регулировать реостатом RР. Величина тока возбуждения не превышает 3% тока якоря, поэтому можно считать IH ≈ IЯ. Внешняя характеристика имеет больший наклон чем у генератора с независимым возбуждением, так как при уменьшении напряжения UГ вследствие его падения на сопротивлении RЯ, уменьшается и ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением, у которых обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, отличаются тем, что они возбуждаются только при подключенной нагрузке. При холостом ходе выходное напряжение UГ равно остаточной ЭДС Е 0. Такие генераторы практически не используются.

Генераторы со смешанным возбуждением содержат на каждом из полюсов по две обмотки возбуждения – параллельную и последовательную. Благодаря параллельной обмотке такой генератор способен самовозбуждаться и при холостом ходе. За счет подмагничивающего действия последовательной обмотки внешняя характеристика при согласном включении обмоток возбуждения практически не будет иметь наклона. Выходное напряжение, в пределах изменения нагрузки от нуля до номинальной, будет оставаться практически неизменным (полезное свойство!). Встречное включение параллельной и последовательной обмоток используется в сварочных генераторах, где необходимо получить круто падающую характеристику и ограничить ток короткого замыкания.

Лекция закончена Спасибо за внимание