Лекция 8 Электромагнитные машины постоянного тока Конструкция

Лекция № 8 Электромагнитные машины постоянного тока. Конструкция и принцип действия.

Машина постоянного тока – машина, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока (генератор) или обратное преобразование (двигатель). Машина постоянного тока обратима, т. е. одна и та же машина может работать и как двигатель, и как генератор. Действие генератора основано на законе электромагнитной индукции.

При вращении витка из электропроводящего материала в постоянном магнитном поле в витке возникает переменная ЭДС с частотой:

Устройство машины постоянного тока - Неподвижная часть (статор), необходима для возбуждения главного магнитного поля - Вращающаяся часть (ротор). В нем индуктируются ЭДС и токи, создающие тормозящий момент в генераторе и вращающий момент в двигателе. Активными частями машины постоянного тока являются магнитные сердечники, обмотки статора и ротора (якоря) и коллектор.

- станина - сердечник - полюсный наконечник - основной полюс - дополнительный полюс

Магнитный сердечник статора – состоит из стальной пластины, на которой укрепляются шихтованные (набранные из стальных пластин) основные полюсы и дополнительные полюсы. Основные полюсы служат для возбуждения главного магнитного потока. Дополнительные полюсы – для хорошей коммутации машины.

Основной полюс состоит из сердечника и катушки обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. Дополнительные полюса устанавливаются на станине посередине между основными. Катушки их обмоток соединяются последовательно с якорем.

Якорем является часть машины, в обмотке которой, при вращении ее относительно главного магнитного поля, индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника: обмотки, уложенной в пазах сердечника и коллектора, насаженного на вал якоря.

Коллектор - полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга и от вала машины медных пластин. На коллекторе, в щеткодержателях, устанавливаются неподвижные щетки, через которые вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью. В генераторах постоянного тока используется для выпрямления переменной ЭДС, индуцируемой по вращающейся обмотке, а в двигателях постоянного тока – для получения постоянного по направлению вращающего момента.

Принцип действия МПТ: n 2 – частота вращения якоря - ЭДС, направленные от нас - ЭДС, направленные к нам

Проводники соединяют между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого конец проводника, расположенного в зоне одного полюса, соединим последовательно с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности. Два проводника образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под серединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи.

Обмотка возбуждения создает основное магнитное поле. При подключении обмотки якоря к внешней цепи по ней проходит ток, создающий магнитное поле якоря. Результирующий поток в зазоре между статором и ротором благодаря влиянию магнитного поля якоря меньше, чем поле при холостом ходе (когда внешняя цепь отключена). Машина работает в режиме генератора, если ее вращает тот или иной первичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря замкнута через щетки на нагрузку. В самой машине взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает магнитный момент, который должен преодолевать первичный двигатель. Машина преобразует механическую энергию в электрическую.

Если же цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии, то напряжение последнего создает токи в обмотках машины и ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным полем, образует вращающий момент. Под его действием якорь вращается – машина работает в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую.

Классификация машин по способу возбуждения главного магнитного поля Все рабочие характеристики машин постоянного тока как в режиме генератора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Различают возбуждения машин: -параллельное -последовательное -смешанное -независимое

Машина независимого возбуждения Обмотка возбуждения получает ток от независимого источника энергии, благодаря чему сила этого тока не зависит от напряжения на зажимах якоря машины. Сечение проводов обмотки возбуждения выбирается в зависимости от напряжения источника тока возбуждения.

Машина параллельного возбуждения Цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения велико: Обмотка возбуждения имеет большое число витков относительно тонкого провода и благодаря этому имеет значительное сопротивление. Для такого рода машин характерно относительное постоянство главного магнитного потока.

Машина последовательного возбуждения Полный ток якоря проходит через обмотку возбуждения, поэтому она выполнена проводом большого сечения. Сила тока в обмотке последовательного возбуждения относительно велика, благодаря чему для получения необходимой магнитной силы достаточно, чтобы: Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изменениях нагрузки машины вследствие изменения

Машина смешанного возбуждения На каждом полюсном сердечнике надеты 2 катушки, одна из которых входит в обмотку возбуждения, включаемую параллельно якорю, а вторая – в обмотку, включаемую последовательно якорю. Одна из В зависимости от преобладания магнитной силы. Ее этих обмоток является главной. последовательной или параллельной обмотки магнитная сила возбуждает возбуждения машина по магнитное поле, а вторая главное своим характеристикам может быть машинойдополняет это воздействие. лишь последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой возбуждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения.

Генератор постоянного тока Работа генератора описывается уравнением:

Основное требование – постоянство напряжения на его зажимах при изменении нагрузки. Зависимость между напряжением на зажимах машины и током нагрузки - внешняя характеристика машины и определяется системой возбуждения генератора. Независимое Параллельное Последовательное Смешанное (согласное включение катушек) Смешанное (встречное включение катушек)

Уменьшение напряжения при росте нагрузки генератора возникает из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия поля якоря, обусловленного насыщением магнитопровода. Оптимальной является система смешанного возбуждения, при которой можно получить одинаковое напряжение и при холостом ходе и при номинальной нагрузке.

Другое важное требование, которому должен отвечать генератор постоянного тока – безискровая коммутация тока. Уменьшение искрения обеспечивается дополнительными полюсами на статоре машины. Мощные генераторы иногда выполняют с компенсационной обмоткой, которая закладывается в пазы полюсных наконечников и соединяются последовательно с обмоткой якоря. Ее назначение – компенсировать поле якоря в зоне под главными полюсами. Она автоматически обеспечивает компенсацию при всех нагрузках и равномерное распределение индукции под полюсной дугой. Т. о. снижается максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами и устраняется «потенциальное искрение» .

Двигатель постоянного тока Благодаря обратимости машин генераторный режим машины может быть изменен на двигательный. Особенно просто такое изменение режима выполняется в случае генератора параллельного возбуждения, работающего на сеть постоянного тока.

Достаточно для этого уменьшить силу тока возбуждения настолько, чтобы ЭДС якоря стала меньше напряжения сети. Преобладание напряжения сети вызовет изменение направления тока в обмотке якоря, который в таких условиях будет создаваться разностью напряжения сети и ЭДС якоря. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать не тормозящий, а вращающий электромагнитный момент. Под действием последнего якорь будет вращаться без помощи первичного двигателя. Таким путем, машина будет работать, потребляя из сети мощность:

В большинстве случаев режим двигателя осуществляется пуском машины в ход, для чего она включается под напряжение питающей сети постоянного тока. В таких условиях, пока якорь не начал вращаться, ЭДС в нем не индуктируется и, следовательно, напряжение Этот пусковой ток создает вращающий момент, под действием которого якорь приходит во вращение и в его обмотке начинает индуктироваться противо-ЭДС , ограничивающая силу тока якоря

По окончании пускового периода ЭДС должна быть меньше напряжения настолько, чтобы ток якоря создавал вращающий момент, равный тормозящему моменту на валу двигателя. Частота вращения двигателя:

Частоту вращения двигателя можно регулировать: - изменением напряжения, подаваемого на обмотку якоря; - изменением магнитного потока; - включением добавочного сопротивления в цепь якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или статора.

Основной характеристикой двигателя является механическая характеристика - независимое возбуждение - параллельное возбуждение - последовательное возбуждение - смешанное возбуждение