Машины постоянного тока МПТ используются как в качестве

Машины постоянного тока (МПТ) используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ): - от долей ватт ( в устройствах автоматики и вычислительной техники), до нескольких тысяч киловатт (привод прокатных станов, шахтных подъемников и др. ); - ДПТ широко используются для привода подъемных средств (крановые двигатели) и привода транспортных средств (тяговые двигатели). Основные преимущества ДПТ по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока: - хорошие пусковые и регулировочные свойства; - возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин. Основные недостатки ДПТ: - относительно высокая стоимость; - сложность в изготовлении; - пониженная надежность; - наличие радиопомех и пожароопасности. Все недостатки ДПТ обусловлены наличием коллекторно-щеточного узла. Они ограничивают применение ДПТ.

Принцип действия машин постоянного тока Характерным признаком коллекторных МПТ является наличие у них коллекторно-щеточного узла – механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот Принцип действия генератора постоянного тока e e, u N A I n B При вращении якоря в витке якорной обмотки наводится ЭДС Rн u +E макс + 270 0 Uн e=2·B·l·v 90 180 -E макс 360 , град _ S Когда ЭДС в витке якорной обмотке меняет свое направление происходит смена коллекторных пластин под щетками. Полярность щеток всегда остается неизменной независимо от положения витка якорной обмотки.

Принцип действия двигателя постоянного тока Рассмотренная упрощенная модель МПТ может быть использована и в качестве ДПТ. Для этого отключим нагрузку R и подведем к щеткам напряжение от источника постоянного тока N В результате взаимодействия тока I с Fэм магнитным полем появляются электро- A n I n' + магнитные силы Fэм, создающие электромагнитный момент Мэм. Одновременно с переходом каждого проводника в зону другого полюса в этих B проводниках меняется направление тока. _ Назначение коллектора в ДПТ - изменять Fэм направление тока в проводниках обмотки S якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. При прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали n n‘ электромагнитные силы Fэм = 0. U С увеличением числа проводников в обмотке якоря и числа пластин коллектора вращение якоря становится устойчивым и равномерным.

Способы возбуждения электрических машин постоянного тока Свойства МПТ в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т. е. способом возбуждения. С 1 С 2 Я 1 G Я 2 М 1 Я 1 М Я 2 Ш 1 Последовательное возбуждение Ш 2 М 2 Независимое возбуждение Параллельное возбуждение

Способы возбуждения электрических машин постоянного тока С 1 С 2 Я 1 G Я 2 Я 1 М Я 2 Ш 1 Ш 2 Смешанное возбуждение Возбуждение от постоянных магнитов

Магнитная цепь машины постоянного тока Lca hm hz Lcя hm hz Lca – статор (ярмо) МДС обмотки возбуждения в режиме холостого hm – главный полюс – воздушный зазор хода: hz – зубцовый слой якоря Lcя – спинка якоря Fво=2 Fδ+2 Fz+2 Fm+Fa+Fя Fδ – магнитное напряжение воздушного зазора Fz – магнитное напряжение зубцового слоя якоря Fm – магнитное напряжение главного полюса Fa – магнитное напряжение статора (ярма) Fя – магнитное напряжение спинки якоря Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор , поэтому магнитное напряжение Fδ намного больше остальных слагаемых Fво

Реакция якоря машины постоянного тока В режиме холостого хода обмотки возбуждения Fво Iя=0 N N и в машине действует лишь МДС S Bδ n Fво n’ Bδ S Iя=0 τ τ В этом случае магнитное поле симметрично относительно оси полюсов

Реакция якоря машины постоянного тока Если машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток Iя, кот создает МДС якоря Fа. Допустим, что МДС обмотки возбуждения Fво=0, тогда магнитное поле МДС якоря Fа будет иметь вид: N N τ n S τ n’ Fа 2 1 S IВ=0 Пространственное положение МДС якоря Fа определяется положением щеток и остается неизменным при вращении якоря

Реакция якоря машины постоянного тока Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря N S 1 N m n Г Д S n’ α m’ τ τ Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов. 1

Устранение вредного влияния реакции якоря КО М

Обмотки якоря машин постоянного тока Основные понятия Полюсное деление В МПТ применяют двуслойные обмотки якоря Sп=1 Sп=2 Z=Zэ Zэ =2 Z Параметры обмотки якоря: S – число секций; Z – число пазов (реальных); Sп=S/Z – число секций, приходящихся Sп=3 на один паз; S=Zэ=K где Zэ – число элементарных пазов, K – число коллекторных пластин Zэ =3 Z

Петлевые обмотки якоря правоходовая y 1 y левоходовая y y 1 y 2 N 1 y 2 S 2 yk N S 2 1 yk y 1 – первый частичный шаг по якорю; y 2 – второй частичный шаг по якорю; y – результирующий шаг по якорю; y. K – шаг обмотки по коллектору; y=y 1 -y 2 y=y 2 -y 1 y=y. K=± 1, где «+» - правоходовая обмотка; «-» - левоходовая обмотка y 1=[Zэ/(2 p)]±ε y 2=y 1±y=y 1± 1

Волновые обмотки якоря Левоходовая y 1 N y 2 N S y K 1 yk y 2=y-y 1 – первый частичный шаг обмотки y=y. K=(K± 1)/p, - шаг обмотки по коллектору где «+» - правоходовая обмотка; «-» - левоходовая обмотка S

Волновые обмотки якоря Правоходовая y 1 N y 2 N S y 1 K+1 yk S

Комбинированная обмотка якоря 2τ. y 1 петл N y 1 волн S 3 N 4 yk. петл. 10 yk. волн. y 1=y 1 волн+. y 1 петл S 11

Электродвижущая сила машины постоянного тока где N – число пазовых проводников; 2 a – число параллельных ветвей. - ЭДС одного пазового проводника, активная длина которого li где или с учетом где - постоянная для данной машины

Электромагнитный момент машины постоянного тока - электромагнитная сила - электромагнитный момент где Da/2 – радиус сердечника якоря где Ia/2 a=ia – ток параллельной ветви где - постоянная для данной машины - угловая скорость вращения - электромагнитная мощность машины постоянного тока

Коммутация в машинах постоянного тока Обмотка якоря МПТ разделяется щетками на две (в волновых обмотках) или на несколько параллельных ветвей. При работе МПТ обмотка якоря вращается относительно неподвижных щеток, поэтому секции обмотки якоря непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую. Направление вращения ia ia ia i 2 1 t=0 2 ia ia ia i 1 i 2 1 2 ia t = 0, 5 Tk ia ia ia i 1 1 2 2 ia ia t = Tk 2 2 ia В процессе переключения секция замыкается щеткой накоротко, а ток секции изменяет свое направление на противоположное.

Коммутация в машинах постоянного тока Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и связанные с ним явления в короткозамкнутых секциях называют коммутацией машин постоянного тока. Время в течении которого секция обмотки якоря накоротко замкнута щеткой называют периодом коммутации T. Коммутация – сложный процесс, зависящий от большого числа факторов. Поэтому точный и строгий анализ этого явления чрезвычайно труден. Предположим: а) ширина щетки пластины bк bщ равна ширине коллекторной bщ = bк ; б) сумма ЭДС, индуцируемых в короткозамкнутой секции равна нулю ∑e = 0. При этом изменение тока в к. з. секции будет определяться только контактными сопротивлениями между щеткой и коллекторными пластинами. Этот случай носит название коммутации сопротивлением. Ток в к. з. секции изменяется по линейной зависимости от t. Такая коммутация называется прямолинейной.

Коммутация в машинах постоянного тока +ia 1 Кроме того: 1) в процессе коммутации в короткозамкнутой секции индуктируется ЭДС самоиндукции 2 t 0 -ia которая стремится воспрепятствовать изменению тока. Tk В результате происходит замедленная коммутация (кривая 2) – плотность тока под набегающим краем щетки j 1 – уменьшается, а под сбегающим краем j 2 – возрастает. 2) Если щетка перекрывает несколько коллекторных пластин, то в рассматриваемой секции будут наво-диться ЭДС взаимоиндукции e. M, которые увеличивают суммарную e. L. 3) При вращении якоря в КЗ секции индуктируется ЭДС вращения eк, при пересечении проводниками секции внешнего магнитного поля, которое может образоваться в зоне коммутации, как за счет реакции якоря, так и добавочными полюсами.

Коммутация в машинах постоянного тока ЭДС вращения eк может изменять свой знак в зависимости от направления поля в зоне коммутации и направления вращения. При этом может осуществляться: 3 – ускоренная коммутация (разные знаки) +ia 1 0 2 4 t 3 4 – сильно замедленная коммутация -ia 5 5 – сильно ускоренная Tk коммутация Коммутация под сбегающим краем щетки при j 2 = 0 обеспечивает безыскровое размыкание контура к. з. секции. При этом j 1 имеет повышенное значение, но оно в определенных границах, не представляет опасности, т. к. безыскровое замыкание контура осуществляется легче, чем размыкание.

Коммутация в машинах постоянного тока Причины искрения: 1) Электромагнитного характера – в момент размыкания искрение возникает, если к. з. секция имеет достаточный запас электромагнитной в результате воздействия e. L и eк. В результате разряда этой энергии возникает искрение на сбегающем крае щетки. Искрение на набегающем крае щетки возникает при резко ускоренной коммутации, при значительном преобладании eк и больших плотностях тока j 1. энергии

Коммутация в машинах постоянного тока Причины искрения: 2) Потенциального характера – при неравномерном распределении индукции в зазоре между некоторыми соседними коллекторными пластинами возможно появление большого напряжения, которое определяется ЭДС, наводимой в секциях, присоединенных к этим пластинам Предельные значения Uк max: 25 28 В – в ЭМ большой мощности; 30 35 В – в ЭМ средней мощности; 50 60 В – в ЭМ малой мощности. 3) Механического характера – – эксцентрическое расположение коллектора на валу; а) коллектор: – плохая балансировка вращающихся частей; – неровности поверхности коллектора; – выступающие края изолирующих прокладок между пластинами. б) щеточный аппарат: – недостаточное закрепление щеткодержателя на щеточном пальце; – неравномерное распределение пальцев по окружности коллектора; – недостаточно жесткое крепление щеточной траверсы; – неправильный выбор марки щетки.

Коммутация в машинах постоянного тока Способы улучшения коммутации 1). Уменьшение ЭДС e. L – достигается уменьшением числа витков секции (стремятся к wc =1), снижением магнитной проводимости паза (пазы выполняют меньшими по высоте и большими по ширине) 2). Создание в зоне коммутации коммутирующего поля: а) сдвигом щеток с геометрической нейтрали – в МПТ небольшой мощности, не имеющих ДП. В генераторах щетки сдвигают по направлению вращения, в двигателях – против направления вращения. Недостаток: требуемый угол сдвига изменяется в зависимости от нагрузки. б) применением ДП: Обмотка ДП соединяется последовательно с обмоткой якоря; при этом магнитная цепь ДП должна быть не насыщена. Для этого: 1) увеличивают зазор под ДП по сравнению с зазором под ГП; 2) индукцию в сердечнике ДП выбирают не более 0, 8 – 1, 0 Тл при номинальной нагрузке. в) применением компенсационной обмотки: Компенсационная обмотка позволяет устранить искажение основного магнитного поля, вызванное реакцией якоря.

Двигатели постоянного тока Уравнение напряжения для якорной цепи двигателя, работающего с постоянной частотой вращения - мощность в цепи обмотки якоря - мощность электрических потерь в цепи якоря - электромагнитная мощность двигателя - уравнение мощностей Подставим в уравнение напряжений и выразим n

Пуск двигателя постоянного тока Из уравнения напряжений В начальный момент пуска n = 0 Е а= 0 и В цепь якоря включают пусковой реостат rпр Я 1 rпр rрг М Ш 1 Ш 2 Я 2

Двигатель параллельного возбуждения Характерная особенность этого двигателя: ток в обмотке возбуждения не зависит от нагрузки. V А Я 1 rпр А rрг М Я 2 Ш 1 Ш 2 Скоростная характеристика Рабочие характеристики: зависимости от полезной мощности - частоты вращения при U = const и Iв = const - полезного момента - вращающего момента - тока якоря n n 0 2 1 nном 0 Pном P 2

Двигатель параллельного возбуждения Зависимость полезного момента от полезной мощности М Ia М М 2 Вращающий момент М 2 ном Ток якоря 0 Механическая характеристика При Ф=const график Pном P 2 совпадает с графиком т. к. n n 0 подставим nном 0 n Мном М

Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения Регулировать частоту вращения можно: 1) изменением сопротивления в цепи якоря; 2) изменением основного магнитного потока Ф; 3) изменением напряжения в цепи якоря. 1) Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря n n 0 nном 0 n rд = 0 rд ≠ 0 rд 1 > rд Мном М n 0=const, n

Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения 2) Изменение основного магнитного потока Ф n n 0 Фн При ослаблении Ф Ф<Фн 0 Мном n 0 , n М 3) Изменение напряжения в цепи якоря U n n 0 nном U< Uн При снижении U n 0 , n =const n Uн 0 Мном М