МПТ 1 Электрические машины постоянного тока Принцип

МПТ 1 Электрические машины постоянного тока Принцип действия и конструкция Системы возбуждения Обмотки Реакция якоря Коммутация Характеристики

МПТ 2 Основные элементы конструкции МПТ Статор – неподвижная часть электрической машины. Ротор – подвижная (вращающаяся) часть электрической машины. Индуктор – часть электрической машины, обеспечивающая создание основного магнитного потока. В машине постоянного тока индуктор неподвижен и имеет явно выраженные полюса чередующейся полярности. Якорь – часть электрической машины в которой наводится э. д. с. В машине постоянного тока якорь вращается. Щеточно-коллекторный узел – механический преобразователь переменного тока в постоянный и обратно. Возбуждение – создание основного магнитного потока электрической машины.

МПТ 3 Принцип действия МПТ 1, 2 – щетки 1’, 2’ – коллектор 3 – полюса индуктора 4 – якорь 3 3 4 Простейший генератор постоянного тока Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)2 — эдс витка — частота наводимой эдс ae B l f pn

МПТ 4 Модель машины постоянного тока с двумя витками на якоре Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока: а – при двух витках на полюс; б – при большом количестве витков. Уменьшение пульсаций напряжения и момента МПТ Для сглаживания пульсаций тока и момента в МПТ необходимо разместить на якоре несколько витков, равномерно распределенных по окружности, и увеличить количество коллекторных пластин.

МПТ 5 Направления э. д. с. тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)Генераторный и двигательный режим работы МПТсила действующая на проводник 2 2 Электромагнитный момент пр a эм пр a F B l i D M F B l D i a a a U E I rгенератор U E I rдвигатель

МПТ 6 Преобразование энергии в МПТ Потери энергии в якоре возникают в результате его вращения в неподвижном магнитном поле. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и проявляют себя подобно силам трения. Электромагнитный момент Генератор Двигательэм a эм в тр с М B l D i М М М М момент на валу момент трения тормозной момент обусловленный потерями в сердечнике якоря. в тр с M М М Электромагнитная мощность 2 угловая частота вращения якоря 60 частота вращения якоря эм эм a a. P M E I n обnмин Частота э. д. с. (тока) в якоре 60 число пар полюсов n f p p

МПТ 7 Энергетические соотношения Генератор Двигатель 2 1 2 1 — подводимая электрическая мощность Подводимая электрическая мощность a a a a эл эл эм a a эл в мех c д a a. U I E I I R U I P P P I R 2 2 2 — отдаваемая электрическая мощность Подводимая механическая мощность a a a a эл эл эм a a в эл мех c д a a U I E I I R U I P P P I R

МПТ 8 Основные конструктивные элементы Магнитные процессы в электрической машине формируются с помощью магнитопровода, который обеспечивает необходимую конфигурацию магнитного поля. Электрические процессы электрических машин формируются с помощью токопроводов, называемых обмотками. Механические процессы организуются посредством вращающегося ротора (якоря МПТ). Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине происходит в результате взаимодействия магнитного, электрического и механического процессов.

МПТ 9 Основная конструктивная схема машины постоянного тока 1 – станина; 2 – главные полюсы; 3 – сердечник якоря; 4 – коллектор; 5 – вал; 6 – подшипник; 7 – подшипниковый щит; 8 — вентилятор Устройство электрической машины постоянного тока 1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник главного полюса; 5 – полюсная катушка; 6 – станина; 7 – подшипниковый щит; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря Конструкция МПТ

МПТ 10 Неподвижная часть машины постоянного тока: 1. Главный полюс 2. Добавочный полюс 3. Станина Главный полюс 1 – сердечник полюса; 2 – полюсный наконечник; 3 – полюсная катушка. Добавочный полюс 1 – сердечник; 2 – полюсная катушка. Элементы конструкции статора МПТ

МПТ 11 Сердечник якоря : а — якорь без обмотки; б – стальной лист сердечника якоря; в – необмотанный якорь машины постоянного тока. Сердечник якоря МПТ

МПТ 12 Обмотки якоря МПТ Основным элементом обмотки является секция – наименьшая часть обмотки содержащая один или несколько витков и присоединенная своими концами к коллекторным пластинам. Полюсное деление Расположение активных сторон секций на сердечнике якоря. Требования к якорной обмотке: 1. Выдерживать напряжение и ток нагрузки, соответствующие номинальной мощности 2. Электрическая, механическая и термическая прочность, обеспечивающую необходимый срок службы машины (до 15 -20 лет) 3. Обеспечение токосъема с коллектора без вредного искрения 4. Минимальный расход материалов 5. Простая технология изготовления

МПТ 13 Устройство коллектора: 1 – корпус коллектора; 2 – стяжной болт; 3 – нажимное кольцо; 4 – изоляция (миканит); 5 – «петушок» ; 6 – «ласточкин хвост» ; 7 – пластины. Коллектор: 1 – коллекторная пластина; 2 – изоляционная прокладка; 3 – конусная втулка; 4 – нажимная шайба. Расположение коллекторных пластин (1) и изоляционных прокладок (2) в коллекторе Коллектор на пластмассе: 1 – коллекторная пластина; 2 – пластмасса; 3 – стальная втулка. Коллектор МПТ

МПТ 14 Система возбуждения МПТ Магнитное поле возбуждения создается обмотками расположенными на полюсах МПТ. Магнитное поле формируется с помощью магнитопровода. Основной магнитный поток Ф — создается полюсами и проходит через якорь. Поток рассеяния Ф рс – создается полюсами и замыкается минуя якорь.

МПТ 15 Магнитная цепь МПТ в режиме холостого хода Магнитная цепь машины постоянного тока 1 – обмотка возбуждения; 2 – полюсы; 3 – ярмо; 4 – полюсный наконечник; 5 – якорь; 6 – проводники якорной обмотки; 7 – зубец якорного сердечника; 8 – воздушный зазор машины. Магнинтный поток полюса основной магнитный поток рассеяния 1. 1 1. 25 коэффициент рассеяния. ПФ Ф Ф k 0 0 2 2 1 0 ; ; ; намагнитчивающая сила Общая намагничивающая сила 0. 6 0. 8 l S i i i z a. П a H dl IФ B d. S B H H l IФ B S F H l F F F F Ñ

МПТ 16 Схема четырехполюсной МПТ Распределение потока в четырехполюсной машине: а – чередование полюсов; б – распределение индукции в воздушном зазоре. Многополюсные МПТ Воображаемую линию, проходящую посредине между полюсами называют геометрической нейтралью. полюсное деление — 2 длина дуги между двумя геометрическими нейтралями a D p

МПТ 17 Обмотка якоря МПТ представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных в пазах якоря и соединенных с коллектором. Основным элементом обмотки является секция – наименьшая часть обмотки, присоединенная к двум коллекторным пластинам. Форма секций и порядок их подключения к коллекторным пластинам определяется типом обмотки. Двухвитковые секции: a) Простая петлевая обмотка – концы секций подключаются к соседним коллекторным пластинам b) Простая волновая обмотка – концы секций подключаются к коллекторным пластинам расположенным на расстоянии двойного полюсного деления. Наиболее распространены петлевая и волновая обмотки

МПТ 18 Простая петлевая обмотка 1 – активная часть секции 2 – лобовая часть секции Активные части секций располагают под полюсами разной полярности на расстоянии приблизительно равном полюсному делению , это обеспечивает суммирование э. д. с. , наводимых в активных частях. Простыми петлевыми называют обмотки, у которых последовательно соединяются радом расположенные секции. Размещение нескольких элементарных пазов в одном реальном y 1 , y 2 , y, y k – шаги обмотки

МПТ 19 Развертка простой петлевой обмотки. Схема простой петлевой обмотки с 2 p=4, числом пазов Z=16. Первый шаг по якорю y 1 =4 Число щеток равно числу полюсов. Щетки одинаковой полярности соединяются параллельно. Секции образуют параллельные ветви, число которых равно числу полюсов: 2 a=2 p.

МПТ 20 Простая волновая обмотка Простой волновой называют обмотку, у которой последовательно соединяются секции, находящиеся в равных магнитных условиях и не расположенные рядом. Форма секций волновой обмотки напоминает волну. Волновую обмотку применяют в электрических машинах для получения большего напряжения, а петлевую для получения больших токовa) Неперекрестная обмотка b) Перекрестная обмотка

МПТ 21 Развертка простой волновой обмотки. Схема простой волновой обмотки с 2 p=4, число секций S=Z=15. Первый шаг по якорю y 1 =3. Число параллельных ветвей 2 a=2 независимо от количества полюсов машины.

МПТ 22 Определение э. д. с. якоря и электромагнитного момента. ЭДС обмотки якоря/ 2 1 1 / 2 1 Э. Д. С. проводника при перемещении в поле Э. Д. С. якоря 2 2 , . . 2 60 60 N p a k k k ср N p kср k a e e. E B l v p pl v E B l v B a a B индукция под к ым проводником Ф N B при большом l p N p n B B и т к v p p. N E Ф n C Ф n a C конструктивная постоянная машины 60 p. N a

МПТ 23 Определение э. д. с. якоря и электромагнитного момента. Электромагнитный момент / 2 1 1 / 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 a a k k k a N p a a k N p k ср a a a М a M D D f B l i M f B l i D M pl i B N B B p Ф Ф Ф I B p i Dl D l al p DФ p M pl i N NIФ D l a I M N p. Ф a p N М С Ф I C a

МПТ 24 Магнитное поле реакции якоря (а) и распределение индукции в зазоре (б) 1 -F, 2 -BРеакция якоря – воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное полюсов Магнитное поле в режиме холостого хода: а – магнитное поле машины; б – распределение индукции в зазоре.

МПТ 25 Разложение н. с. обмотки якоря на составляющие. Реакция якоря – воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное полюсов Результирующее магнитное поле (а) и распределение индукции в зазоре (б)

МПТ 26 Станина машины постоянного тока с компенсационной обмоткой Компенсационные обмотки Применение компенсационной обмотки позволяет устранить искажение магнитного поля в зазоре за счет негативного влияния реакции якоря. Компенсационную обмотку соединяют последовательно с якорем. При таком соединении через них проходит один и тот же ток, обеспечивая автоматическую компенсацию при любой нагрузке

МПТ 27 Схема распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени при γ=1 Набегающий край щетки. Сбегающий край щетки. Коммутация Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую путем замыкания этих секций щетками при переходе с одной коллекторной пластины на другую. При этом ток меняет знак на противоположный. Секция замкнутая щеткой – коммутируемая секция. Время в течении которого проходит замыкание — период коммутации (Тк).

Коммутация МПТ 28 Причины искрения во время коммутации: • механические (качество изготовления коллектора и щеточного узла), • электромагнитные (добавочный ток, вызванный результирующей ЭДС), • потенциальные (повышенное напряжение между коллекторными пластинами). 1 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 ; ; и переходные сопротивления щеточных контактов a a a i i i er r i r e i i r r r 1 60 — коэффициент щеточного перекрытия — ширина щетки, — щирина коллекторной пластины — число коллекторных пластин щ к щ к а p Т Kn b b К

Коммутация МПТ 29 — эдс самоиндукции — индуктивность секции — эдс взаимоиндукции — реактивная эдс 2 — коммутирующая эдс L S S M S p L M K K S p K di e L dt L di e M dt e e B lw v e e e 2 1 1 2 В общем случае 2 1 K щ щ K K a л д K t T t S b l T T et i i T r r

МПТ 30 Графики изменения тока в коммутирующей секции. Ток в коммутируемой секции Прямолинейная коммутация Замедленная коммутация Ускоренная коммутация Характер изменения тока за период коммутации зависит от значения и знака • Прямолинейная коммутация (при дополнительных полюсах). Плотность тока одинаковая по всей ширине щетки. • Замедленная коммутация (без дополнительных полюсов или со слабыми д. п. ). Плотность тока под сбегающим краем щетки больше. • Ускоренная коммутация (сильные добавочные полюса). Плотность тока под набегающим краем щетки больше.

МПТ 31 Способы улучшения коммутации 2 1. Увеличение сопротивления цепи коммутир уемой секции 2. Уменьшают число витков в секции ( ) 3. Уменьшают частоту вращения 4. Применение более широких щеток щ щ sр S s к e i r r w е L w di n n dt di Т dt 4. Сдвиг щёток с линии геом. нейтрали 5. Применение добавочных полюсов 6. Применение компенсационной обмотки (умен ьшение поля реакции якоря)

МПТ 32 Н. с. и кривая результирующего поля машины с добавочными полюсами без компенсационной обмотки Расположение и полярность добавочных полюсов. Способы улучшения коммутации

МПТ 33 Варианты электромагнитного возбуждения МПТ Независимое Параллельное (шунтовое) Последовательное (сериесное) Смешанное (компаундное) Схемы включения обмоток возбуждения генераторов постоянного тока

МПТ 34 Характеристики электрических машин постоянного тока Характеристики генераторов Характеристики двигателей

Энергетичская диаграмма генератора независимого возбуждения МПТ

МПТ 36 Схема для испытания генераторов независимого возбуждения Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения 1. Характеристика холостого хода ГПТ( ) 0, В a. U f Iпри I n const aaar. IEU R w. I R F Фn. ФCEВВ ea

МПТ 37 Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока: а – при независимом и параллельном возбуждении; б – при одинаковом токе нагрузки для различных систем смешанного возбуждения. 2. Нагрузочные характеристики ГПТ( ) , В a. U f Iпри I const n const aaar. IEU

МПТ 38 Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения 1 – влияние падения напряжения в цепи якоря 2 – влияние падения напряжения и размагничивающей реакции якоря Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (1) и генератора последовательного возбуждения (2)3. Внешние характеристики ГПТ( ) a. В ВU f Iпри I const R const n const aaar. IEU

МПТ 39 Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения 1, 2 – согласное, 3 – встречное. Схема для испытания генератора смешанного возбуждения 3. Внешние характеристики ГПТaaar. IEU ( ) a. В ВU f Iпри I const R const n const

МПТ 40 Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения Сравнение внешних (а) и регулировочных (б) характеристик генераторов независимого (1), параллельного (2), смешанного возбуждения с согласным (3) и встречным (4) включением последовательной обмотки 4. Регулировочные характеристики ГПТconst. Uпри. If. Ia. В)(constr. IEUaaa

МПТ 41 Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением. Схема генератора с последовательным возбуждением. Характеристики генератора последовательного возбуждения Генератор имеет только одну характеристику Применяются редко в следствии сильного изменения напряжения с изменением нагрузки. в ai I I U f I

МПТ 42 Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения При переменной частоте вращения 1, 2, 3 –ХХХПри постоянной частоте вращения 1 -ХХХ, 2 -Характеристика цепи возбуждения в в В В d L I E I R dt в 2 в 3 в 4 в 3 кр R R R p p 1 2 3 n n nf

МПТ 43 Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения Условия для самовозбуждения ГПТ • Наличие остаточного магнитного потока. • Ток обмотки возбуждения направлен согласно с потоком остаточного магнетизма. • Сопротивление обмотки возбуждения меньше критического для данной частоты вращения

МПТ 44 Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения. Двигатели постоянного тока ; ; ; 2 ; ; 60 a a М a M a e e. U E I r p N М С Ф I C a p. N E C Ф n C a 2 ; a a a ee M U E I R U I R n CФ U R M n CФC CФ

МПТ 45 Задачи пуска 1. Обеспечить необходимый пусковой момент – М П 2. Уменьшить пусковой ток Способы пуска 1. Прямой пуск 2. С помощью пускового реостата, включаемого последовательно в цепь якоря. 3. При пониженном напряжении цепи якоря Пуск двигателей постоянного токапри 0, 0, 02 0, 1 (50 10) a a a a. Н U E U n E I R R R I I

МПТ 46 Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б) Диаграмма процесса пуска двигателя в ход. Пуск с помощью пускового реостата при 0 — сопротивление пускового реостата 1, 4 1, 7 a aп a п п aн U E U I n I R R R I I , — максимальное, ОВ подключена на полное напряжение Нельзя допускать разрыва в цепи ОВ 0, (разнос) 0, круговой огонь a. М a a a в e а a М С Ф I Ф U I R IФ n CФ Е I Для ДПТ с последовательным возб. недопустим пуск без нагрузки 0 0, 0, a. M I n

МПТ 47 Изменение направления вращения ДПТ Схемы для изменения направления вращения двигателя Для изменения направления вращения необходимо изменить направление тока в якоре (вместе с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой) или в обмотках возбуждения.

МПТ 48 Способы регулирования 1. Изменением тока возбуждения (потока). Двигатели рассчитаны на номинальную работу с max Ф, следовательно практически можно только уменьшать Ф (увеличивать частоту вращения). Верхний предел ограничивается мех. прочностью и условиями коммутации. «+» Экономичность 2. Изменением добавочного сопротивления цепи якоря. Регулирование скорости вниз от номинальной. При увеличении сопротивления снижается жесткость характеристик. «-» Значительные потери на сопротивлении, снижение КПД. 3. Изменением напряжения цепи якоря. Т. к. работа двигателя при недопустима, то регулирование частоты вращения ниже номинальной. «+» КПД остается высоким, «-» дороговизна (отдельный источник тока с регулируемым напряжением). Регулирование частоты вращения ДПТ 2 д ( )скоростная характеристика ( )механическая характеристика a a a ee M a U I R n n f I CФ U R M nп f M CФC CФ R R R

Условия устойчивости работы двигателя МПТ 49 Механические характеристики ДПТ М=f(n) и приводного механизма Mст=f(n) Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. ст 0 ст ст Установившийся режим работы ( , ) рис а устойчивая работа, рис б не устойчивая работа, М М n n d. M dn dn p f

МПТ 50 Схема двигателя с параллельным возбуждением (а) и зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря (б)Двигатели параллельного возбуждения Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения 2 Скоростная характеристика при и , Механическая характеристика при и aв a a e в a ee M n f I U const i const U I R n CФ n f M U const i const U R M n CФC CФ

МПТ 51 Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения Скоростные (а) и механические (б) характеристики двигателя с параллельным возбуждением при разных значениях магнитного потока. Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения путем изменения тока возбуждения (магнитного потока) Регулирование скорости вращения до 1: 82 a aк e e ae M U I R U R M U n n I CФ C Ф RC CФ

МПТ 52 Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения путем изменения сопротивления в цепи якоря 2 ( )a aд a д e ee M U I R R U R R Mn n CФ C ФC CФ

МПТ 53 Скоростные характеристики двигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением при различных напряжениях на якоре. Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения путем изменения напряжения якоря при Iв=const 2 ФCC MR ФC U n ФC RIU n Me a ee aa

МПТ 54 Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения 2 2 1 a a. P I n P M n P UI :

МПТ 55 Схема двигателя с последовательным возбуждением (а), зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря (б)Двигатели последовательного возбуждения 2 ФCC MR ФC U n ФC RIU n Me a e e aa 2 2 — коэффициент пропорциональности В a Ф Ф M M a MФ Ф I I I Ф k I k CФ M C IФ C k I k Фe a Фe M Фe a k. C R Mk. C UC n Ik. C IRU n При малых скорость недопустимо большая работа на ХХ не допускается I n

Способы регулирования частоты вращения ДПТ последовательного возбуждения МПТ 56 ДПТ посл. возб. • развивают больший пусковой момент, • при изменении момента нагрузки в широких пределах, мощность изменяется в меньших пределах чем у ДПТ парал. возб. Область применения ДПТ посл. возб. – тяжелые условия пуска, изменение момента нагрузки в широких пределах (электротранспорт, подъемно-транспортные установки. Способы регулирования частоты вращения 1. Посредством ослабления поля () «+» высокий КПД. 2. Шунтирование якоря () «-» низкий КПД. 3. Включение сопротивления в ОЯ () «-» низкий КПД. 4. Изменение напряжения. 2 2 2 ДПТ парал. возб. ДПТ посл. возб. 2 2 M I U U n const n I M P n. M M : : :

МПТ 57 Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а), шунтирования якоря (б) и включения сопротивления в цепь якоря (в) Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения 1 – естественная характеристика 2, 3 – шунтирование обмотки возбуждения 4 – шунтирование якоря 5 – сопротивление в цепи якоря 6 – последовательное включение двигателей

МПТ 58 Схема двигателя со смешанным возбуждением (а) и его скоростные характеристики (б)Двигатель смешанного возбуждения 1 – Сильная параллельная обмотка 2 – Сильная последовательная обмоткаa. ФС СШMe a СШe aa. Ik. Ф ФФCC MR ФФC U n ФФC RIU n 2)()()(