Основы функционирования систем сервиса Электрические машины постоянного тока

Основы функционирования систем сервиса Электрические машины постоянного тока

Машины постоянного тока • Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. • Используются в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз), а также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно транспортных машин, экскаваторов. • Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов.

Машины постоянного тока • Питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. • Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного. • Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

Принцип работы генератора постоянного тока • Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (рис. а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление постоянное, применяют коллектор — два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. • Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению с предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, рис. б).

Устройство генератора постоянного тока • • 1 станина 2 полюсы, 3 якорь, 4 коллектор, 5 подшипниковые щиты 6 щеткодержатели 7 крышка контактов Øвнутренняя поверхность станины, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы. с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря. Øякорь металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. Øобмотка якоря размещается в продольных пазах на поверхности якоря Øдля уменьшения сопротивления щетки часто прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Кольцевой якорь • Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС. Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (a и b) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться неизменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток. .

Барабанный якорь • Обмотки барабанного якоря укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. • Секция — это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; • Секции изготовляют по шаблону.

Многополюсные машины постоянного тока • Машины постоянного тока часто делают многополюсными, при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. • Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе.

Реакция якоря • • В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т. е. имеет место явление, называемое реакцией якоря. Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.

Коммутация • Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность этого процесса периодом коммутации. • Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов • Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря.

Генератор независимого возбуждения • Обмотка возбуждения ОВ, подключается к постороннему источнику тока через регулировочный реостат. • Напряжения получаются всегда устойчивыми. • Применяется в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения • Обмотка возбуждения ОВ подключается через регулировочный реостат к зажимам того же генератора. • Генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания

Генератор последовательного возбуждения • Обмотка возбуждения ОВ подключается последовательно вместе с якорем • Из за большого не постоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением не применяют

Генератор смешанного возбуждения • Обмотка возбуждения ОВ 1 включается параллельно якорю, а дополнительная ОВ 2 последовательно. • Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря компенсировались ЭДС потока параллельной обмотки

Напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения (кривая 1) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря. Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения U уменьшается несколько быстрее (кривая 2 ), чем у генератора независимого возбуждения. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля. С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора последовательного возбуждения (кривая 3) сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из за падения напряжения на сопротивлении якоря и из за размагничивающего действия реакции якоря.

Обратимость машин постоянного тока • Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. • Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре или только в обмотке возбуждения направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря. • Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (а). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре или только в обмотке (а, б, в) возбуждения направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (а, г).

Двигатель постоянного тока • Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов. • В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Двигатель независимого возбуждения • Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения через пусковой реостат ПР. • Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения. • В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный режим — «разнос» двигателя).

Двигатель последовательного возбуждения • Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения • Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения. • На каждом полюсе такого двигателя имеются обмотки — параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение). • Как правило, у двигателей смешанного возбуждения последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная — вспомогательной. Благодаря магнитному потоку параллельной обмотки скорость вра щения такого двигателя не мо жет возрастать беспредельно при малых нагрузках (или на холостом ходу), т. е. двигатель не будет «разносить»

Машины постоянного тока • Промышленность выпускает ряд серий машин постоянного тока. Основной является единая серия П, состоящая из трех групп машин: первая мощностью от 0, 13 до 200 к. Вт; вторая от 200 до 1400 к. Вт и третья свыше 1400 к. Вт. • Первая группа охватывает 11 габаритов по наружному диаметру якоря. В каждом габарите имеется по две длины сердечника, т. е. серия имеет 22 типоразмера. • Основное исполнение машин серии П брызгозащищенное. Выпускаются машины и с закрытым исполнением. Машины серии П бывают с одним или двумя свободными концами вала, каждый из которых может передавать номинальный вращающий момент. Машины серии П имеют несколько модификаций. • ПБ машина закрытого исполнения с естественным охлаждением; ПВ, ПВА возбудитель; • ПО обдуваемая; ПР радиаторная. • Все машины серии П изготовляются без компенсационной обмотки, двигатели имеют легкую последовательную стабилизирующую обмотку возбуждения. Номинальное напряжение двигателей 110 и 220 В, а по особому заказу могут быть изготовлены для сети напряжением 440 В. • По способу расположения вала эти машины могут быть горизонтальными и вертикальными. • При вертикальном варианте исполнения свободный конец вала направлен вниз. • Возбуждение у машин серии П шунтовое, независимое и компаундное.

Шкала мощностей машин серии П первой группы Тип Частота вращения, об/мин 600 750 1000 1500 3000 Масса, кг Диамер якоря, мм Длина якоря, мм 83 50 МОЩНОСТЬ, к. Вт П 11 - - 0, 13 0, 7 18 П 12 - - 0, 2 0, 45 1, 0 23 П 21 - 0, 2 0, 3 0, 7 1, 5 35 П 22 . 0, 3 0, 45 1, 0 2, 2 41 П 31 . 0, 45 0, 7 1, 5 3, 2 53 П 32 - 0, 7 1, 0 2, 2 4, 5 62 П 41 - 1, 0 1, 5 3, 2 6, 0 72 П 42 - 1, 5 2, 2 4, 5 8, 0 88 П 51 - 2, 2 3, 2 6 11 105 П 52 - 3, 2 4, 5 8 14 127 П 61 - 4, 5 6 11 19 163 П 62 - 6 8 14 25 195 П 71 - 8 11 19 32 250 П 72 - 11 14 25 42 290 П 81 - 14 19 32 - 330 75 106, 0 55 80 120 75 110 138 85 115 162 100 140 195 105 140 210 125 165 245 135

машины постоянного тока • В последнее время разработана новая серия (2 П) двигателей постоянного тока. У двигателей этой серии мощность при одном и том же значении высоты оси вращения увеличена в 3 5 раз; диапазон регулирования частоты вращения увеличен в среднем в 1, 6 раза; механическая инерционность якоря уменьшена на 40 60 %; обеспечена устойчивая коммутация; • удвоен срок службы машин. • Двигатели серии 2 П изготавливаются с номинальными частотами вращения 500, 600, 750, 1000, 1500, 2200 и 3000 об/мин и номинальными напряжениями 110, 220 В при мощности до 7, 5 к. Вт и 220, 440 В при мощности более 7, 5 к. Вт.

машины постоянного тока • Генераторы изготовляются с номинальными частотами вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин и номинальными напряжениями 115, 230 В при мощности до 7, 5 к. Вт и 230, 460 В при мощности более 7, 5 к. Вт. • Машины по ГОСТ 12080 66 изготовляются с одним концом вала. По заказу потребителя могут быть изготовлены без тахогенератора с двумя концами вала. • В зависимости от высоты оси вращения и способа охлаждения есть несколько разновидностей машин постоянного тока (табл. 8). • Средний срок службы машин серии 2 П 12 лет, средний ресурс 30 000 ч.

Обозначение машин постоянного тока в зависимости от их исполнения Высота оси вращения, мм Исполнение в зависимости от способа зашиты и охлаждения Обозначение исполнения Степень защиты От 90 до 315 защищенное с самовентиляцией Н IP 22 От 132 до 315 защищенное с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора Ф IP 22 От 132 до 200 закрытое обдуваемое от постороннего вентилятора 0 IP 44 От 90 до 200 закрытое с естественным охлаждением Б IP 44

пуск двигателя постоянного тока • • • При включении двигателя возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 10 20 раз. Для ограничения пускового тока двигателей мощностью более 0, 5 к. Вт последовательно с цепью якоря включают пусковой реостат. Величину сопротивления пускового реостата можно определить по выражению Rn =U/(1, 8 2, 5)Iном Rя где U напряжение сети, В; Iном номинальный ток двигателя. А; Rя сопротивление обмотки якоря, Ом. Перед включением двигателя необходимо убедиться в том, что рычаг 2 пускового реостата) находится на холостом контакте 0. затем включают рубильник и рычаг реостата переводят на первый промежуточный контакт. При этом двигатель возбуждается, а в цепи якоря появляется пусковой ток, величина которого ограничена всеми четырьмя секциями сопротивления Rn. По мере увеличения частоты вращения якоря пусковой ток уменьшается и рычаг реостата переводят на второй, третий контакт и т. д. , пока он не окажется на рабочем контакте. .

пуск двигателя постоянного тока • Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременный режим работы, а поэтому рычаг реостата нельзя длительно задерживать на промежуточных контактах: в этом случае сопротивления реостата перегреваются и могут перегореть. • . Прежде чем отключить двигатель от сети, необходимо рукоятку реостата перевести в крайнее левое положение. При этом двигатель отключается от сети, но цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на сопротивление реостата. В противном случае могут появиться большие перенапряжения в обмотке возбуждения в момент размыкания цепи. • При пуске в ход двигателей постоянного тока регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения следует полностью вывести для увеличения потока возбуждения. • Для пуска двигателей с последовательным возбуждением применяют двухзажимные пусковые реостаты, отличающиеся от трехзажимных отсутствием медной дуги и наличием только двух зажимов Л и Я.

Схема включения электрических двигателей постоянного тока • Включение электрических двигателей постоянного тока : а - с помощью пускового реостата; б - схема электродвигателя со смешанным возбуждением; в - схема универсального коллекторного электродвигателя. Л - зажим, соединенный с сетью; Я - зажим, соединенный с якорем; М -зажим, соединенный с цепью возбуждения; 0 - холостой контакт; 1 - дуга; 2 - рычаг; 3 - рабочий контакт

Как обозначаются выводы обмоток электрических машин • • • • При соединении обмоток статора трехфазных машин переменного тока звездой приняты следующие обозначения начала обмоток: первая фаза С 1, вторая фаза С 2, третья фаза С , нулевая точка 0. При шести выводах начало обмотки первой фазы С 1, второй С 2, третьей С ; конец обмотки первой фазы С 4, второй С 5, третьей Сб. При соединении обмоток в треугольник зажим первой фазы С 1, второй фазы С 2 и третьей фазы С. У трехфазных асинхронных электродвигателей роторная обмотка первой фазы Р 1, второй фазы Р 2, третьей фазы Р , нулевая точка 0. У асинхронных многоскоростных электродвигателей выводы обмоток для 4 полюсов 4 С 1, 4 С 2, 4 С ; для 8 полюсов 8 С 1, 8 С 2, 8 С и т. п. У асинхронных однофазных двигателей начало главной обмотки С 1, конец С 2; начало пусковой обмотки П 1, конец П 2. В электродвигателях малой мощности, где буквенное обозначение выводных концов затруднено, их можно обозначать разноцветными проводами. При соединении звездой начало первой фазы имеет желтый провод, второй фазы зеленый, третьей фазы красный, нулевая точка черный. При шести выводах начала фаз обмоток имеют такую же расцветку, как и при соединении звездой, а конец первой фазы желтый с черным провод, второй фазы зеленый с черным, третьей фазы красный с черным. У асинхронных однофазных электродвигателей начало вывода главной обмотки красный провод, конец красный с черным. У пусковой обмотки начало вывода синий провод, конец синий с черным. В коллекторных машинах постоянного и переменного тока начало обмотки якоря обозначается белым цветом, конец белым с черным; начало последовательной обмотки возбуждения красным, конец красным с черным, дополнительный вывод красным с желтым; начало параллельной обмотки возбуждения зеленым, конец зеленым с черным. У синхронных машин (индукторов) начало обмотки возбудителя И 1, конец И 2. У машин постоянного тока начало обмотки якоря Я 1, конец Я 2. Начало компенсационной обмотки К 1, конец К 2; начало обмотки добавочных полюсов Д 1, конец Д 2; начало обмотки возбуждения последовательной С 1, конец С 2; начало обмотки возбуждения параллельной (шунтовой) Ш 1, конец Ш 2; начало обмотки или провода уравнительного У 1, конец У 2.