Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Машины постоянного тока: устройство и принцип действия, режимы работы, пуск и регулирование частоты вращения двигателя, коммутация и способы ее улучшения.



Устройство и принцип действия машины постоянного тока (МПТ). На рисунке 6.6 представлено устройство простейшей машины постоянного тока.

Рисунок 6.6 – Устройство простейшей машины постоянного тока

Ее неподвижная часть называется индуктором и состоит из стального ярма и прикрепленных к нему полюсов. Индуктор предназначен для создания основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рисунке 6.6 простейшей машины имеет два полюса 1. Вращающаяся часть называется ротором и состоит из цилиндрического якоря 2 и коллектора 3, укрепленных на валу машины. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали, сажаемых непосредственно на вал. На внешней поверхности якоря расположены пазы, в которые укладываются катушки обмотки якоря. К концам витка обмотки крепятся медные пластины, изолированные от вала. Совокупность пластин образует кольцо, называемое коллектором. Для отвода/подвода тока к вращающемуся коллектору на него нажимают две неподвижные щетки 4, соединяющие обмотку якоря с внешней цепью.

Для создания основного магнитного потока в машинах постоянного тока предназначена обмотка возбуждения. Катушки обмотки возбуждения располагаются на сердечниках главных полюсов (рисунок 6.7) и питаются постоянным током. Главные полюса состоят из ферромагнитного сердечника и расширенной части – полюсного наконечника, часто называемого «башмаком».

Рисунок 6.7 – Главный полюс машины постоянного тока

Для лучшего охлаждения обмотки возбуждения ее обычно разбивают на 2–4 катушки. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу.

Число главных полюсов всегда четное, северный полюс чередуется с южным. Для этого последовательно соединяются катушки соответствующих полюсов.

Для улучшения процесса токосъема с коллектора в машинах большой мощностью устанавливаются дополнительные полюсы. Они располагаются между главными полюсами и крепятся болтами к ярму. Для изготовления сердечников дополнительных полюсов обычно применяют конструкционную сталь, ярмо выполняется из стали.

Генераторы постоянного тока широко используются в промышленности, транспорте (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения).

Для МПТ справедлив принцип обратимости: каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Режим генератора. Если вращать якорь машины по часовой стрелке, в проводниках его обмотки будет индуцироваться ЭДС, называемая ЭДС вращения. Для определения ее направления используется правило правой руки (рисунок 6.8 а).

а б

Рисунок 6.8 – Правила правой (а) и левой (б) руки

Вследствие симметрии в обоих проводниках обмотки якоря будут индуцироваться равные ЭДС, суммируемые по контуру витка, тогда полная ЭДС якоря простейшей машины будет равна Ea = 2eпр.

Так как проводники попеременно оказываются то под южным, то под северным полюсами, направление ЭДС, индуцируемой в проводниках, изменяется (рисунок 6.9, а).

а б

Рисунок 6.9 – Кривые ЭДС и тока простейшей МПТ в якоре (а)

и во внешней цепи (б)

Если обмотка якоря подключена ко внешней цепи, то по обмотке якоря и во внешней цепи начинает протекать ток. возникает ток. При этом ток обмотке якоря переменный Ia, и его кривая повторяет форму кривой ЭДС (рисунок 6.9, а). Направление тока, протекающего во внешней цепи будет постоянным, благодаря действию коллектора. При повороте якоря с коллектором на 90°, проводники оказываются под другими полюсами и направления ЭДС в них изменяется. Одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Так, нижняя щетка всегда будет контактировать с коллекторной пластиной, проводник которой располагается под южным полюсом, а нижняя щетка – с пластиной, проводник которой расположен под северным полюсом. Следовательно, полярность щеток, как и направление тока во внешней цепи, всегда будут оставаться неизменными.

Таким образом, коллектор в генераторе преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи, выполняя функцию механического выпрямителя (рисунок 6.9 б).

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток мало пригоден для практических целей. В связи с этим на практике не применяют такие простейшие машины, как рассмотренная выше, для уменьшения пульсаций применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор.

Напряжение на зажимах якоря генератора равно:

, (6.13)

где ra – сопротивление обмотки якоря.

На проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле, будут действовать электромагнитные силы Fпр. Их направление можно определить по правилу левой руки (рисунок 6.8 б). Эти силы создают электромагнитный момент Mэм, направленный в режиме генератора против вращения якоря и являющийся, таким образом, тормозящим.

В генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент равен:

, (6.14)

где – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем;

– момент сил трения;

– тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

Развиваемая электромагнитным моментом мощность называют электромагнитной мощностью :

, (6.15)

где – представляет собой угловую скорость вращения.

Генераторы постоянного тока широко используются в промышленности, транспорте (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения).

По способу возбуждения ГПТ делятся на: генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением (рисунок 6.10).

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор выпрямитель переменного тока и др.), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов.

В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.

Рисунок 6.10 – Способы возбуждения ГПТ: а – независимое,

б – параллельное, в – последовательное, г – смешанное

Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0, 3 – 5% номинальной мощности машины.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые, 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные.

Для самовозбуждения генераторов необходимо выполнение следующих условий:

1) Для начала процесса самовозбуждения необходимо наличие остаточной ЭДС;

2) При прохождении тока по обмотке возбуждения ее магнитодвижущая сила (МДС) должна быть направлена согласно МДС остаточного потока, в ином случае машина будет размагничиваться и процесс самовозбуждения не начнется;

3) Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического значения.

Режим двигателя. Если к обмотке якоря МПТ подвести постоянный ток, она будет работать режиме двигателя. При этом на проводники будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. При достаточном значении Mэм якорь придет во вращение, момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения. В двигательном режиме коллектор является механическим инвертором, преобразуя постоянный ток, потребляемый из внешней цепи, в переменный ток обмотки якоря. Напряжение, приложенное к якорю машины в режиме двигателя равно:

. (6.16)

В двигателе при установившемся режиме работы электромагнитный момент равен:

, (6.17)

где – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной.

ЭДС якоря можно определить как

, (6.18)

где – конструктивный коэффициент, постоянный для конкретного типа машины;

– основной намагничивающий поток.

Электромагнитный момент также может быть найден через намагничивающий поток:

, (6.19)

где .

Характеристики двигателей постоянного тока (ДПТ).

Механические и скоростные характеристики ДПТ параллельного возбуждения представляют собой зависимости частоты вращения от момента вращения и тока двигателя, соответственно, при U=const, iв=const (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11 – Механическая и скоростная характеристики ДПТ параллельного возбуждения

На рисунке 6.11 приняты следующие обозначения: n0, Ia0, Ma0 – частота вращения, ток якоря и момент на холостом ходу; Iaн, Maн – номинальные ток якоря и момент; – снижение частоты вращения при переходе от холостого хода к номинальному режиму.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности Р1 от тока Ia, частоты вращения п, момента М и КПД η от полезной мощности Р2 при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов (рисунок 6.12).

Рисунок 6.12 – Рабочие характеристики ДПТ параллельного возбуждения

Рабочие и механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением.

Характеристики двигателя последовательного возбуждения.

В ДПТ последовательного возбуждения ток возбуждения по сути является током якоря, следовательно, магнитный поток является некоторой функцией якоря. В связи с этим механическая и скоростная характеристики имеют формулу гиперболы (рисунок 6.13 а и б).

Из характеристик (рисунок 6.13) видно, что частота вращения резко возрастает (мягкая характеристика) при малых нагрузках. В случае, если она превысит максимально допустимое значение, двигатель пойдет «в разнос». В связи с этим в электроприводе механизмов, где возможна работа с небольшой нагрузкой или на холостом ходе, подобные двигатели не используют.

 

а) б)

Рисунок 6.13 – Механическая и скоростная характеристики (а) и рабочие характеристики (б) ДПТ последовательного возбуждения

В ДПТ со смешанным возбуждением магнитный поток создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рисунок 6.14, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (кривая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. Приближения его характеристик к одной из этих кривых можно добиться изменением соотношения МДС обмоток при номинальном режиме. Достоинством такого двигателя является мягкая механическая характеристика и возможность ограничения частоты вращения n0 на допустимом уровне, что позволяет применять его в режиме холостого хода.

Рисунок 6.14 – Механическая и скоростная характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Пуск двигателя постоянного тока.

Для двигателя постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непосредственно к сети; 2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока;

3) путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря.

Ток в двигателе равен

. (6.20)

При пуске двигателя n = 0 и Ea = 0, тогда . В нормальных машинах очень мало и в связи с этим ток якоря при пуске может в десятки раз превышать номинальное значение. В связи с этим прямой пуск применим только для маломощных двигателей, в которых .

Для снижения пускового тока в двигателях большой и средней мощности применяют реостатный пуск, включая в цепь якоря реостат. В этом случае ток якоря равен:

, (6.21)

где – сопротивление пускового реостата.

При пуске двигателя сопротивление реостата максимально, его подбирают таким образом, чтобы для машин большой и средней мощности и для машин малой мощности. При разгоне двигателя сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают, в конце концов, полностью исключая его из цепи якоря.

Недостатком реостатного регулирования являются значительные потери энергии в пусковом реостате. Для его устранения используют пуск на пониженном напряжении с последующим плавным его повышением. Но в этом случае требуется отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением.

Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью выключателя. При этом нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.

. (6.22)

Поток будет резко уменьшаться, а скорость – увеличиваться и двигатель пойдет в разнос.

Регулирование частоты вращения ДПТ.

Согласно (6.22) частоту вращения ДПТ можно регулировать тремя способами:

1. Наиболее удобным, распространенным и экономичным является способ регулирования скорости путем изменения потока .

С уменьшением , согласно выражению (6.22), скорость возрастает. Этот способ позволяет регулировать скорость вверх от номинальной. Поток определяется током возбуждения, регулировка которого может осуществляться введением добавочных реостатов в цепь возбуждения. При таком регулировании КПД двигателя остается высоким, так как мощность возбуждения мала, т.к. мала мощность реостатов для регулирования тока возбуждения. Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями ее коммутации.

2. Способ регулирования скорости заключается во включении последовательно в цепь якоря реостата или регулируемого сопротивления

. (6.23)

Этот способ дает возможность регулировать скорость вниз от номинальной и связан со значительными потерями в сопротивлении и понижением КПД.

В реостате может теряться 50% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря. По этой причине данный способ применяется в основном для двигателей небольшой мощности, а для более мощных двигателей используется редко и только кратковременно (пуско-наладочные режимы и т.д.).

3. Регулирование скорости осуществляется также путем регулирования напряжения цепи якоря. Так как работа двигателя при U > UН недопустима, то данный способ дает возможность регулировать скорость вниз от номинальной. КПД двигателя при этом остается высоким, так как никаких добавочных источников потерь в схему двигателя не вносится.

Тормозные режимы ДПТ.

Электрические двигатели используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Различают три вида электрического торможения ДПТ:

1) Рекуперативное – генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть.

Используют для двигателей с параллельным возбуждением, при этом увеличивается частота вращения n выше . В этом случае ЭДС машины становиться больше напряжения сети и ток изменяет направление, т.е. машина переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная им энергия отдается в сеть.

Двигатели последовательного возбуждения не могут переходить в режим рекуперативного торможения. Двигатели со смешанным возбуждением имеют возможность переходить в генераторный режим автоматически. Это позволяет применять их в различных устройствах частыми остановками (троллейбусах, трамваях и т.д.).

2) Динамическое или реостатное – генераторное торможение с подключением к обмотке якоря реостата.

В двигателе с параллельным возбуждением при таком торможении обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат.

Двигатель последовательного возбуждения можно при этом способе затормозить двумя путями. В первом случае обмотку возбуждения отключают от обмотки якоря и подключают к питающей сети последовательно с резистором, сопротивление которого подбирают так, чтобы ток возбуждения не превышал номинального значения. Во втором случае необходимо поменять полярность обмотки возбуждения. Это необходимо, чтобы, когда ток якоря меняет свое направление (при переходе в генераторный режим), не изменялось направление тока в обмотке возбуждения и МДС, создаваемая этой обмоткой, совпадала с МДС остаточного намагничивания. В обратном случае машина будет размагничиваться.

Режим динамического торможения также приемлем и для двигателя со смешанным возбуждением.

3) Электромагнитное торможение – торможение противовключением.

В режиме электромагнитного торможении при неизменном направлении тока сети изменяют направление электромагнитного момента, в результате он становится тормозным. Для этого необходимо поменять полярность обмотки возбуждения. Для ограничения тока в цепь обмотки якоря вводят добавочное сопротивление.

Процесс коммутации и способы ее улучшения.

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого числа последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам.

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное.

Во время коммутации секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Передача тока от щетки к коллектору и обратно может осуществляться через: 1) непосредственный механический контакт между щеткой и коллектором, 2) мельчайшие частицы медной и графитной пыли, 3) ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором.

С практической точки зрения важно, чтобы коммутация происходила без значительного искрения у контактных поверхностей щеток, так как сильное искрение портит поверхность коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной.

Причины искрения на щетках можно подразделить на механические и электромагнитные.

Механические причины искрения большей частью связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором. Такие нарушения вызываются: 1) неровностью поверхности коллектора, 2) плохой пришлифовкой щеток к коллектору, 3) боем коллектора, если он превышает 0, 2—0, 3 мм, 4) выступанием отдельных коллекторных пластин, 5) выступанием слюды между коллекторными пластинами, 6) заеданием щеток в щеткодержателях (тугая посадка), 7) вибрацией щеток.

Электромагнитные причины связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях.

Способы улучшения коммутации.

Для создания хороших условии коммутации необходимо прежде всего обеспечить надлежащее состояние коллектора и щеточного аппарата, чтобы устранить механические причины искрения.

Для обеспечения необходимых электромагнитных условий коммутации применяют способы, направленные на уменьшение добавочного тока коммутации или тока короткого замыкания коммутируемой секции и сводятся к следующим мероприятиям:

1) созданию коммутирующей ЭДС с помощью добавочных полюсов или сдвига щеток с геометрической нейтрали;

2) уменьшению реактивной ЭДС;

3) увеличению сопротивления цепи коммутируемой секции.

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-05-06; Просмотров: 1601; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.057 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь