МПТ

А. Конструкция МПТ

Машина состоит из двух систем: из неподвижной части — статора и подвижной — якоря. Статор состоит из корпуса, в котором укрепляются 2 вида полюсов: главные полюса, на которых располагается обмотка возбуждения и добавочные полюса, которые служат для улучшения работы машины.

Главные полюса собирают из листочков электротехнической стали (рис. 1), добавочные полюса также собирают из листочков электротехнической стали (рис. 2).

На главные и добавочные полюса надевается обмотка.

Вращающаяся часть машины постоянного тока называется якорь и состоит из двух частей: обмотки якоря и коллектора.

Обмотка якоря укладывается в электротехническое железо круглой формы. На наружной части железа штампуются пазы. Железо круглой формы набирается из отдельных листочков электротехнической стали, набирается по длине, равной длине полюса и сажается на вал горячей посадкой.

В зависимости от мощности машины в железе якоря вырезаются пазы разной формы.

Для машин мощностью до 50 кВт пазы якоря делают грушевидной формы.

В пазы грушевидной формы укладывается обмотка круглого сечения, которая называется всыпной.

В электрических машинах мощностью более 50 кВт делаются пазы прямоугольного сечения с параллельными стенками.

Рис. 8.2. Устройство машины постоянного тока: 1 - коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4— главный полюс; 5 — катушки обмотки возбуждения; 6 — корпус (станина); 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря

Два типа конструкции униполярных машин постоянного тока– дисковые и барабанные. Униполярные МПТ имеют относительно низкое напряжение и большие токи. Используются в качестве накопителей энергии и в качестве ударных генераторов (П.С. Капица).

Достоинства– простота конструкции, отсутствие обмотки на роторе (допускаются большие частоты вращения).

Основной недостаток– трудности токосъема (скользящий контакт, жидкометаллический контакт).

Б. Принцип действия МПТ

Принцип действия машин постоянного тока основан на 2-х законах: 1. Закон электромагнитной индукции: при перемещении проводника длиною l в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, в нем возникает ЭДС (электродвижущая сила).

2. F=B*l*i Закон электромагнитных сил: если проводник длиною l и с током i поместить в магнитное поле с индукцией B, на него будет действовать электромагнитная сила F.

Для анализа таких машин удобны обе формулировки закона электромагнитной индукции :

или

Если рамку длиной l вращать в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, на основании закона электромагнитной индукции в сторонах рамки будет наводиться ЭДС. Чтобы определить направление действия ЭДС пользуются правилом правой руки. τ=(πD)/(2p), где p – число пар полюсов , а D — диаметр якоря.τ – полюсное деление, показывающее какая часть длины окружности, которую описывает рамка, приходится на 1 полюс. Число пар полюсов машины постоянного тока всегда кратно двум.

Ток всегда имеет то же направление, что и ЭДС. Если рамку через кольцо соединить с внешней цепью, то по внешней цепи будет течь ток, совпадающий по форме и направлению с ЭДС. Для того, чтобы во внешней цепи протекал постоянный ток, разрезаем кольцо на два полукольца и к каждому полукольцу подсоединяем по одному концу рамки. Замена кольца на два полукольца обеспечивает во внешней цепи однонаправленный ток.

Полукольца являются прообразом коллектора машины постоянного тока. Для того, чтобы ЭДС и ток на выходе машины был постоянным, надо увеличить число рамок и число полуколец.

Таким образом, коллектор в машине постоянного тока является механическим выпрямителем, если машина работает в генераторном режиме и механическим инвертором, если машина работает в двигательном режиме.

Внутри машины постоянного тока всегда действует переменное ЭДС и по обмотке якоря протекает переменный ток.

Если к рамке подвести ток, совпадающий по направлению с ЭДС, то на каждую сторону рамки на основании закона электромагнитных сил будет действовать сила, направление действия которой определяется правилом левой руки.

Для того чтобы рамка под действием сил начала вращаться, нужно иметь две силы и плечо. Чтобы выполнить это действие, все электрические машины изготавливаются круглой формы.

Для того чтобы на зажимах генератора постоянного тока появилось напряжение, его нужно привести во вращение от постороннего источника механической энергии и подать напряжение на обмотку возбуждения, и тогда на основании закона ЭМИ (электромагнитной индукции) на выходе генератора появится ЭДС.

Если к генератору подключить нагрузку, то по якорю генератора начнет протекать ток. И как только по якорю начнет протекать ток, в якоре генератора начнет действовать закон электромагнитных сил и будет создаваться момент, приложенный на встречу механической энергии, в результате чего якорь генератора будет притормаживаться.

Таким образом, в генераторе постоянного тока, работающем под нагрузкой, действуют оба закона: закон электромагнитных сил, который ухудшает работу машины, и закон ЭМИ, являющийся основным законом, на котором основан принцип действия генератора. Для того чтобы якорь двигателя постоянного тока начал вращаться, необходимо создать магнитный поток с помощью обмотки возбуждения и подвести к якорю напряжение, тогда по обмотке якоря начнет протекать ток и в машине начнет действовать закон электромагнитных сил, который приведет якорь во вращение.

Как только якорь начнет вращаться, начнет действовать закон ЭМИ и будет создаваться ЭДС, направленная навстречу подводимому напряжению.

Так как в машине постоянного тока независимо от режима работы действуют оба закона, одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором.

Машина постоянного тока обратима, т.е. одна и та же машина может работать в разных режимах, в зависимости от того, какой вид энергии к ней подводится: электрический или механический.

С. Обмотки якоря МПТ

Обмотки якоря мпт.

Так же, как и в машинах переменного тока, обмотки МПТ могут быть петлевыми и волновыми. Однако, в отличие от машин переменного тока, в МПТ секции, соединяясь последовательно, объединяются не в отделенные друг от друга фазы, а в пары параллельных ветвей.

Петлевая обмотка:

Волновая обмотка:

Схематическое изображение обмотки якоря МПТ:

Что важно отметить:

1. Обычно система возбуждения располагается на статоре (индукторе), а ротор является якорем (для синхронных машин типична обратная конструктивная схема– возбуждение на роторе (индукторе), якорь – статор.

2. Обычно имеется два вида обмоток возбуждения, расположенных на главных полюсах– параллельная (шунтовая) и последовательная (сериесная). Последняя используется обычно в качестве так называемой стабилизационной обмотки.

3. В МПТ средней и большой мощности применяют так называемые добавочные полюсы– они создают необходимую индукцию в тех зонах, где находятся стороны коммутируемой секции, в результате чего в ней индуктируется ЭДС самоиндукции (чем улучшается коммутация).

4. В крупных МПТ в полюсных наконечниках, в специальных пазах, закладывается компенсационная обмотка, включаемая последовательно с обмоткой якоря. Назначение ее– компенсировать реакцию якоря (и связанные с ней отрицательные последствия).

D. Магнитное поле в МПТ. Реакция якоря.

Рисунок 31 Магнитное поле машины при холостом ходе

При работе МПТ в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, в машине действует только МДС обмотки возбуждения F_в0.

Магнитное поле при этом симметрично относительно оси главных полюсов.

Рисунок 32 Магнитное поле якоря

Если машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря F_а. Магнитное поле, созданное этой МДС, будет направлено перпендикулярно оси главных полюсов.

Рисунок 33 Магнитное поле машины при нагрузкеПри работе машины под нагрузкой в ней одновременно действуют две МДС:

- МДС обмотки возбуждения F_в0,

- МДС обмотки якоря F_а.

Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает м.п. машины, делая его несимметричным относительно оси полюсов.С увеличением нагрузки на машину ток в якоре растет, следовательно растет магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря и растет влияние реакции якоря на работу машины.

Влияние реакции якоря на работу МПТ а) при ненасыщенной магнитной системе

В этом случае реакция якоря будет искажать магнитное поле, не меняя его величины, машина не будет размагничиваться и ЭДС уменьшаться не будет. Но в результате искажения магнитного поля один край полюса будет подмагничиваться, а другой – размагничиваться. При этом в пазовых сторонах секций якоря, попавших в зону повышенной магнитной индукции, будет наводиться большая ЭДС, чем в других пазовых сторонах тех же секций. В результате между коллекторными пластинами возникнет напряжение, что приведет к искрению на коллекторе, и если это напряжение превысит допускаемое значение, то между коллекторными пластинами возникнет электрическая дуга. б) при насыщенной магнитной системе

Появление искрения и электрических дуг маловероятно, так как один край полюса намагничивается в меньшей степени, чем размагничивается другой.

Однако результирующий магнитный поток уменьшается, то есть машина размагничивается. Это приводит к ухудшению ее рабочих свойств:

- у генераторов падает напряжение на выводах;

- у двигателей уменьшается вращающий момент.

Это происходит из-за того, что ЭДС и электромагнитный момент прямо пропорциональны магнитному потоку Ф.

E. Компенсация реакции якоря

Реакция якоря, приводящая в насыщенной машине к уменьшению потока, то есть противодействующая обмотке возбуждения, отрицательно сказывается на характеристиках МПТ.

Компенсационная обмотка, очевидно, должна быть включена последовательно с обмоткой якоря.