1.1 Общие сведения об электромашинных устройствах автоматики

Электромашинные устройства являются основными элементами автоматики. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.

Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.

Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.

К электромашинным устройствам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.

Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые — многофазный ток.

1.2. Устройства и принцип работы машины постоянного тока

Машины постоянного тока — генераторы и двигатели — находят себе широкое применение в современных электроустановках. Они выполняются с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. На рис. 1.1 представлен схематически разрез четырехполюсной машины. Здесь же приведены названия ее основных частей. Не подвижная часть машины называется индуктором, который состоит из главных и дополнительных полюсов и станины. Назначением индуктора является созданием в машине основного магнитного потока.

Рис. 1.1 Основные части машины постоянного тока

 Вращающаяся часть машины состоит из якоря и коллектора. Якорь представляет собой сердечник, который собирается из листов электротехнической стали. На якоре укрепляются обмотки, концы которых соединены с изолированными от вала и друг от друга медными пластинами коллектора. На коллектор накладывается две неподвижные щетки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Машины постоянного тока, как правило, снабжаются коллектором, который здесь служит для получения на щетках машины ЭДС, постоянно действующей в одном направлении. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитная сила, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.

Характерной частью машин постоянного  тока является коллектор. Он состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра (рис. 1.2,а).

Якорь машины постоянного тока при его вращении перемагничивается, поэтому он собирается из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм (рис. 1.2,б).

На рис. 1.3 показано устройство машины постоянного тока за­крытого исполнения. Статор такой машины состоит из станины 1, вы­полняемой из цельнотянутой стальной трубы. Станина служит основа­нием для крепления неподвижных частей, а также является одним из участков в магнитной цепи машины. К внутренней поверхности ста­нины крепятся главные полюсы, набранные из листовой стали толщи­ной 0,5 мм.

Рис. 1.2 Коллектор (а) и лист якоря (б)

Главные полюсы состоят из сердечников 2 и обмоток возбуждения 3. Сердечники имеют полюсные наконечники 5, которые обеспечивают нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Ка­тушки главных полюсов соединяются, образуя обмотку возбуждения так, чтобы при прохождении тока полярность полюсов чередовалась. Иногда вместо электромагнитов для возбуждения используют по­стоянные магниты. В машинах мощностью более 1000 Вт между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы, которые служат для улучшения коммутации.

Якорь 4 состоит из сердечника, набранного из листов электротехни­ческой стали, покрытых лаком для уменьшения вихревых токов, возни­кающих при перемагничивании якоря во время его вращения в магнит­ном поле. В изолированные пазы цилиндрической поверхности сердеч­ника якоря укладывают обмотку 6, которую закрепляют в пазах с помощью гетинаксовых или деревянных клиньев. Выступающие за сердечник части обмотки укрепляют на якоре с помощью специальных бандажей. Концы обмотки якоря присоединяют к пластинам коллекто­ра 7. Коллектор представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из отдельных медных пластин. Коллекторные пластины тщательно изоли­руют друг от друга миканитовыми прокладками, а от корпуса ма­шины - миканитовыми манжетами. Коллекторная пластина вместе с изоляцией между пластинами образуют коллекторное деление. Соеди­нение секций обмотки с коллекторными пластинами производят с по­мощью специальных хомутиков, надеваемых на концы секций и впаи­ваемых в концы коллекторных пластин. Коллектор, так же как и сердечник якоря, жестко закрепляют на валу 9 с насаженными на нем подшипниками 8.

Рисунок 1.3 Принцип действия и преобразование энергии в машинах постоянного тока

Внешнюю цепь машины присоединяют к коллектору посредством графитных, электрографитированных или металлографитных щеток 11, которые помещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Щеткодержатели монтируют на переднем подшипниковом щите 10. Передний и задний щиты крепят болтами к станине. В расточки щитов помещают шариковые или роликовые подшипники.

Обмотки якоря электрических машин постоянного тока делят на пет­левые (простые и сложные), волновые (простые и сложные) и смешанные.

Если машину постоянного тока представить в виде рамы, содержащую один или w витков, и вращающуюся с частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом, то по закону электромагнитной индукции при изменении потокосцепления в проводниках возникает ЭДС

, (1.1)

где Ψ- потокосцепление, w- число витков, B- магнитная индукция, S- сечение, через которое проходит поток при взаимодействии с обмоткой.

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. В машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления обмоток якоря с полем возбуждения из-за вращения якоря. Чтобы во внешней цепи ток протекал, он должен быть выпрямлен. Для этого служит специальный электромеханический выпрямитель - коллектор (К), расположенный на валу машины. В простейшем случае используются две пластины с наложенными на них щетками. Последние так должны быть расположены в пространстве, чтобы коммутация происходила в моменты периода ЭДС через ноль. С увеличением количества рамок (секций) и соответственно пластин коллектора пульсации уменьшаются и при восьми коллекторных пластинах пульсация напряжения на щетках не превышает 1% от среднего, поэтому ток, протекающий во внешней цепи, можно считать практически постоянным.

Магнитное поле, создаваемое в машине постоянного тока, состоит из двух составляющих - поля возбуждения, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом и поля якоря (реакции) якоря, создаваемого током якоря, протекающим в обмотках якоря, расположенных на роторе.

Поле возбуждения неподвижно относительно статора, а поле реакции якоря из-за синхронной коммутации обмоток якоря вращается относительно ротора с той же частотой ω, с какой вращается сам ротор, но в обратную сторону, и таким образом также неподвижно относительно статора.

Магнитную индукцию B можно выразить через поток возбуждения Ф_В:

где S- площадь полюсного наконечника, который определяется следующим образом

,

p- число пар полюсов машины.

Если в машине постоянного тока – число проводников на якоря и – число пар параллельных ветвей, то подставляя все эти выражения в формулу (1.1) , получим

(1.2)

где – коэффициент, определяемый обмоточными данными и постоянная величина для данной машины.

Таким образом, ЭДС машины постоянного тока зависит от конструктивных параметров, потока возбуждения и частоты вращения.

Литература 1 осн [7-13], 2 доп [700-704, 743-752], 3 доп [295-318],