Раздел 6 Электрические машины постоянного тока.

Т ема 6.1. Конструкция и принцип действия МПТ.

МПТ используются как Г и как Д. Диапазон мощностей выпускаемых машин находится в широком диапазоне от ед.Вт. до 15-20 тыс.кВт., питающее напряжение от ед.В до 1000-яч кВ, диапазон частот вращения до 5-10 тыс. об/мин.

ГПТ используется лишь в том случае, если необходимо обеспечить потребителя высоким качеством эл. энергии. ДПТ обладают способностью плавно и в широком диапазоне регулировать частоту вращения находят применение в качестве привода металлорежущих станков, грузоподъемных механизмов, прокатных станов в металлургии, а также в транспорте.

Принцип работы МПТ.

Рассмотрим на примере двухполюсного генератора, в котором магнитный поток создается или ОВ или постоянными магнитами. На якоре расположим один виток в виде рамки, который присоединяется к двум полукольцам, изолированных друг от друга. На полукольца наложены щетки (скользящий контакт), к которым присоединяется нагрузка. Существует геометрическая и магнитная нейтраль, в данном случае они совпадают и когда рамка попадает в плоскость перпендикулярную основному магнитному потоку его значение равно нулю. В витке при вращении в магнитном поле индуктируется переменная ЭДС, но на щетках имеем постоянную ЭДС, т.к. каждая сторона витка при вращении соеденяется с тем полукольцом, который находится в зоне действия магнитного поля одной полярности. В момент перехода щетки с одного полукольца на другое ЭДС в витке равна нулю, т.е. переход с одного полукольца на другое происходит без искрения. ЭДС носит пульсирующий характер для уменьшения пульсаций выходной ЭДС необходимо увеличить количество рамок на якоре, соответственно увеличить количество пластин. Т.о. при 15 рамках и 30 коллекторных пластинах пульсаций практически нет.

Набор пластин, принимающих участие в выпрямлении ЭДС называется коллектором – это механический выпрямитель. Одна рамка – секция, они создают обмотку якоря.

а ) распределение магнитной индукции в воздушном зазоре МПТ; б) ЭДС в секции; в) ЭДС на щетке.

Тема 6.2 Магнитное поле, эдс обмотки якоря, электромагнитный момент. Реакция якоря, коммутация мпт

Как было показано ранее, ЭДС проводника обмотки якоря определяется по формуле

е_пр = Blv.

При вращении якоря ЭДС епр изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 9.2, б. Среднее значение ЭДС проводника епр,ср при его перемещении в пределах полюсного деления можно определить через среднее значение магнитной индукции (см. рис. 9,2 б):

е_пр,ср = B_cplv.

Если обмотка якоря имеет N проводников и 2а параллельных ветвей, то число последовательно соединенных проводников в каждой параллельной ветви будет N/2a. Тогда среднее значение ЭДС машины

Е = B_cplv N/2а (4)

Среднее значение магнитной индукции

Bcp = Ф/(πD_яl/2p) (5)

где Ф — магнитный поток одного полюса, В_б; D_я — диаметр якоря, м; 2р — число полюсов машины.

Величина πD_яl/2p в (5) представляет собой поверхность сердечника якоря, приходящуюся на один полюс.Линейную скорость проводников v можно определить по формуле

v = πD_яn/60 (6)

где n— частота вращения якоря, об/мин.

После замены в (4) магнитной индукции Вср и скорости v согласно (5) и (6) получим

Е = (p/а) (N/60)Фn = k_еФn, (7)

где k_е = (p/а) (N/60) – коэффициент ЭДС, зависящий от конструк тивных особенностей машины.

Как видно, ЭДС прямо пропорциональна произведению магнитного потока на частоту вращения. По формуле (7) можно определять как ЭДС генераторов, так и ЭДС двигателей.

Электромагнитная сила в ньютонах, действующая на проводник обмотки якоря, определяется соотношением

Fпр = BlIпр = BlIя /2a,

где Iпр — ток проводника, равный току параллельной ветви, А; Iя — ток якоря, А.

При вращении якоря сила, действующая на проводник, изменяется.

Среднее значение силы можно определить через среднее значение магнитной индукции:

Fпр, ср = B_cplI_я/2a.

Средний электромагнитный момент, Н•м, действующий на якорь,

Mcp = F_пр,ср(Dя/2)N = B_cpl(I_я/2a)(Dя/2)N (8)

После замены в (8) магнитной индукции Вср согласно (5) получим

Mэм =(р/а)(N/2π)ФIя = k_MФIя, (9)

где k_M = (р/а)(N/2π) – коэффициент момента, зависящий от конструктивных особенностей машины.

Как видно, момент электромагнитный прямо пропорционален произведению магнитного потока на ток якоря. По формуле (9) можно определять как момент генераторов, так и момент двигателей.

Если момент выражен в ньютоно-метрах, то между коэффициентами k_е и k_M существует следующее соотношение:

kе /k_M ≈ 0,105. (10)

Электромагнитный момент Мэм, вызванный взаимодействием магнитного потока и тока якоря и определяемый по формуле (9), отличается от момента М, развиваемого машиной на валу, вследствие трения в подшипниках, вращающегося якоря о воздух и вентиляционных потерь. Так как указанные два момента отличаются незначительно, будем в дальнейшем считать их равными и обозначать М.

ЯВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ЯКОРЯ В МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При работе генераторов и двигателей без нагрузки (вхолостую) ток в обмотке якоря отсутствует (или весьма мал) и магнитное поле машины возбуждается только МДС обмотки возбуждения (рис 9.8, а). Поле оказывается симметричным относительно оси главных полюсов. В секциях обмотки якоря, находящихся на геометрической нейтрали ГН и замыкаемых щетками накоротко, ЭДС не индуктируется.

Следует обратить внимание на то, что в данном параграфе проводники обмотки якоря расположены условно не в пазах магнитопровода якоря, как это делают на самом деле, а на поверхности якоря; кроме того, условно не показан коллектор, и щетки касаются непосредственно проводников обмотки якоря.

При работе машины с нагрузкой в обмотке якоря возникает ток и магнитное поле машины возбуждается как МДС обмотки возбуждения, так и МДС обмотки якоря.

Рис. 9.8. К пояснению явления реакции якоря

Рис. 9.9. К устройству компенсационной обмотки

Воздействие МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря.

Рассмотрим реакцию якоря в наиболее часто встречающемся случае расположения щеток на геометрической нейтрали.

На рис. 9.8, б показано магнитное поле, образованное под действием МДС обмотки якоря, а на рис. 9.8, в — результирующее магнитное поле машины. Указанные на рис. 9.8, в направления токов обмотки якоря соответствуют указанным там же направлениям вращения генератора и двигателя. В случае расположения щеток на геометрической нейтрали возникает поперечная реакция якоря, характеризуемая тем, что ось симметрии поля реакции якоря (рис. 9.8, б) перпендикулярна оси главных полюсов. В результате действия поперечной реакции якоря магнитное поле машины оказывается несимметричным относительно оси главных полюсов (рис. 9.8, в). Под одним краем каждого полюса магнитная индукция увеличивается, под другим уменьшается. Физическая нейтраль ФН, под которой понимают линию, проходящую через ось машины и точки поверхности якоря, где магнитная индукция результирующего поля равна нулю, смещается у генератора по направлению вращения, у двигателей — против направления вращения. При отсутствии тока якоря физическая нейтраль совпадает с геометрической (рис. 9.8, а). В результате действия реакции якоря в секциях обмотки якоря, расположенных на геометрической нейтрали, возникает ЭДС. Между коллекторными пластинами, присоединенными к секциям, находящимся в усиленном магнитном поле главных полюсов, появляется повышенное напряжение, что может привести к возникновению дуги между коллекторными пластинами. Для устранения искажения магнитного поля под полюсами крупные машины, работающие с частыми и значительными перегрузками, снабжаются компенсационной обмоткой. Последнюю закладывают в пазы полюсных наконечников (рис. 9.9) и соединяют последовательно с обмоткой якоря, в результате чего создается магнитное поле в зоне расположения полюсов, противоположное по направлению полю реакции якоря.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующее магнитное поле зависит от степени насыщения ферромагнитного материала магнитной цепи и значения тока якоря. В общем случае из-за насыщения ферромагнитного материала магнитная индукция под одним краем полюса возрастает меньше, чем уменьшается под другим; в результате магнитный поток машины несколько уменьшается. Однако при нагрузках, на которые рассчитываются машины при нормальных условиях их работы, магнитный поток изменяется на относительно небольшое значение, поэтому влияние поперечной реакции якоря на магнитное поле при расчетах часто не учитывают.

ЯВЛЕНИЕ КОММУТАЦИИ В МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождающийся изменением направления тока в секциях. Направления и значения тока коммутируемой (переключаемой) секции в различных ее положениях относительно неподвижной щетки показаны на рис. 9.10.

В результате изменения тока в коммутирующей секции возникает ЭДС самоиндукции e_L.

Для увеличения механической прочности щеток их ширину выбирают обычно больше ширины коллекторной пластины. Вследствие этого щеткой замыкаются накоротко и одновременно коммутируются несколько секций. Последнее вызывает в каждой секции ЭДС взаимной индукции е_M. Кроме того, в секции возникает ЭДС е_v, вызываемая вращением секции в магнитном поле поперечной реакции якоря.

Сумма перечисленных ЭДС невелика. Однако, поскольку секция замкнута щеткой накоротко, это приводит к заметному дополнительному току в замкнутом контуре секции, в результате чего плотность тока под щеткой становится неодинаковой. Под сбегающим краем щетки плотность тока возрастает, что приводит к искрению под щеткой, особенно интенсивному в момент размыкания секции. Если не принять специальных мер для улучшения условий коммутации (уменьшения искрения под щетками), то наиболее ответственная часть машины — коллектор — через непродолжительное время выйдет из строя.

Рис. 9.10. К пояснению явления коммутации

Рис. 9.11. Полярность главных и дополнительных полюсов

Для улучшения коммутации машины мощностью 1 кВт и более снабжаются дополнительными полюсами (рис. 9.11). В машинах с дополнительными полюсами щетки устанавливают на геометрической нейтрали. С помощью дополнительных полюсов в зоне коммутации создается магнитное поле, в результате чего в коммутируемых секциях индуктируется ЭДС, компенсирующая ЭДС e_L, e_M и e_v. Так как ЭДС e_L, e_M и e_v зависят от тока якоря, то для их компенсации при различных нагрузках обмотку дополнительных полюсов включают последовательно с якорем. Вследствие насыщения дополнительных полюсов при перегрузках машины условия коммутации ухудшаются и под щетками появляется недопустимое искрение. Наибольший допустимый ток машин постоянного тока определяется условиями коммутации и лежит для различных машин в пределах (2÷3) Iном , где Iном — номинальный ток машины.

Так как ЭДС e_v возникает вследствие вращения якоря в магнитном поле реакции якоря, то для ее уничтожения с помощью МДС дополнительных полюсов должно быть создано магнитное поле, от вращения в котором возникла бы ЭДС, направленная против ev. Учитывая характер изменения результирующего магнитного поля при нагрузке генератора и двигателя с указанными направлениями их вращения (см. рис. 9.8, в), следует сказать: полярность дополнительного полюса генератора должна быть такой же, как последующего за ним по направлению вращения главного полюса (рис. 9.11); полярность дополнительного полюса двигателя должна быть такой же, как предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. Выбирая соответствующее значение МДС обмотки дополнительных полюсов, можно скомпенсировать также ЭДС e_L и е_M.

http://www.induction.ru/library/book_005/9_6.shtml