4.7. Гашение поля в генераторах

Наиболее характерным аварийным режимом генератора постоянного тока является внезапное короткое замыкание в цепи якоря. При этом происходит резкое увеличение тока якоря и расстройство коммутации машины. Из-под щеток вылетает сноп искр, представляющий раскаленные частицы щетки. После отключения автоматом места короткого замыкания на якоре машины резко возрастает напряжение по двум причинам:

- отсутствует падение напряжения в якоре, так как ток становится равным нулю;

- при резком уменьшении тока якоря возникает ЭДС самоиндукции, которая складывается с ЭДС вращения.

Эти причины могут вызвать появление кругового огня на коллекторе: возрастает напряжение между смежными коллекторным пластинами и из-за осколков щеток ухудшается «санитарное» состояние коллектора. Возникший круговой огонь является внутренним коротким замыканием и существует до тех пор, пока существует ЭДС якоря. Важно подчеркнуть, что автомат защиты в данном случае не может прекратить круговой огонь, каким бы быстродействующим он ни был. Единственное средство для уменьшения повреждений от кругового огня - «гашение поля», т. е. - уменьшение магнитного потока. Быстродействующий выключатель в цепи обмотки возбуждения не может полностью решить вопрос, так как из-за большой индуктивности обмотки возбуждения возможно появление перенапряжений и повреждение изоляции.

Б ыстрое уменьшение тока возбуждения с ограничением уровня напряжения возможно при использовании схемы, представленной на рис. 4.34. Разрыв цепи обмотки возбуждения производится двухполюсным выключателем, а для снятия перенапряжений установлены два полупроводниковых диода. После отключения автомата ток в обмотке возбуждения продолжает проходить по ней в прежнем направлении, но через диоды он отдается в сеть, от которой питалась обмотка возбуждения. Таким образом, напряжение сети направлено встречно к току возбуждения и ток быстро уменьшается до нуля, после чего прекращается, так как его протеканию препятствуют диоды.

Приближенно время спада тока до нуля можно определить из уравнения:

, (4.7)

которое справедливо после размыкания контактов быстродействующего автомата. Более точно определить время гашения поля, с учетом нелинейности кривой намагничивания и действия вихревых токов, можно одним из численных методов расчета с применением ЭВМ.

4.8. Исполнительные двигатели и тахогенераторы

Общие положения. Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигналу (напряжение управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно мала - от долей ватта до 500-600 Вт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента М и скорости вращения n от напряжения сигнала (управления) U_у были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Исполнительные двигатели нормальной конструкции по своему устройству аналогичны нормальным машинам постоянного тока. При якорном управлении ток возбуждения i_B = const, а на якорь. Подается напряжение управления (U_у). Характеристики М = f (U_y) и n = f (U_y) при этом получаются практически линейными. При полюсном управлении на якорь подается напряжение U_а = const, а напряжение управления U_у подается на обмотку возбуждения. При этом требуется меньшая мощность управления, однако характеристика n = I (U_y) не будет линейной. Поэтому обычно применяется якорное управление.

Магнитоэлектрические машины. В связи с разработкой сплавов алии (Al - Ni), алнико (А1 - Ni - Со), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50-100 Вт. С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5-10 кВт. Однако вследствие дороговизны указанных сплавов такие машины не получили до сих пор большого распространения.

И сполнительные двигатели с полым немагнитным якорем (рис. 4.35) вследствие малой инерции якоря обладают большим быстродействием. Полый якорь в виде стаканчика изготовляется из пластмассы, и на нем размещается и укрепляется якорная обмотка обычного типа, соединенная с коллектором. Внутренний неподвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным. Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличиваются, а к. п. д. уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10-15 Вт.

О сновные детали и узлы (рис.4.36): 1 - передний щит; 2 - щеткодержатель; 3 - крышка смотрового люка; 4 - коллектор; 6 - обмотка возбуждения; 7 - полюс; 8 - полый якорь; 9 - внутренний статор; 10 - задний щит.

Двигатели с печатной обмоткой якоря (рис. 4.36) также обладают малой инерцией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стекло и т. д.), на обеих сторонах которого расположены медные проводники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического травления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, получила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединяются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6-50 В. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30-40 A/мм² при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до P_s= 10 - 50 Вт), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение U_c). От тахогенераторов требуется линейная зависимость I_с = I (n) с точностью до 0.2-0,5%, а иногда с точностью до 0,01%. В маломощных тахогенераторах при n = 1000 об/мин напряжение i_c = 3-5 А.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоянного тока с независимым возбуждением при i_B - const или с постоянными магнитами. 1 - диск якоря с обметкой, 2 - вал, 3 - втулка, 4 - щетки и щеткодержатель, 5 - постоянные магниты (полюсы), 6 - полюсные наконечники, 7 и 8 - диски из магнитно-мягкой стали (см. рис. 4.36). При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем.

В последнее время разрабатываются также униполярные тахогенераторы с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитами При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако U_c мало. Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускаются серийно. Широко применяются также исполнительные двигатели и тахогенераторы переменного тока.

5. Контрольные вопросы

5.1. Устройство машин постоянного тока.

5.2. Устройство обмотки якоря машин постоянного тока.

5.3. Формулы ЭДС и электромагнитного момента машин постоянного тока.

5.4. Что такое реакция якоря?

5.5. Пояснить схему работы «генератор-двигатель».

5.6. Приведите схемы генератора с независимым, последовательным и смешанным возбуждением.

5.7. Основные характеристики генератора.

5.8. Генераторы независимого возбуждения.

5.9. Генераторы параллельного возбуждения.

5.10. Генераторы последовательного возбуждения.

5.11. Генераторы смешанного возбуждения.

5.12. Параллельная работа генераторов постоянного тока.

5.13. Гашение поля в генераторах.

5.14. Тахогенераторы.

5.15. Процесс самовозбуждения в машинах постоянного тока.

5.16. Процесс коммутации в машинах постоянного тока.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кацман, М.М. Электрические машины [Текст]/ М.М. Кацман. – М.: Академия, 2003. – 496 с.:ил.

2. Пиотровский, Л.М. Электрические машины [Текст]/ Л. М. Пиотровский. – Л.: Энергия, 1972. – 504 с.: ил.

3. Кацман, М.М. Лабораторные работы по электрическим машинам и электроприводу [Текст]/ М.М. Кацман. – М.: Академия, 2003. – 256 с.:ил.

4. Электротехнический справочник. Под общей редакцией П. Г. Грудинского. Изд. 5-е, испр.[Текст] - М.: Энергия, 1975. – 776 с.: ил.

5. Вольдек, А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших учебных заведений [Текст] / А.И. Вольдек. – Л.: Энергия, 1978. – 832с.

6. Кулик, Ю.А. Электрические машины [Текст] / Ю.А. Кулик. – М.: Высшая школа, 1966. – 528с.

Александр Николаевич Шпиганович

Кирилл Дмитриевич Захаров

Исследование генератора постоянного тока

Методические указания к лабораторной работе №3 по дисциплине

"Электрические машины"

Издаётся в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Бумага офсетная.

Ризография. Печ. л. 2,3 Тираж 100 экз. Заказ №

Липецкий государственный технический университет

398600 Липецк, ул. Московская, 30

Типография ЛГТУ, 398600 Липецк, ул. Московская, 30

38