Otvety_na_7_punkt

7. Машины постоянного тока (МПТ)

7.1 Конструкция машин постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем.

Статор. Статор состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина 6 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода т.к. через неё замыкается магнитный поток машины. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаменту. Главные полюсы предназначены для создания в машине в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 6 и катушки 5.

Якорь. Якорь МПТ состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 1. На поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку выполняют медным проводом.

Коллектор 1 один из сложных узлов в МПТ. Основными элементами являются пластины трапецеидального сечения.

Магнитные полюсы и сердечник якоря набираются из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрываются изолированной бумагой или лаком для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Коллектор набирают из медных пластин трапецеидального сечения. Пластины друг от друга изолированы специальной теплостойкой прокладкой. Такая же изоляция имеется между коллектором и валом двигателя. Набор коллекторных пластин образует, цилиндр-коллектор.

К внешней поверхности коллектора прилегают токосъемные щетки, которые выполнены из спрессованного медного и угольного порошка.  Щетка помещается в металлическую обойму и прижимается к коллектору пружинами.

7.2 Принцип действия МПТ

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. 

Принцип действия генератора.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е1 – е2.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя.

То же устройство работает в режиме электрического двигателя, если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки: на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).  Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.  Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

7.3 Уравнения напряжений генератора и двигателя постоянного тока

Напряжение на выводах генератора U всегда меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения, т. е.

U = E - IaΣra - ΔUщ. (1)

Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: IaΣra - падение напряжения в обмотках и ΔUщ. - падение напряжения в щеточном контакте. Сопротивление Σra включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае 

Σra = ra + rд.+ rс + rк (2),

где ra, rд, rс, rк - сопротивления обмоток: якоря, дополнительных полюсов, последовательной и компенсационной.  В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в (2) будет отсутствовать.  Для приближенных расчетов уравнение (1) можно упростить:  U = E - Ia Ra (3),

где Ra=Σra+rщ. Переходное сопротивление щеточного контакта rщ приближенно принимается постоянным и равным 

rщ = ΔUщ/ Ia, ном. 

Ток якоря генератора Ia обусловлен ЭДС E и всегда имеет с ней одинаковое направление:  Ia = (E - U)/Ra.

Уравнение напряжения двигателя.

Противо ЭДС двигателя Eя. При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС Eя направленная навстречу Iя. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

Eя = Се*Ф*n (1),

где Ce — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.  Применив второй закон Кирхгофа, получаем уравнение напряжения двигателя.

U = Eя + Iя * ∑R (2)  где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление: обмотки якоря; добавочных полюсов; обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).

7.4 Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется путем изменения тока I_fn в последовательной обмотке или напряжения якоря Uс помощью шунтирующих реостатов.

При шунтировании обмотки возбуждения ток I_fn уменьшается и частота вращения якоря растет, а при шунтировании якоря напряжение якоря уменьшается, поэтому частота вращения падает.  Регулирование частоты вращения вверх осуществляется практически при постоянном КПД:

  Верхний уровень частоты вращения ограничивается условиями коммутации.

Регулирование частоты вращения вниз может осуществляться вплоть до нуля, однако КПД этого способа снижается пропорционально напряжению якоря и частоте вращения: 

,  – где - частота вращения якоря при .  Таким образом, этот способ регулирования так же, как и реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением, является неэкономичным. Он используется лишь в случае двигателей малой мощности.

Схема последовательного возбуждения.

7.5 Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Из формулы частоты вращения видно, что регулировать частоту вращения двига­теля независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Дополнительное сопротивление (реостат r_д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР).

При включении сопротивления rд в цепь якоря выражение частоты принимает вид

где  — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.  С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. 

Изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения. При увеличении r_рег частота вращения растет.

Изменение питающего напряжения

Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения применяется лишь при I_B = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении.

Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напряжением. Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на входе выпрямителя (рис. а).

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.