Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электротехники. Учебное пособие для СПО
.pdf
В случае, если статор дви
гателя имеет только одну од
нофазную обмотку, проте
кающий по ней переменный
ток возбудит в машине пере
менное магнитное поле. Дан
ное поле способно индукти
ровать в обмотке ротора токи,
и взаимодействие индуктиро
ванных токов с магнитным
полем будет создавать электро
магнитные силы, которые имеют противоположные направле
ния. Результирующий момент, который действует на ротор, будет
равен нулю, т. е. при наличии одной обмотки двигатель не будет
вращаться (рис. 80).
Для создания начального пускового момента используются два
способа, в соответствии с чем двигатели разделяют на двухфазные
и однофазные.
Двухфазные двигатели, кроме обмотки, которая включена не
посредственно в сеть, снабжаются второй обмоткой, которая со
единена последовательно с одним из фазосмещающих устройств
(конденсатором, реактивной катушкой).
Наиболее удобно для этой цели использовать конденсатор
(рис. 80). Такие двигатели называются конденсаторными. В пазы
статора таких двигателей укладываются две фазные обмотки, каж
дая из которых занимает половину всех пазов. Таким способом до
стигается условие получения вращающего момента через индук
ционный механизм — присутствие двух изменяющихся магнитных
потоков, которые не совмещены в пространстве, сдвинуты по фазе
относительно друг к другу.
Недостатком такого двигателя являются пульсации тока, что
приводит к уменьшению вращающего момента. Этот недостаток
устраняется путем усложнения установки — отключения части
емкости при условии перехода от пусковых условий к рабочим.
В качестве двухфазных конденсаторных двигателей можно ис
пользовать малый трехфазный асинхронный двигатель.
Для этого две фазные обмотки соединяют последовательно
и включают непосредственно под напряжение, а третьи фазные
обмотки соединяют последовательно с конденсатором и включают
под то же напряжение.
121
Рис. 80. Схема соединения
конденсаторного двигателя
C
д
С
Применение двухфазных двигателей чаще всего связано с авто
матическими устройствами. Также их используют как управляе
мые двигатели: частоту их вращения или вращающий момент
можно регулировать, изменяя величины или фазы напряжения
одной из обмоток. Подобный двигатель вместо обычных корот
козамкнутых роторов снабжается ротором в форме полого тонко
стенного алюминиевого цилиндра, который вращается в неболь
шом воздушном зазоре между
статором и неподвижным цен
тральным. Такой двигатель
с полым ротором обладает
очень маленькой инерцией,
что используется при регули
ровании производственных
процессов. На рисунке 81 изо
бражена зависимость частоты
вращения подобного двигате
ля от напряжения на управ
ляющей обмотке.
Однофазные двигатели не развивают пускового момента. Од
нако если раскрутить его ротор в любую сторону, то он сможет
вращаться сам и будет способен развивать большой вращающий
момент.
Подобные условия наблюдаются у трехфазного двигателя при
перегорании предохранителей в одной из фаз. При этом трехфаз
ный двигатель будет продолжать работать. Объяснить работу дви
гателя при однофазном возбуждении можно, зная, что переменное
пульсирующее магнитное поле — это поле, созданное наложени
ем двух магнитных полей, которые вращаются в противополож
ные стороны с синхронной угловой скоростью . Амплитудное
значение магнитной индукции данных полей одинаковы и равны
половине амплитуды индукции переменного поля агрегата:
С помощью графического построения (рис. 82) можно пока
зать, как в результате сложения двух одинаковых по длине векто
1
.
2
m
m IIm
B
ВB==
р
ω
122
Рис. 81. Кривые
частоты вращения
М=0
A
A
A
0,33М
н
0,67М
н
М
н
М=1,2М
н
ров, которые вращаются в противоположные стороны, можно
получить синусоидально изменяющийся вектор. Индукция ра
спределена синусоидально вдоль полюсного деления машины
и при этом является синусоидальной функцией времени:
.
Рис. 82 Разложение переменного поля на два поля,
вращающегося в противоположных напрявлениях
Применим формулу произведения синусов и получим выра
жение индукции в виде двух одинаковых магнитных волн, кото
рые бегут вдоль окружности машины в противоположные сторо
ны:
Для однофазного двигателе это положение справедливо при
условии, что ротор неподвижен. Рассматривая при этом перемен
ное поле, которое складывается из двух вращающихся полей,
можно сделать вывод, что оба эти поля индуктируют в обмотке
ротора равные по силе токи. Данные токи взаимодействуют толь
ко с индуктирующими их полями и создают два равных вращаю
щих момента, которые направлены в противоположные стороны,
благодаря чему взаимно уравновешивают друг друга.
Равенство этих двух моментов нарушается в случаях, когда ро
тор начинает вращаться. При этом вращающий момент, который
создается прямо вращающимся полем, приобретает большую ве
личину, а ротор может не только самостоятельно вращаться, но
и вращать некоторый механизм.
cos cos .
22
mm
x
BB
Btxtx
ππ
ωω
ττ
=−++
sin sin
хm
ВB t x
π
ω
τ
=
123
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
I
Ф
I
Ф
I
Ф
I
Ф
II
Ф
II
Ф
II
Ф
II
ωt
ωt
ЛЕКЦИЯ № 11. Машины постоянного тока
1. Общие сведения
В состав некоторых электрических машин входит коллектор,
который представляет собой полый цилиндр, набранный из изо
лированных клинообразных медных пластин. Пластины коллек
тора изолируют от вала машины. Для соединения с витками об
мотки, которые размещены в пазах ротора, применяются
проводники. В коллекторных щеткодержателях помещаются не
подвижные щетки, служащие для соединения с внешней цепью
вращающейся обмотки.
Коллекторы применяются в генераторах постоянного тока.
Они предназначены для выпрямления переменной э. д. с., кото
рая индуктируется по вращающейся обмотке. В двигателях по
стоянного тока коллектор применяется для образования постоян
ного тока по направлению вращающего момента.
При применении коллектора в двигателях переменного тока
проявляются ценные свойства двигателей постоянного тока: воз
можность плавно и в широких пределах регулировать скорость
вращения; коллекторные генераторы переменного тока позво
ляют получать переменный ток постоянной частоты при пере
менной частоте вращения первичного двигателя.
Коллекторный одноякорный преобразователь применяется
в качестве преобразователя переменного тока в постоянный, или
постоянного тока — в переменный, или для изменения частоты
переменного тока.
В некоторых специальных установках используют каскадное
соединение коллекторных машин с бесколлекторными крупны
ми асинхронными двигателями, что позволяет плавно и эконо
мично регулировать частоту вращения и коэффициент мощности
данных двигателей.
Но присутствие коллектора удорожает машину, усложняет ее
эксплуатацию и уменьшают надежность.
124
2. Устройство машины постоянного тока
В состав машины постоянного тока входят неподвижная
часть, которая служит для возбуждения главного магнитного по
ля, и вращающаяся часть, которая индуктирует э. д. с. и токи, соз
дает тормозящий момент в генераторе и вращающий момент
в двигателе.
Неподвижную часть иногда
называют статором, и она состо
ит из станины (рис. 83) с укреп
ленными в ней основными по
люсами возбуждения главного
магнитного потока и дополни
тельными полюсами для лучшей
коммутации машины.
Главный полюс содержит
сердечник, набранный из листов
электротехнической стали и ук
репленный болтами на станине,
а также катушку обмотки воз
буждения. На свободном конце сердечника укрепляются полюс
ные наконечники для равномерного распределения магнитной
индукции по окружности якоря.
Станина играет роль ярма машины, т. е. она замыкает магнит
ную цепь главного потока (рис. 84). Ее изготавливают из литой
стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен.
Рис. 84. Магнитная цепь машины переменного тока
125
Рис. 83. Станина
Станина
Сердечник
Полюсный
наконечник
Главный
полюс
Дополнитель
ный полюс
Ф
Фр / 2
h
n
S
δ
L
я
h
3
На станине между основными полюсами помещаются допол
нительные, сердечники которых крепятся болтами к станине,
а катушки их обмоток соединяются последовательно с якорем.
Якорь — часть машины, в обмотке которой при вращении ее
относительно главного магнитного поля индуктируется э. д. с.
Якорь в машинах постоянного тока имеет в составе зубчатый сер
дечник, обмотку, которая уложена в пазах сердечника, и коллек
тор, который насажен на вал якоря. Сердечник состоит из листов
электротехнической стали, изолированных друг от друга. В пазах
сердечника якоря располагается обмотка якоря, которая обычно
состоит из отдельных секций. Для отведения тока от коллектора
применяют угольные или медные щетки, которые устанавливают
в щеткодержателях. Щетка прижимается к коллектору пружиной.
Ток от щетки отводят через специальный гибкий кабель. Щетко
держатели надевают на щеточную траверсу, от которой они изо
лируются. Траверсу устанавливают на подшипниках машины,
и она способна поворачиваться и при этом изменять положение
щеток по отношению к полюсам машины.
Машина постоянного тока является обратимой, т. е. она рабо
тает в режиме генератора, когда ее вращает двигатель. При этом
главное магнитное поле возбуждается, а цепь якоря замкнута
через щетки на нагрузку. В таких условиях обмотка якоря индук
тирует э. д. с., посылающую ток через коллектор и щетки во внеш
нюю цепь. Внутри машины взаимодействует ток якоря с главным
магнитным полем, в результате чего создается тормозящий момент,
который должен преодолевать первичный двигатель. Таким об
разом, машина из механической энергии получает электриче
скую.
Если цепь якоря и цепь возбуждения машины присоединить
к источнику, то напряжение создает ток в обмотках машины и ток
якоря, которые при взаимодействии с главным магнитным полем
формирует вращающий момент. Под его действием якорь прихо
дит во вращение, т. е. машина работает в режиме двигателя.
По способу возбуждения главного магнитного поля машины
постоянного тока разделяют на группы.
Машины независимого возбуждения имеют обмотку возбуж
дения, которая получает ток от независимого источника (рис. 85).
При этом сила тока возбуждения не зависит от напряжения на за
жимах якоря машины. При выборе сечений проводов обмотки
возбуждения необходимо учитывать напряжение источника тока
126
возбуждения. Для таких машин характерна не
зависимость главного магнитного потока от на
грузки машины.
Машины параллельного возбуждения обла
дают цепью обмотки возбуждения, которая сое
диняется параллельно с цепью якоря (рис. 86).
При такой схеме возбуждения ток
I
в
в несколько
раз меньше силы тока якоря, и напряжение
U на
зажимах цепей якоря и возбуждения сохраняет
ся, т. е. сопротивление обмотки возбуждения
должно принимать большое значе
ние. В обмотке возбуждения такой машины со
держится большое число витков тонкого прово
да, и поэтому его сопротивление значительно.
В машинах параллельного возбуждения главный
магнитный поток является независимым.
Машины последовательного возбуждения
обладают полным током якоря, который прохо
дит через обмотку возбуждения (рис. 87). По этой
причине для обмотки используется провод
большого сечения. Обмотка последовательного
возбуждения имеет большую силу тока
I
я
, по
этому для получения намагничивающей силы
(
Iω) достаточно небольшого числа витков, ко
торые обладают небольшим сопротивлением.
В таких машинах изменения главного магнит
ного потока возможны в широких пределах при
изменениях нагрузки машины. Это является
следствием изменений силы тока якоря, являю
щегося одновременно и током возбуждения.
Машины смешанного возбуждения имеют
по две катушки на каждом полюсном сердечни
ке. При этом одна из них входит в обмотку воз
буждения, которая включена параллельно яко
рю, а вторая — в обмотку, которая включена
последовательно с якорем (рис. 88).
При этом одна обмотка является основной,
намагничивающая сила возбуждает главное
в
в
U
R
I
=
127
Рис. 85. Схема
независимого
возбуждения
Рис. 86. Схема
параллельного
возбуждения
Рис. 87. Схема
последовательного
возбуждения
Рис. 88. Схема
смешанного
возбуждения
ω
воз
Я
Я
Я
Я
ω
пар
ω
пос
ω
пар
ω
пос
магнитное поле, а вторая воздействует на образовавшееся поле.
По виду преобладания намагничивающей силы последователь
ной или параллельной обмотки можно выделить машины после
довательного возбуждения с небольшой параллельно обмоткой
возбуждения и машины параллельного возбуждения с небольшой
последовательной обмоткой возбуждения. Во многих машинах
смешанного возбуждения применяют согласное соединение, при
котором намагничивающая сила обмоток складывается.
3. Выпрямление переменной э. д. с.
посредством коллектора и щеток
Э. д. с., которая индуктируется в обмотках, имеет вид:
Таким образом при продолжи
тельном процессе э. д. с. должна быть
переменной, так как потокосцепле
ние не может возрастать неограни
ченно, а при убывании э. д. с. ме
няется знак производной. Поэтому
во вращающейся обмотке машины
индуктируется переменная э. д. с.,
для выпрямления которой необхо
дим коллектор. Выпрямление этой
э. д. с. можно проследить на приме
ре устройства кольцевого якоря.
Сердечник кольцевого якоря
выполнен в виде полого цилиндра
(рис. 89), который собран из пластин
электротехнической стали. Обмот
ка кольцевого якоря обвивает цилиндр и образует замкнутый
контур из большого числа витков. Главные полюсы образуют маг
нитный поток, который проходит по сердечнику якоря, не прохо
дя во внутреннюю полость цилиндра якоря. Поэтому при враще
нии якоря магнитное поле воздействует только на проводники
обмотки, которые лежат на внешней поверхности якоря, и э. д. с.
индуктируется только в них. По правилу правой руки определяем,
d
.
dеt
ψ
=−
128
Рис. 89. Схема
кольцевого якоря с обмоткой
N
S
что э. д. с., которые индуктируются в проводниках, лежат под раз
ноименными полюсами, поэтому имеют противоположное на
правление. Вследствие симметричного построения машины э. д. с.
не создают внутреннего уравнительного тока.
Для использования э. д. с. двух половин обмотки при рассмот
рении двухполюсной машины можно наложить на якорь две не
подвижные щетки, при этом освободив от изоляции ту часть по
верхности проводников якоря, которая касается щеток при
вращении якоря. Ставить щетки необходимо посредине между
главными полюсами. Таким образом, обмотка разделяется на две
параллельные ветви, которые являются двумя источниками э. д. с.
Эти э. д. с. способны совместно посылать токи во внешнюю цепь.
Э. д. с., образовывающиеся в витках параллельных ветвей обмот
ки, должны иметь одинаковые направления, которые зависят от
направлений магнитного поля и вращения якоря. Щетки стоят
между главными полюсами машины в области, где магнитная
индукция является практически равной нулю (рис. 89). Данное
пространство называется нейтральной зоной машины. По окруж
ности якоря магнитная индукция будут распределяться в зависи
мости от магнитного сопротивления. Для равномерности распре
деления применяются полюсные наконечники. Когда щетки
сдвинуты из нейтральной зоны,
в одной и той же параллельной
ветви помещаются секции с про
тивоположным направлением
э. д. с., поэтому напряжение меж
ду щетками уменьшается. Оно
станет равным нулю при поме
щении щеток под срединами по
люсов.
За счет щеток напряжение на зажимах машины является по
стоянным, несмотря на то что в каждом из проводников обмотки
ее якоря индуктируется переменная э. д. с. Проводники, которые
движутся непрерывно, переходят от северного к южному полюсу,
поэтому направление индуктируемой в них э. д. с. изменяется.
При этом по отношению к полюсам машины положение группы
проводников остается постоянным. Одни проводники из этой
группы уходят, но то же количество проводников в нее поступает.
Когда число пар полюсов машины больше 1, спиральная об
мотка кольцевого якоря должна иметь увеличенное число щеток,
129
Рис. 90. Магнитная индукция
SN
d
b
δ
a
τ
τ
чтобы соединять параллельно все ветви обмотки. На рисунке 91
изображено такое соединение в случае четырехполюсной (
р = 2)
машины. Щетки с одинаковой полярностью соединены между
собой так, чтобы образовались положительный и отрицательный
полюсы обмотки якоря. В случае более сложных обмоток число
параллельных ветвей 2
а не обязательно должно соответствовать
числу полюсов 2
р.
Рис. 91. Соединение якоря с коллектором
Рассмотренная схема машины не имела коллектора, так как
его роль выполняла сама обмотка якоря. Однако при контакте
щеток с обмоткой якоря условия работы контактов неблагопри
ятны вследствие высокой скорости на поверхности якоря. Такие
контакты можно сделать надежнее, если перенести щетки на пла
стины коллектора. Пластины необходимо соединить проводни
ками (петушками) с соответствующими секциями якоря. Щетки
соединяют параллельно ветви обмотки так же, как при прямом
контакте с якорем. Так как диаметр коллектора намного меньше
диаметра якоря, его окружная скорость значительно уменьшается.
При этом пластины коллектора механически значительно проч
нее проводников обмотки якоря.
В генераторах щетки и коллектор применяют для выпрямле
ния переменной э. д. с. витков обмотки. В двигателях коллектор
и щетки призваны обеспечивать непрерывность вращения. Че
рез все проводники параллельной ветви обмотки якоря протекают
одинаковые токи . Когда на все эти проводники действует
электромагнитная сила одинакового направления, двигатель раз
я
2
I
Iа=
130
N
S
S
N
N
S
a
b′
b
a′
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]