Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Машины постоянного тока. Учебное пособие
.pdf
№ 3046
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Кафедра электротехники и информационно-измерительных
систем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
УПРАВЛЕНИЯ
М.С. Анисимова
Электрические машины
Машины постоянного тока
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2017
УДК 621.3
А67
Рецензент
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин
Анисимова М.С.
А67 Электрические машины : машины постоянного тока : учеб.
пособие / М.С. Анисимова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС»,
2017. – 27 с.
Представлена классификация электрических машин по назначению,
принципу работы, конструктивному исполнению и способу монтажа. Подробно рассмотрены устройство, принцип работы, способы регулирования
скорости, потери мощности и КПД асинхронных двигателей.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в энергосбережении».
621.3
УДК
2
М.С. Анисимова, 2017
НИТУ «МИСиС», 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................... 4
1. Устройство машины постоянного тока .............................................. 7
2. Принцип действия машины постоянного тока .................................. 8
3. Вывод формулы ЭДС ........................................................................... 9
4. Магнитное поле машины при нагрузке ............................................ 10
5. Электромагнитный момент ............................................................... 11
6. Коэффициент полезного действия и потери мощности
в машинах постоянного тока ................................................................. 12
7. Режимы работы машины постоянного тока ..................................... 13
8. Двигатели постоянного тока независимого и параллельного
возбуждения
............................................................................................ 16
9. Тормозные режимы работы двигателей постоянного тока ............ 20
10. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения ... 24
11. Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения ............... 24
Библиографический список ................................................................... 26
3
ВВЕДЕНИЕ
Классификация электрических машин
Все электрические машины можно классифицировать по ряду
признаков.
1. По назначению:
– электрические генераторы, преобразующие механическую
энергию в электрическую;
– электрические двигатели, преобразующие электрическую энер-
гию в механическую;
– электромашинные преобразователи, преобразующие перемен-
ный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз;
– электромашинные компенсаторы,
вание реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии;
– электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы.
2. По роду тока:
– электрические машины постоянного тока;
– электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные.
3. По мощности:
– микромашины – до 500 Вт
;
– машины малой мощности – 0,5…10 кВт;
– машины средней мощности – 10…300 кВт;
– машины большой мощности – свыше 300 кВт.
4. По частоте вращения:
– тихоходные – до 300 об/мин;
– средней быстроходности –300…1500 об/мин;
– быстроходные – 1500…6000 об/мин;
– сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин.
5. По степени защиты:
– исполнение открытое (соответствует степени защиты IP00);
– защищённое (IP21, IP22);
– брызгозащищённое и каплезащищённое (IP23, IP24);
– водозащищённое (IP55, IP56);
осуществляющие генериро-
4
– пылезащищённое (IP65, IP66);
– закрытое (IP44, IP54);
– герметичное (IP67, IP68).
6. По группе эксплуатации.
Каждая электрическая машина относится к какой–либо группе
эксплуатации, обозначаемой М1 – М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определённой частотой, к ускорениям и ударам. В основном машины общего назначения
относятся к группе М1, предусматривающих их размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок.
7. По продолжительности и особенностям работы машины.
Продолжительность и особенности работы машины характеризуются режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах.
8. По способу монтажа.
Исполнение электрической машины по
способу монтажа обозна-
чается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001
и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности,
электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной
поверхности и т.д.).
Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца
вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение
конца вала (цилиндрический, конический и пр.).
Основные показатели и характеристики электрической машины,
на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются в паспорте или на табличке, прикреплённой к корпусу машины
(см. рисунок).
Табличка с номинальными параметрами
5
Общие сведения о машинах постоянного тока
Машины постоянного тока используются в качестве генераторов
и двигателей.
В начальный период появления электрических машин наибольшее
распространение получили двигатели постоянного тока. Впервые
двигатель постоянного тока был изобретён учёным Якоби в России в
1834 г. и применён для привода шлюпки в 1838 г. По мере развития
техники (70–80-
е годы XIX в.) удельный вес машин постоянного тока в общем выпуске электрических машин постепенно уменьшался и
в настоящее время преобладающими являются машины переменного
тока. Это объясняется более сложной конструкцией машин постоянного тока и, как следствие, их более высокой стоимостью и меньшей
надёжностью.
Вместе с тем двигатели постоянного тока имеют
ряд достоинств и
специфических качеств: большой пусковой момент, высокие перегрузочная способность и КПД, возможность плавного регулирования
частоты вращения в широком диапазоне и др.
В промышленном производстве генераторы постоянного тока
применяются для питания различного рода устройств, работающих
на постоянном токе, в том числе и двигателей постоянного тока, которые находят
применение в металлургической промышленности,
металлорежущих станках, бумагоделательных машинах, на электрифицированном транспорте и др. Генераторы и двигатели изготавливаются промышленностью серийно, мощностью от единиц ватт до
тысяч киловатт.
Большое количество двигателей постоянного тока применяется в
цехах по обработке металлов давлением. Например, на широкополосном стане 2000 горячей прокатки установлено более 2000 электродвигателей
как постоянного, так и переменного тока. В главных
приводах этого стана используются двигатели постоянного тока
мощностью 12 600 кВт.
6
1. Устройство машины постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей:
неподвижной части – статора, и вращающейся части – якоря. Эти
части разделены воздушным зазором, позволяющим свободно вращаться якорю внутри статора. Общий вид и эскиз машины постоянного тока показаны на рис. 1 и 2.
а
б
Рис. 1. Общий вид машины постоянного тока
Рис. 2. Эскиз машины постоянного тока
7
Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнитель-
ных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щёточной траверсы со
щётками 6 (рис. 1). Станина имеет кольцевую форму и выполняется
из стального литья или стального листового проката. Главные полюса служат для создания постоянного магнитного поля. В машинах
небольшой мощности в качестве полюсов используются
постоянные
магниты. В большинстве же машин на полюсах расположена обмотка возбуждения 10, к которой подключается постоянное напряжение
U
(см. рис. 1). Дополнительные полюса устанавливаются между
в
главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации.
Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и помещается щёточная траверса. В подшипники устанавливается вал.
Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника 7, обмот-
ки 8 и коллектора 5 (см. рис. 2).
Сердечник имеет цилиндрическую
форму. Он набирается из дисков электротехнической стали, изолированных друг от друга. По внешней поверхности сердечника проточены пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря.
2. Принцип действия машины постоянного тока
Предположим, что якорь вращается с постоянной частотой вращения n в указанном на рис. 2 направлении. В проводниках, лежа-
щих на внешней поверхности кольца и пересекающих линии нормальной к ней магнитной индукции В, наводится мгновенная электродвижущая сила (ЭДС)
еВlv
, (1)
где l – активная длина проводника;
v – линейная скорость.
По правилу правой руки (рис. 3) определяется направление тока и
ЭДС в проводниках. Под одноименными полюсами направление
ЭДС во всех проводниках одинаково («крестики» или «точки»).
Проводники, расположенные на внутренней и торцевых сторонах
якоря, не пересекают магнитные линии и в них не наводится ЭДС.
Линия, соединяющая проводники с нулевой ЭДС, называется ней-
тралью. Таким образом, при вращении якоря в его проводниках наводится переменная ЭДС.
На установленных на геометрической нейтрали щётках будет получена сумма ЭДС во всех проводниках, т.е. максимум ЭДС.
8
E
E
а
Рис. 3. Принцип действия машины постоянного тока
б
3. Вывод формулы ЭДС
Если общее число проводников якоря N, а число параллельных
ветвей 2а, то ЭДС одной параллельной ветви
21Na
lv B
Распределение индукции под полюсным делением вдоль якоря
имеет зависимость в виде трапеции, поэтому сумму индукции В
можно заменить средним значением В
lv B
. (2)
i
i
:
ср
N
,
(3)
cp
2
a
i
где
– последовательные соединение активных проводников
2Na
в пределах каждой параллельной ветви.
Заменим
B
cp
, (4)
l
где Ф – магнитный поток одного полюса, Вб;
9
я
я
р
Е
– полюсное деление;
2dр
здесь d
– диаметр якоря;
я
2р – число полюсов.
Тогда
d
v
.
2
Окончательная формула ЭДС якоря
рN
E
я
2
(5)
a
или
где
ca
e
N
– коэффициент, определяемый конструктивными осо-
2
E С , (6)
я e
бенностями машины;
260n
– угловая скорость, рад/с;
n – частота вращения, об/мин.
Введя в формулу (6) частоту вращения, получим
Ф.
C п
(7)
е
4. Магнитное поле машины при нагрузке
Протекание тока в проводниках якоря создаёт собственное магнитное поле якоря. Это поле накладывается на основной магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения. В результате наложения полей происходит искажение основного магнитного потока и в проводниках на геометрической оси наводится ЭДС. Линия, проходящая через проводники с нулевой ЭДС при работе
физической нейтралью. Несовпадение физической нейтрали с геометрической называется реакцией якоря. Реакция якоря вызывает искрение на коллекторе и может вызывать «круговой огонь», т.е. электрическую дугу, замыкающую накоротко коллекторные пластины.
10
под нагрузкой, называется
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]