Электрические машины МПТ
.pdf1
Лекции профессора Полевского В.И.
Лекция 1
Электрические машины
Общие сведения
Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее преобразование механической и электрической энергий. Если в электрической машине преобразуется механическая энергия в электрическую энергию, то такая машина называется электрическим генератором. Если же преобразуется электрическая энергия в механическую энергию, то машина называется электрическим двигателем.
Электрические генераторы составляют основу современных электростанций, где они преобразуют механическую энергию турбин (паровых, гидравлических или газовых) в электрическую энергию.
Электрические двигатели составляют основу электропривода, где они приводят в движение станки, подъемные и транспортные средства и т. д.
В общем случае электромеханические преобразователи энергии - электрические машины работают в космосе, глубоко под землей, в воде и в любых агрессивных средах.
История электромеханики начинается с открытия М. Фарадея, который в 1821 году преобразовал электрическую энергию в механическую. В 1831
году М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.
В1832 году братья Пикси создали первый электрический генератор.
В1834 году русский ученый Б.С. Якоби создал электрический двигатель мощностью 1 кВт и применил его для привода гребного винта катера, который возил против течения Невы 14 пассажиров. Это было первое практическое применение электрической машины.
В1860 – 1870 гг. созданы первые промышленные генераторы постоянного тока, а в 1873 г. В. Сименс и Ф. Альтернеке создали машину переменного тока.
В1888 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил сис-
тему трехфазного тока, а в 1889 г. создал трехфазный асинхронный двигатель. В этом же году под его руководством создана линия электропередачи
2
переменного тока напряжением 15 кВ длиной 175 км, по которой передавалась мощность 175 кВт. В это же время появляется синхронный генератор.
Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины называются индуктивными. Возможно также создание электрических машинах, в которых энергия преобразуется посредством электрического поля (емкостные машины), однако такие машины, в виду слабых удельных энергетически показателей, существенного практического распространения не получили.
Для получения более сильных магнитных полей применяются ферромагнитные материалы, которые являются неотъемлемыми частями каждой электрической машины. При переменных магнитных полях магнитопроводы с целью ослабления вихревых токов и уменьшения, вызываемых ими потерь энергии изготавливаются из листов электротехнической стали.
Другими неотъемлемыми частями электрической машины являются обмотки из проводниковых материалов, по которым протекают электрические токи. Для электрической изоляции обмоток применяются различные
изоляционные материалы.
Электрические машины обладают свойством обратимости: каждый электрический генератор может работать в качестве двигателя и наоборот. Однако каждая выпускаемая электромашиностроительным заводом вращающаяся электрическая машина обычно предназначается для одного, определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя.
Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванными перемагничиванием ферромагнитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и т. д. Поэтому потребляемая электрической машиной мощность всегда больше отдаваемой (полезной) мощности, а коэффициент полезного действия (к.п.д.) меньше 100%. Тем не менее, электрические машины по сравнению с тепловыми и некоторыми другими типами машин являются весьма совершенными преобразователями энергии с относительно высокими коэффициентами полезного действия. Так, в самых мощных электрических машинах (более 1000 кВт) к.п.д. равен 98 – 99,5 % , а в машинах малой мощностью (50 Вт и менее) к.п.д. составляет 20 – 40 %.
Высокие энергетические показатели электрических машин, удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на самые разнообразные
3
мощности, скорости вращения, а также удобство обслуживания и простота управления обусловили их широкое распространение.
Машины постоянного тока (МПТ)
§ 1.1. Устройство и принцип действия машины постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей – неподвижной части, называемой индуктором, и вращающейся, называемой якорем. На рис. 1.1 представлена конструкция МПТ средней мощности здесь индуктор представляет собой набор полюсов образующих систему возбуждения машины для формирования потока возбуждения. Соединение катушек всех полюсов должно быть выполнено так, чтобы при прохождении тока полярности полюсов чередовались.
Рис. 1.1. Конструкция МПТ. 1-коллектор; 2-щеточное устройство; 3-якорь; 4-магнитоповод главного полюса системы возбуждения; 5-обмотка главного полюса; 6-станина (внешний магнитопровод); 7-боковой фланец; 8-ротор вентилятора.
4
Якорь МПТ состоит из магнитопровода (сердечника), обмотки якоря, коллектора, вала и ротора вентилятора. Магнитопровод якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. которые перед сборкой покрывают изолирующим лаком. Покрытие лаком применяют с целью уменьшения вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника якоря, вызванного его вращением в магнитном поле. Обмотка якоря состоит из секций (катушек), выполненных из медного изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Обмотку якоря, вместе с изоляцией, располагают в пазах сердечника якоря. Концы секций обмотки якоря припаивают к петушкам коллекторных пластин. Коллектор, вместе со щеточным устройством, предназначен для передачи тока с неподвижной части на подвижную, а также для его преобразования (из постоянного тока в переменный и наоборот). Щетки, установленные на коллекторе, разделяют обмотку якоря на параллельные ветви.
Рис. 1.2. 1- коллекторная пластина с петушком (изготовлена из холоднокатанной меди); 2- изоляция между коллекторными пластинами (миканит – композиция на основе слюды); 3- шайба изолирующая; 4- основание коллекторной пластины (ласточкин хвост); 5- втулка для крепления пластин; 6- гайка.
Рис. 1.3. Лист сердечника якоря.
5
Рис. 1.4. Эскиз поперечного разреза МПТ с одной парой главных полюсов. 1- внешний магнитопровод системы возбуждения; 2- магнитопровод полюса; 3- обмотка полюса; 4- обмотка якоря; 5- сердечник якоря; 6- внутренний магнитопровод якоря; 7- вал якоря; 8- воздушный (рабочий) зазор; 9- силовая линия магнитного потока системы возбуждения.
Рис. 1.5. Эскиз поперечного разреза МПТ с двумя парами главных полюсов. 1- внешний магнитопровод системы возбуждения; 2- магнитопровод главного полюса; 3- полюсной наконечник главного полюса; 4- магнитопровод добавочного полюса (улучшения коммутации – уменьшает искрение на щетках); 5- зубцовый слой якоря; 6- внутренний магнитопровод якоря; 7- силовая линия магнитного потока системы возбуждения; 8- воздушный (рабочий) зазор; 9- вал якоря.
6
Принцип работы МПТ
На рис. 1.6. представлено схематическое изображение МПТ с одной парой полюсов, где: 1- система возбуждения, создающая в рабочем зазоре магнитный поток Ф; 2- секция обмотки якоря; 3- пластина коллектора; 4- щетка.
Рис. 1.6.
а) Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора
Предположим, что якорь машины (Рис. 1.6.) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется Э.Д.С. (Е), направление которой может быть определено по правилу правой ру-
ки (рис. 1.7).
правая - генератор |
левая – двигатель |
Рис. 1.7. Рис. 1.8.
7
епр = В∙ l ∙V
епр – э.д.с. вращения в проводнике обмотки якоря; B – среднее значение индукции в рабочем зазоре; l – длина проводника секции обмотки якоря; V – скорость вращения якоря.
С учетом конструктивного исполнения реальной машины Э.Д.С., возникающая в обмотке якоря определяется из выражения
E = Сe ∙n∙Ф,
где Ф - среднее значение магнитного потока в рабочем зазоре машины; n – скорость вращения якоря (в об/мин); Сe – коэффициент, зависящий от конструкции машины (Сe = p∙N/2a, где p – число пар полюсов обмотки возбуждения; N- число последовательных проводников в параллельной ветви обмотки якоря; 2а – число параллельных ветвей обмотки якоря).
Щетки, установленные на коллекторе, разделяют обмотку якоря на параллельные ветви. Число параллельных ветвей обмотки якоря определяется числом пар щеток.
Э.Д.С., возникающая в обмотке якоря является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление Э.Д.С. в проводниках меняется. По форме кривая Э.Д.С. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рис. 1.9.). Если обмотка якоря с помощью щеток соединена с нагрузкой (Rн, рис. 1.6), то в этой обмотке возникает ток якоря (Iя) форма которого аналогична форме кривой Э.Д.С. (рис. 1.9.). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора (рис. 1.10.).
Рис. 1.9. Рис. 1.10.
Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90о и изменении направления Э.Д.С. в проводниках одновременно происходит также смена коллек-
8
торных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остается неизменным.
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Э.Д.С. якоря на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря (Rя) (Основное уравнение генератора постоянного тока).
U = E - Iя∙Rя
б) Рассмотрим работу машины в режиме двигателя
Рассматриваемая, простейшая машина (рис. 1.6.) может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы (F) обуславливающие появление электромагнитного момента (M) в соответствии с правилом левой руки (рис. 1.8.). В режиме двигателя электромагнитный момент приводит во вращения якорь машины, в режиме генератора тормозит его. Т. о. электромагнитный момент может быть
вращающим либо тормозным.
M = Cм∙Iя∙Ф,
где Ф - среднее значение магнитного потока в рабочем зазоре машины; Iя –ток в обмотке якоря; См – коэффициент, зависящий от конструкции ма-
шины (См = p∙N/π∙2a).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря тоже индуктируется Э.Д.С. (E = Ce∙n∙Ф) с направлением против направления тока якоря. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается указанной Э.Д.С. и падением напряжения в обмотке якоря (Основное уравнение двигателя постоянного тока).
9
U = E + Iя∙Rя
Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство называется обратимостью. Этим свойством обладают все электрические машины.
Реакция якоря. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю, а магнитное поле машины целиком обусловлено магнитодвижущей силой обмотки возбуждения (рис. 1.11.). В этом случае магнитное поле симметрично относительно геометрической нейтрали n-n|.
Рис. 1.11.
Рис. 1.12.
10
При нагрузке в обмотке якоря протекает ток, который обуславливает появление магнитного потока якоря. В результате взаимодействия потока возбуждения и потока якоря в машине создается результирующий магнитный поток с учетом т.н. реакции якоря (рис.1.12.). В этом случае у набегающего полюса происходит ослабление магнитного поля (поле как бы затягивается к середине полюса), а на сбегающем краю полюса происходит усиление магнитного поля. Таким образом, под действием нагрузки происходит деформация магнитного потока машины, за счет чего смещается ось симметрии магнитного поля (на угол α) с геометрической нейтрали (n-n|) на физическую (m- m|). Искажение магнитного поля приводит к появлению уравнительных токов в параллельных ветвях обмотки якоря, что в свою очередь вызывает искрение коллектора. Если сместить щетки с геометрической нейтрали на физическую, то образуется продольная размагничивающая реакция якоря, ослабляющая результирующий магнитный поток, хотя искрение по коллектору уменьшается. В крупных машинах (более 1 кВт) для компенсации реакции якоря между главными полюсами устанавливают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно с обмоткой якоря. Щетки таких машин устанавливают на геометрической нейтрали.
В машинах малой мощности (до 1 кВт), не имеющих дополнительных полюсов, щетки располагаются на физической нейтрали.
Лекция 2