Машины постоянного тока
Машины постоянного тока (МПТ) используются как в качестве
генераторов, так и в качестве двигателей.
Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ):
- от долей ватт ( в устройствах автоматики и вычислительной техники), до нескольких тысяч киловатт (привод прокатных станов, шахтных подъем-
ников и др.); - ДПТ широко используются для привода подъемных средств (крановые
двигатели) и привода транспортных средств (тяговые двигатели).
Основные преимущества ДПТ по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока:
-хорошие пусковые и регулировочные свойства;
-возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин.
Основные недостатки ДПТ:
-относительно высокая стоимость;
-сложность в изготовлении;
-пониженная надежность;
-наличие радиопомех и пожароопасности.
Все недостатки ДПТ обусловлены наличием коллекторно-щеточного узла. Они ограничивают применение ДПТ.
Принцип действия машин постоянного тока
Характерным признаком коллекторных МПТ является наличие у них
коллекторно-щеточного узла – механического преобразователя перемен- ного тока в постоянный и наоборот
Принцип действия генератора |
При вращении якоря в витке |
постоянного тока |
якорной обмотки наводится ЭДС |
N |
|
e, |
e |
e=2·B·l·v |
u |
|
|
|
|
||||
|
u |
|
|
|
||
|
|
+E макс |
|
|
||
A |
|
+ |
|
|
||
I |
|
|
270 |
360 |
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
|
Rн |
0 |
90 |
180 |
|
, |
|
Uн |
|
|
-E макс |
град |
|
|
n |
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
Когда ЭДС в витке якорной обмотке меняет свое |
||||
S |
|
направление |
происходит смена |
коллекторных |
||
|
пластин под щетками. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
Полярность щеток всегда остается неизменной |
||||
|
|
независимо от положения витка якорной обмотки. |
|
|||
Принцип действия двигателя постоянного тока
Рассмотренная упрощенная модель МПТ может быть использована
и в качестве ДПТ. |
|
|
Для этого отключим нагрузку R и |
||||
|
|
подведем к щеткам напряжение от |
|||||
N |
|
источника постоянного тока |
|
||||
|
|
В результате взаимодействия тока I с |
|||||
Fэм |
|
|
|||||
|
|
|
магнитным полем появляются электро- |
||||
A |
I |
+ |
магнитные |
силы |
Fэм, |
создающие |
|
n |
|
электромагнитный момент Мэм. |
|||||
n' |
U |
||||||
Одновременно с переходом каждого |
|||||||
|
|
||||||
B |
|
|
проводника в зону другого полюса в этих |
||||
|
_ |
проводниках меняется направление тока. |
|||||
Fэм |
|
Назначение коллектора в ДПТ - изменять |
|||||
|
|
||||||
|
|
направление тока в проводниках обмотки |
|||||
S |
|
|
якоря при их переходе из зоны магнитного |
||||
|
|
|
полюса одной |
полярности в |
зону полюса |
||
другой полярности.
При прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали n n‘ электромагнитные силы Fэм = 0.
С увеличением числа проводников в обмотке якоря и числа пластин коллектора вращение якоря становится устойчивым и равномерным.
Способы возбуждения электрических машин постоянного тока
Свойства МПТ в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т. е. способом возбуждения.
Я1 G |
Я2 |
Я1 |
М Я2 |
|
|
М1 |
|
Ш1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
Ш2 |
|
|
М2 |
|
|
|
Независимое |
Параллельное |
|||
возбуждение |
||||
возбуждение |
||||
|
|
|||
С1
С2
Я1 Я2
М
Последовательное
возбуждение
Способы возбуждения электрических машин постоянного тока
С1
С2
Я1 G Я2
Ш1
Ш2
Смешанное
возбуждение
Я1 Я2
М
Возбуждение от постоянных магнитов
Магнитная цепь машины постоянного тока
Lca
hm |
|
hm |
|
||
hz |
Lcя |
hz |
МДС обмотки возбуждения в режиме холостого
хода: Fво=2Fδ+2Fz+2Fm+Fa+Fя
Fδ – магнитное напряжение воздушного зазора
Fz – магнитное напряжение зубцового слоя якоря
Fm – магнитное напряжение главного полюса
Fa – магнитное напряжение статора (ярма)
Fя – магнитное напряжение спинки якоря
Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор , поэтому магнитное напряжение Fδ намного больше остальных слагаемых Fво
Реакция якоря машины постоянного тока
В режиме холостого хода Iя=0 и в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения Fво
N |
N |
S |
|
|
Bδ
n |
n’ |
|
Fво |
Bδ
S |
τ |
τ |
|
В этом случае магнитное поле симметрично |
|||
|
|||
Iя=0 |
относительно оси полюсов |
|
|
|
|
||
Реакция якоря машины постоянного тока
Если машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток Iя, который создает МДС якоря Fа. Допустим, что МДС обмотки возбуждения
магнитное поле МДС якоря Fа будет иметь вид:
N
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fа |
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
τ |
τ |
S |
Пространственное положение МДС якоря Fа опреде- |
|
IВ=0 |
ляется положением щеток и остается неизменным |
|
при вращении якоря |
|
|
Реакция якоря машины постоянного тока
Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря
N |
|
|
S |
|
|
||
|
|
||
|
|
||
|
|||
|
|
||
|
|||
|
|
||
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
1 |
m |
|
Г |
n’ |
n |
|
Д |
α |
|
m’ |
S |
τ |
τ |
|
1 |
Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его
несимметричным относительно оси полюсов.
Реакция якоря машины постоянного тока
Если магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток Ф, не изменяя его значения: один край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС Fа и Fво совпадают по направлению, будут подмагничиваться, а другой
край полюса и соответствующий слой якоря, где МДС Fа и Fво не совпадают по направлению, будут размагничиваться.
Результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на угол . Т. е. физическая нейтраль m m’ смещается относительно геометрической нейтрали nn’ на угол .
В режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а режиме двигателя – против вращения якоря.
Искажения результирующего поля неблагоприятно влияет на рабочие свойства МПТ:
1. сдвиг физической нейтрали ухудшает условия работы щеточного контакта, что может привести к усилению искрения на коллекторе;
2. искажения поля приводит к неравномерному распределению магнитной индукции в зазоре , и, следовательно, к росту мгновенных значений
ЭДС отдельных секций, что может привести к такому возрастанию напряжений между коллекторными пластинами, при котором возможно возникновения электрической дуги на коллекторе.