УстрАСУ / Конспект УАСУ

171

Предварительный расчет электромагнита с короткозамкнутым витком проводится без учета экранирующего действия этого витка. Точный расчет параметров короткозамкнутого витка довольно сложен. На практике его выполняют из меди или латуни таким образом, чтобы он охватывал примернополюса электромагнита. При Ш- образном магнитопроводе короткозамкнутый виток 3 располагается на среднем (рис. 21.5, а) или на крайних стержнях (рис. 21.5, б). С витком на среднем стержне выполнены широко распространенные электромагниты серии МИС. Для уменьшения падения МДС в нерабочем зазоре между якореми сердечником 2 имеется так называемый воротничок 5. Номинальное тяговое усилие электромагнитов серии МИС изменяется от 15 до 120 Н при ходе якоря 15—30 мм. Механическая износостойкость составляет примерно 106 циклов включений-отключений.

С витками на крайних стержнях (рис. 21.5, б) вы полнены длинноходовые электромагниты серии ЭД.

Они имеют Т-образный якорь 1. Тяговое усилие создается во всех трех стержнях, т. е. магнитная цепь содержит три рабочих зазора. Тяговое усилие электромагнитов серии ЭД достигает 250 Н при максимальном перемещении

§ 21.5. Электромагнитные муфты

Электромагнитная муфта предназначена для передачи вращающего момента двигателя к рабочему механизму. Муфта состоит из двух частей: ведущей и ведомой, — которые образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнитных материалов и имеет одну или несколько обмоток возбуждения.

Различают фрикционные муфты и асинхронные (индукционные) муфты. Во фрикционных муфтах передача вращения происходит за счет силы трения между ведущей частью, закрепленной на валу электродвигателя, и ведомой частью, которая может перемещаться вдоль вала рабочего механизма на шлицах или шпонке. При подаче тока в обмотку возбуждения создается магнитодвижущая сила и подвижная часть муфты прижимается к неподвижной. Такая муфта работает как электромагнит. Для передачи значительных моментов используются многодисковые конструкции электромагнитных муфт. Как на ведущем, так и на ведомом валу имеется несколько стальных дисков, которые под действием МДС притягиваются друг к другу и благодаря трению их поверхностей передается вращение. Соприкасающиеся поверхности фрикционных муфт выполняют из специального материала — сплава фер-радо, имеющего коэффициент трения в 3—4 раза больший, чем у стали.

Различают конструкции электромагнитных фрикционных муфт с неподвижной катушкой электромагнита и с вращающейся катушкой.

В маломощных муфтах (рис. 21.6, а) ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты не имеют обмоток, но одна из них (обычно ведомая) может перемещаться вдоль вала по шпонке или шлицам. Обе муфты окружены неподвижной катушкой электромагнита 3, которая при подключении к напряжению создает магнитный поток. Возникающие электромагнитные силы прижимают ведомую полумуфту к ведущей. Момент трения между полумуфтами должен быть больше момента нагрузки на ведомом валу. При

171

172

отключении катушки муфты неподвижная полумуфта отжимается от подвижной с помощью пружины (на рисунке не показана). Обычно эта же пружина прижимает полумуфту к тормозным поверхностям, что

обеспечивает быструю остановку ведомого вала. В мощных муфтах (рис. 21.6, б) для увеличения величины передаваемого момента в подвижной части муфты используется несколько стальных дисков 2, имеющих свободу перемещения вдоль оси вращения ведущего и ведомого валов. Соответствующее количество стальных дисков 1 жестко закреплено на ведущем валу. На этом же валу закреплена катушка электромагнита 3, подача тока к которой осуществляется с помощью контактных колец и щеток. Электромагнитные силы притягивают подвижные диски к неподвижным. Большая площадь соприкосновения обеспечивает большой момент трения.

В электромагнитных муфтах с ферромагнитным наполнителем (рис. 21.6, в) передача вращения осуществляется за счет того, что зазор между ведомой 1 и ведущей 2 полумуфтами заполнен смесью 4 из зерен ферромагнитного материала и наполнителя. При пропускании тока через катушку 3 муфты создается магнитный поток, заставляющий ферромагнитные зерна ориентироваться вдоль силовых линий и образовывать мостики, связывающие ведущую и ведомую полумуфты. Зерна ферромагнитного материала имеют размеры от 4 до 50 мкм. Наполнитель может быть сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторные и силиконовые масла, фтористые соединения).

Электромагнитные муфты с ферромагнитным наполнителем более надежны, чем фрикционные, имеют меньшее время срабатывания (до 20 мс). Необходима регулярная смена наполнителя.

В электромагнитных индукционных муфтах передача вращающего момента происходит

электромагнитные полюсы 1 с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Она называется индуктором и конструктивно выполнена подобно ротору синхронного генератора. Другая часть муфты имеет короткозамкнутую. обмотку 2, аналогичную роторной обмотке .асинхронного двигателя. Эта часть называется якорем. При вращении индуктора в обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с

— частота вращения ведущего вала,—скольжение. Величина скольжения обычно

172

173

составляет Если момент нагрузки приводного механизма оказывается больше максимального

момента муфты, то происходит опрокидывание— вращение ведомой части прекращается. Благодаря способности к опрокидыванию муфта может защитить приводной двигатель от больших перегрузок. Величина вращающего момента, передаваемого муфтой, зависит от магнитного поля возбуждения. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать величину критического момента муфты. Разница в скоростях вращения ведомой и ведущей частей асинхронной муфты принципиально необходима для создания вращающего момента на ведомой части. Поэтому асинхронные муфты называют еще электромагнитными муфтами скольжения. Они получили наибольшее распространение в качестве элемента регулируемого автоматизированного электропривода переменного тока, включающего помимо муфты нерегулируемый электродвигатель и систему автоматического регулирования тока возбуждения муфты. К достоинствам такого привода с муфтой скольжения относятся простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокая надежность. Но с увеличением скольжения растут потери мощности и КПД привода снижается.

173

174

ЛЕКЦИЯ 22. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (МПТ)

§ 8.1. УСТРОЙСТВО И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МПТ

Машины постоянного тока (МПТ) представляют собой посуществу синхронные электрические машины, снабженные коммутирующими устройствами. В зависимости от типа коммутатора различаются коллекторные и вентильные МПТ. Коллекторные МПТ выполняются обычно по конструктивной схеме с вращающимся якорем и неподвижными полюсами индуктора (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Устройство машины постоянного тока малой мощности.

1 — пакет якоря; 2 — обмотка якоря; 3 — главный полюс; 4 — обмотка возбуждения; 5 — магнитопровод статора; 6 — коллектор; 7 — щетка; 8 — щеткодержатель; 9 —коробка выводов; 10 — крепление токовывода; //, 12 — подшипниковые щиты; 14 — шарикоподшипники; 15 — вал ротора; 16 — фланец.

В генераторном и двигательном режимах работы МПТ электромеханическая коммутация тока обеспечивается щеточно-коллекторным аппаратом: по внешнему участку цепи якоря протекает постоянный ток, а по внутреннему ее участку (обмотке якоря) переменный. Бесконтактные вентильные МПТ снабжаются полупроводниковыми коммутаторами и выполняются с неподвижными обмотками якоря (и возбуждения) и вращающимися полюсами. Исходя из обобщенной теории электрических машин, в соответствии с принципом действия одноосной машины с неподвижными коммутирующими элементами (в простейшем случае - щетками), расположенными по поперечной оси q и обмоткой возбуждения, ориентированной по продольной оси d без учета зубчатого строения якоря, электрических и магнитных нелинейностей можно

174

175

записать систему уравнений рабочего процесса МПТ.

Уравнение равновесия напряжений цепи индуктора (возбуждения) (8.1)

Уравнение равновесия напряжении цепи якоря (8.2)

Уравнение движения ротора (8.3)

Сопротивления Rв, Rя и индуктивности Lв, Lя принятыпостоянными.

Верхние знаки слагаемых в (8.2), (8.3) соответствуют генераторному режиму работы МПТ, нижние — двигательному. Различие знаков физически обусловлено противоположными направлениями токов iя в этих режимах. Момент М = ±Мc — Mо включает внешний статический момент Мс активный для генераторов (знак плюс) и реактивный для двигателей (знак минус), а также момент Мо механических и магнитных потерь. Знак динамического момента в правой

части (8.3) определяется угловым ускорением Приведенный к оси ротора момент инерции вращающихся масс J принят постоянным. Для генератора напряжение на нагрузке, содержащей последовательно включенные элементы Rн, Lн, Cн составляет:

формально при d/dt=0) режимы работы МПТ. На элемент dх дуги полюсного деления

D/2pякоря с диаметром D и осевой длиной l приходится

последовательно соединенных проводников обмотки, причем N —общее число проводников, 2а — число параллельных ветвей обмотки, 2р — число полюсов МПТ. ЭДС якоря

175

176

где — окружная скорость якоря; — коэффициент ЭДС. Интегрирование индукции В (х) на поверхности якоря в пределах дает магнитный поток полюсного деления:

Электродвижущую силу якоря МПТ можно представить также

в форме:

подобной записи действующего значения ЭДС фазы СМ с частотой f=pn, если принять kф=kоб=1

Электромагнитный момент МПТ рассчитывается по электромагнитной мощности:

В установившемся режиме:

§ 8.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

Независимое возбуждение. Анализ переходных процессов важен для оценки электромагнитного быстродействия систем возбуждения МПТ. Рассмотрим процесс включения обмотки возбуждения на постоянное напряжение uв=Uв при XX (iя = 0) без учета влияния вихревых токов в массивных частях МПТ и насыщения магнитопровода ( =const). Введем обозначения Tв = Lв/Rв и (здесь Iв0 — установившееся значение тока возбуждения при XX). Разделив уравнение (8.1) на Uв =RвIв0. представим его в безразмерной форме

176

177

(8.4)

С учетом начального условия (0) = 0 решение (8.4) имеет вид:

(8.5)

где —число витков и коэффициент

рассеяния обмотки возбуждения.

В общем случае зависимость Ф = Ф (iв) нелинейна и Lв = var уменьшается из-за насыщения. Вихревые токи по принципу Ленца приводят к некоторому замедлению роста Ф (t) в начальный период и некоторому ускорению роста iв (t), но они затухают относительно быстро и в завершающей стадии процесса влияние вихревых токов мало. Рассматривая ненасыщенные МПТ как элементы систем авторегулирования, при XX их можно представить в виде апериодического звена. На основании (8.1) передаточная функция МПТ(при отсутствии тока в цепи якоря)

Самовозбуждение генератора. Обмотка индуктора может подключаться параллельно якорю или последовательно с ним. При выполнении обмотки возбуждения из двух частей можно осущеществить смешанное (параллельно-последовательное) возбуждение МПТ.

Проведем анализ самовозбуждения генератора с параллельной обмоткой индуктора при XX и частоте вращения п =const. На основании уравнений (8.1) и (8.2) при и=uв в рассматриваемом случае имеем:

(8.6)

Начальный участок магнитной характеристики принимается линейным ( =const). Для (8.6) характеристическое уравнение p+a1=0 позволяет с помощью критерия Гурвица определить условия неустойчивости начального состояния

i(0)=0, т.е.самовозбуждения: а1<0 или Rв+Rя< поскольку индуктивности Lв >0 и Lя >0 Обычно сопротивление Rв >> Rя, поэтому внутренние условия самовозбуждения

формулируются в виде (при заданном п) либо n >

причем -критические параметры. Предполагается выполнение внешних условий самовозбуждения: согласованность направления вращения якоря и подключения обмотки возбуждения при определенном

177

178

направлении остаточного (гистерезисного) магнитного потока полюсов. Этот поток выполнят роль возмущающего фактора, вызывая начальную ЭДС вращения в якоре и

магнитной характеристики аппроксимируем уравнением прямой Согласно (8.1) и (8.2) при t или при d/dt = 0 имеем Установившийся режим c

i=Iв0>0 существует, если Rв + Rя > Исследование этого режима по уравнению

первого (линейного) приближения дает условие устойчивости также в виде обеспечивается насыщением магнитной цепи.

§ 8.3. УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРУЗКИ

Для режима нагрузки генераторов и двигателей постоянного тока (ГПТ и ДПТ) характерны проявление реакции якоря и процесс коммутации тока якоря. Рассмотрим их применительно к коллекторным конструкциям МПТ. Поперечная реакция якоря. В индукционных машинах и трансформаторах проявление реакции якоря состоит в увеличении тока первичной цепи при возрастании нагрузки (тока вторичной цепи). В СМ характер реакции якоря определяется коэффициентом мощности: видом нагрузки генератора или степенью возбуждения двигателя. Реакция якоря в ГПТ и ДПТ зависит от расположения щеток на коллекторе относительно плоскости, соответствующей геометрической нейтрали. Реакция якоря в кондукционных машинах (СМ и МПТ) в общем случае приводит к изменению магнитного потока по продольной оси и изменению ЭДС машины. Вследствие этого изменяются напряжение генераторов и частота вращения двигателей. На рис. 8.2 показаны упрощенные картины магнитных потоков полюсов возбуждения и обмотки якоря при расположении щеток условно на поверхности якоря в геометрической нейтрали. Поле якоря в этом случае поперечное, ось его полюсов NяSя совпадает с

поперечной осью q или геометрической нейтралью, а МДС Fя=Fяq называется МДС поперечной реакции якоря. Ось поля возбуждения совпадает с продольной осью машины d.

Результирующее поле при нагрузке (рис. 8.2, в) несимметрично относительно

178

179

осей q и d. Физическая нейтраль (ФН) смещается на электрический угол от оси (ГН) по направлению вращения якоря генератора nГ против направления вращения якоря двигателя nд. Действие МДС Fяq в ГПТ ослабляет магнитное поле под «набегающей» на якорь половиной полюса и усиливает его под «сбегающей» половиной. В ДПТ поле

обмотки якоря и заданной полярности полюсов N и S направления вращения nГ и nд противоположны.

На схеме-развертке для пары полюсов магнитной цепи (рис. 8.3) кривая В (х)

сумма которых в каждой параллельной ветви обмотки между щетками равна нулю. Для ненасыщенной магнитной системы кривая Вн (х) = В (х) + Вя (х) проходит через нулевое значение на расстоянии . В ненасыщенной продольный поток не изменяется

При насыщении полем Вн (х) магнитной цепи (в основном зубцового слоя) вследствие нелинейности магнитной характеристики имеет место индукция Вн (х) < В (х) + Вя (х) точек расположенных оси d на рис. 8.3. Заштрихованная площадка под графиком Вн (х) пропорциональна уменьшению магнитного потока вследствие поперечной реакции якоря:

179

180

Рис. 8.3. К анализу поперечной реакции якоря МПТ без дополнительных полюсов.

Для сохранения при нагрузке таких же значений Ф = Ф0 и Е = Е0, как при XX, повышают МДС возбуждения на которая определяется при расчете приближенными методами количественного учета продольного размагничивающего эффекта поперечной реакции, известными из ряда учебных руководств по проектированию, МПТ. Искажение поля вследствие поперечной реакции якоря может обусловить искрение на коллекторе из-за ухудшения коммутации. Для предотвращения этого в ответственных случаях применяют компенсационную обмотку. Она располагается в пазах полюсных наконечников и включается последовательно и встречно (по току ) с обмоткой якоря в пределах каждого полюсного деления.

При этом

Уменьшение продольного потока на из-за насыщения приводит к некоторому снижению ЭДС и напряжения генераторов, к увеличению частоты вращения двигателей. Искажение распределения поля обусловливает рост добавочных потерь в

180