Тема 9.2: «Двигуни постійного струму»
Машина постійного струму складається з нерухомої частини - статора і частини , що обертається, - ротора, розділених повітряним зазором.
Статор складається із станини, головних і додаткових полюсів.
Станина машини постійного струму служить для кріплення полюсів і підшипникових щитів і є частиною магнітопровода, оскільки через неї замикається магнітний потік машини.
Магнітне поле в машині створюється силою обмотки збудження, що намагнічує, виконуваної у вигляді полюсних котушок, надітих на сердечники головних полюсів.
Якір машини постійного струму складається з валу, сердечника, обмотки і колектора.
У системах управління, як виконавчі пристрої, часто застосовуються двигуни постійного струму.
Управління двигуном постійного струму виробляється шляхом зміни напруги Uя, прикладеної до ланцюга якоря, при незмінному потоці збудження або шляхом зміни потоку збудження при незмінній напрузі Uя, прикладеному до ланцюга якоря.
З теорії електричних машин відомо, що струм в ланцюзі якоря iя, потік збудження Фв, обертаючий момент Мвр, швидкість обертання валу двигуна W і проти електрорухома сила еп, що наводиться в обмотці якоря, в сталому русі зв'язані наступними залежностями:
е п = С е Фв W,
Mвр=Сm Фв iя ,
(1)
Uя= iяRя+ е п,
де: -8
рN 10
С е = ,
2 a
Cе
Cm= .
9,81
Тут: N - число провідників якоря;
а - число пар паралельних гілок ;
р - число пар полюсів;
Rя – активний опір ланцюга якоря.
Виключаючи з рівняння (1 ) еп і iя одержимо
Сm Се Сm 2
Мвр = Фв Uя- Фв W . (2 )
Кя Rя
Ця формула визначає механічну характеристику двигуна постійного струму.
При управлінні шляхом зміни напруги, прикладеної до ланцюга якоря, струм збудження Фв постійний, а управляючим вхідним сигналом є Uя. В цьому випадку, як видно з (2), обертаючий момент двигуна лінійно пов'язаний з управляючим сигналом. Це дозволяє плавно змінювати швидкість двигуна в широкому діапазоні.
При управлінні шляхом зміни потоку збудження Uя= const, а управляючим сигналом є Фв. В цьому випадку обертаючий момент нелінійно залежить від управляючого сигналу.
Проте практично при управлінні двигуном за допомогою потоку збудження передбачаються заходи (у ланцюг якоря включається додатковий опір), забезпечуючи незалежність струму в якірному ланцюзі від кутової швидкості вала W. Тому в цьому випадку можна нехтувати другим доданкам в правій частині формули (2) і прийняти лінійну залежність обертаючого моменту від управляючого потоку:
Сm
Мвр Фя Uя.
Rя
Для визначення динамічних характеристик двигуна складемо рівняння руху ротора двигуна: .
J W = Мвр -Ст W - Мс, ( 3 )
де : J - момент інерції всіх мас, що обертаються, приведений до ротора
двигуна,
Ст - коефіцієнт в'язкого тертя,
Мс - момент опору .
Підставляючи в рівняння (3) вираз обертаючого моменту (2) одержимо:
. Се С m 2 Cm
J W + ( Cт + Фв ) W = Ф в Uя - М с. (4)
R я Rя
Вихідною величиною може бути або кутова швидкість валу W, або кут повороту ротора двигуна а, визначуваний кінематичним рівнянням:
=W.
При управлінні першим способом вхідним сигналом двигуна є напруга Uя. В цьому випадку рівняння ( 4 ) може бути приведене у вигляді :
(Т 1 D +1) W = K1 Uя - Kc Мс, (5 )
де:
J Rя Cm Фв Rя
Т1=
, K1
= , Kc=
.
2 2 2
RяСт + СеСmФв RяСт + СеСmФв RяСт + СеСmФв
При управлінні другим способом вхідним сигналом двигуна є напруга
Uя, прикладена до обмотки збудження.
Управляючий потік Ф в і управляюча напруга U в зв'язані рівняннями:
L в i в d i в
Фв = , Uв = i в R в +Lв .
wв dt
Виключаючи з попередніх рівнянь Фв, i в, Мвр і рахуючи Мс = const одержимо:
( Т2 D +1 ) ( TвD +1 ) W =K2U в- K M M c, (6)
J Lв Cm Uя Lя 1
д е: Т2 = , Тв = , K2 = , Kм = .
Cт Rв wв Cт R я Rв Ст
Рівняння (5) і (6) написані для випадку, коли вихідним сигналом двигуна є кутова швидкість W. З цих рівнянь виходить, що двигун постійного струму з незалежним збудженням є лінійною динамічною системою.
Порівняння динамічних характеристик двигуна при першому і другому способах управління дозволяє зробити висновок, що швидкодія двигуна при управлінні зміною потоку збудження менше, ніж при управлінні зміною напруги на якорі. Це пояснюється тим, що при управлінні другим способом на швидкодію двигуна робить вплив не тільки електромеханічна постійна часу Т2, але і постійна часу ланцюга збудження Тв. По-друге, електромагнітна постійна двигуна при другому способі управління, більше, ніж при першому способі.
Пристрій асинхронних машин
Основні типи двигунів.
Асинхронні двигуни підрозділяються на два основні типи: з короткозамкнутим і фазним ротором (останні називають двигунами з контактними кільцями). Дані двигуни мають однакову конструкцію статора і відрізняються лише виконанням ротора.
Двигуни з короткозамкнутим ротором є найпоширенішими електропромисловість випускає їх десятками мільйонів в рік.
Наприклад, загальний вид асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором закритого виконання, що обдувається. На статорі розташована трифазна обмотка. Обмотка ротора виконана у вигляді білячої клітки, тобто Є короткозамкнутою.
Конструкція оболонки значною мірою залежить від виконання машини по ступеню захищеності і від вибраної системи охолоджування. У даній конструкції корпус машини для кращого охолоджування забезпечений ребрами. Відцентровий вентилятор, розташований на валу двигуна зовні оболонки машини, обдуває ребристий корпус двигуна. Вентилятор закритий повітря - направляючим кожухом.
Усередині машини повітря перемішується вентиляційними лопатнями, відлитими разом з коротко замикаючими кільцями. На корпусі кріпиться коробка висновків, в якій встановлена клемна панель з виведеними кінцями обмотки статора.
У могутніших двигунах для підвищення інтенсивності охолоджування повітря проганяється через аксіальні канали ротора окремим вентилятором або тим же вентилятором, який обдуває зовнішню поверхню машини. Для цієї мети при використовуванні одного загального вентилятора в аксіальні отвори ротора вставляють повітря - провідні трубки, укріплені в отворах опорних дисків, насаджених на вал ротора. Цим запобігає можливість проникнення до обмоток машини зовнішнього повітря, в якому міститься волога. Щити торців мають жалюзі для проходу і виходу назовні повітря.
Сердечник статора набирається з відштампованих кільце образних листів електротехнічної сталі завтовшки 0,35… 0,5 мм. У листах виштамповують пази для розміщення обмотки. У крупних машинах статор збирається з листів у вигляді сегментів. На листи з обох боків наноситься ізоляція. Листи в пакеті сердечника скріпляються дужками, зваркою або в крупних машинах шпильками. У машинах понад 400 кВт в сердечниках для кращого охолоджування звичайно є радіальні канали. Вони утворюються шляхом розділення сердечника по довжині на ряд пакетів і установкою між ними сталевих дистанційних прокладок, які приварюються до крайніх листів пакету.
У пази магнітопровода статора укладається обмотка, виготовлена з прямокутного або круглого дроту. Обмотки з прямокутного дроту виготовляють у вигляді жорстких секцій і укладають у відкриті або напіввідкриті пази. Обмотки з круглого дроту всипають звичайно в пази, що напівзакривають, через шліц в пазу за допомогою спеціальних статорообмоточних верстатів. У високовольтних машинах корпусну ізоляцію котушок звичайно виконують у вигляді спресованої гільзи.
У сучасних асинхронних машинах використовують електроізоляційні матеріали класів нагревостійкості B і F,а для спеціальних машин, що працюють в тяжких умовах, - матеріали класу H .
У машинах розрізняють межвіткову і корпусну ізоляцію. Межвіткова ізоляція забезпечується ізоляцією самого провідника, що наноситься на нього в процесі виготовлення на кабельних заводах або при виготовленні електричної машини. Корпусна ізоляція відділяє провідники обмотки від корпусу електричної машини. Для неї використовують різні прокладки, гільзи або ряд шарів ізоляції, що наноситься на відповідну котушку до установки її в машину.
Ротор машини складається з пакету листів електротехнічної сталі з виштамповані пазами. У короткозамкнутих роторах пази заливаються алюмінієм, при цьому утворюються стрижні білячої клітки. Одночасно віділлють короткозамикачі кільця торців і вентиляційні лопаті. У крупніших і спеціальних машинах в пази ротора вставляються мідні стрижні, кінці яких упаюються в короткозамикачі мідні кільця. Пакет з алюмінієвою кліткою напрасовується на вал. Для роторів з мідною кліткою листи збираються безпосередньо на валу, а вже потім в пази пакету вставляються мідні стрижні.
Ротори двигунів обертаються в підшипниках, як правішало, застосовуються підшипники качання, в машинах понад 1000 кВт використовуються також підшипники ковзання. У разі потреби на валу встановлюється вентилятор. Підшипники закріплюються в підшипникових щитах, підшипникові щити кріпляться до корпусу статора.
Двигуни з фазним ротором знаходять значно менше застосування, ніж з короткозамкнутим ротором, і випускаються промисловістю головним чином у вигляді машин потужністю понад 100 кВт.
Наприклад, асинхронний двигун з фазним ротором захищеного виконання. Для кращого охолоджування магнітопровода статора і ротора в машинах великої і середньої потужності розділені на окремі пакети, між якими є вентиляційні канали. Вентиляційні лопаті, укріплені на лобових частинах жорстких секцій обмотки, засмоктують повітря в машину через отвори в щитах і викидають його через отвори в корпусі. Така вентиляція називається симетричною радіальною. Контактні кільця розташовані поза оболонкою машини, вивідні кінці обмотки ротора проходять через отвір у валу і підключаються до контактних кілець болтами. Щіткотримачі з щітками прикріпляються щітковою траверсою до щита.
У двигунах з фазним ротором в пази ротора укладають всипну обмотку з круглого дроту або обмотку, що складається з жорстких секцій, що укладаються у відкриті пази ротора, або ж обмотку із стрижнів, що вкладаються в пази, що напівзакривають, з торця. Три кінці від фазних обмоток приєднуються до контактних кілець, встановлених на вал двигуна.