Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Занятие 13
1.4. Электрические машины постоянного тока (6)
Цель: Сформировать знания о машинах постоянного тока и их применение в отрасли.
Тема: Машины постоянного тока: классификация, устройство и принцип действия
Общие сведения. По масштабам применения электри- ji | кие машины постоянного тока уступают более простым, !ы н'жным и дешевым машинам переменного тока, однако н ряде областей техники они незаменимы.
Электродвигатели постоянного тока применяются и качестве привода механизмов, требующих больших и-и ковых моментов и регулирования частоты вращения и широких пределах, например тяговых двигателей и > к'ктрическом транспорте, шахтных подъемниках, про- | п пых станах. Широкое применение находят машины и. и юянного тока в автоматических устройствах в качение измерителей частоты, преобразователей сигналов, hi пплнительных двигателей и т. д. В специальных устрой-
Двигатель постоянного тока изобрел в 1834 г. великий ру» 1'кий электротехник Б. С. Якоби.
Принцип действия генератора постоянного тока. I*. операторе происходит преобразование механической
энергии в электрическую (в соответствии с закон ностями, изложенными в § 3.7).
Рассмотрим принцип действия генератора постоян" тока (рис. 9.1). В соответствии с законом электро нитной индукции во вращающихся в магнитном витках (один из которых показан на рисунке) Н дится ЭДС.
Рис. 9.1
I
Верно ли, что эта ЭДС при неизменной частоте щения витков является постоянной? — а) да; б) t В § 4.1 описана работа генератора переменного ~ у которого в каждом витке вращающейся в магнит поле обмотки (см. рис. 4.1) возникает ЭДС, непреры изменяющая свои значения по синусоидальному зак- То же происходит и в генераторе постоянного т Для получения постоянной ЭДС генератор снабжа коллектором. На рис. 9.1 коллектор представляет с; две половины медного кольца, разрезанного точно?, линии, проходящей через середину промежутка ме' полюсами, по так называемой г ео м ет р и ч е с к' нейтрали. Половины кольца электрически связ~ с концами витка, изолированы друг от друга и находя в контакте с неподвижными щетками А и В. В поло нии, показанном на рисунке, индуцированная в ви ЭДС направлена во внешней цепи от щетки В к щетке После прохождения витка через нейтраль направдв ЭДС в витке изменяется на обратное, но при этом ВСЛ ствие перехода щеток на другие половины кольца про ходит переключение — коммутация — внешней Ц так, что ЭДС будет действовать во внешней цепи в прв
Ii.iправлении. В результате коллектор преобразует
е
пппг
tot
Рис. 9.2
ни ратора уменьшится. Это показано на рис. 9.3 при Пульсации ЭДС практически незаметны уже при И). В этом случае ток во внешней цепи генератора | по считать постоянным не только по направлению, и по численному значению.
1.1ким образом, коллектор представляет собой •.шический выпрямитель, преобразующий переменную
|
КАЛА |
||
|
Jv |
v|v |
Vi |
|
АА 7 |
b)t i- |
u)t
Рис. 9.3
' И . в постоянную. Существуют и другие способы пре- чования переменного тока в постоянный, например
Что целесообразнее применить в генераторе постоянного тока для преобразования переменного тока в постоянный: в) коллектор? г) полупроводниковый выпрямитель? Коллектор машины постоянного тока является са1 ответственной в эксплуатации деталью, так как его ск зящий контакт требует постоянного наблюдения и узе' очистки от пыли, нагара, поддержания оптималь ' давления между трущимися поверхностями, замены ■ сившихся щеток. Этих недостатков лишены полупре никовые выпрямители, не имеющие движущихся ча~ и обеспечивающие бесконтактное выпрямление т"‘ Поэтому в настоящее время существует тенденция зам генераторов с коллекторами на генераторы переме го тока с полупроводниковыми выпрямителями, на мер в электрооборудовании автомобилей, кораблей, ей: летов.
При холостом ходе генератора ток якоря равен н и приводной двигатель преодолевает только моме; трения. При нагрузке генератора на проводники с ток обмотки якоря действует электромагнитная сила, созд щая тормозной момент, направленный навстречу вращ' щему моменту приводного двигателя (см. рис. 3 При этом чем больше мощность приемников эле ческой энергии, подключенных к генератору, тем бо ток в обмотке якоря и силы, препятствующие враще Соответственно увеличиваются и затраты механиче 1 энергии на вращение якоря генератора. к
Принцип работы двигателя постоянного тока. В д гателе происходит преобразование электрической энер в механическую (в соответствии с закономерности изложенными в § 3.8).
Учитывая принцип обратимости электрических мащ упрощенную модель генератора (рис. 9.1) можно испг зовать в качестве электродвигателя. Для этого к щет^ А я В вместо электрической лампы необходимо под" чить источник постоянного напряжения U. В резул ’ через обмотку якоря, имеющую сопротивление /?я, гг чет ток /я.
Взаимодействие этого тока с магнитным полем буждения машины создает электромагнитные силы, водящие якорь во вращение.
I Верно ли, что при работе двигателя ток якоря /*
I =(//#„?— д) да; е) нет.
В соответствии с формулой (3.27) в проводниках мотки якоря возникает противоЭДС, направленная К встречу току и приложенному к двигателю напряжен поэтому ток якоря
При каком режиме противоЭДС имеет максимальное значение: ж) при холостом ходе двигателя?
О при номинальной нагрузке двигателя?
ПротивоЭДС является фактором, регулирующим нирсбление мощности. При холостом ходе вращающему ти пту противодействуют только моменты трения и ча- ПИ.1 вращения якоря достигает наибольшего значения, "(н миму противоЭДС имеет максимальное значение. При *" Iчм она почти полностью уравновешивает напряжение tin и ток якоря минимален. При подключении механист кон нагрузки частота вращения якоря уменьшается, fiu'iiir, уменьшается противоЭДС. Это приводит к увели- тока якоря по формуле (9.1) и мощности, потребит мой двигателем из сети.
Устройство машины постоянного тока. Конструкция м.шшпы постоянного тока (рис. 9.4) в основном такая же,
|* || и других электрических машин. Она имеет неподвиж- н\ и | часть — статор, который состоит из станины 1, магии I ПЫХ полюсов 2, подшипниковых щитов 3 и подшип- нииш 4. Внутри статора находится ротор, состоящий из и рпсчника якоря 8, коллектора 7, вала ротора 5 и венти- мми.рл 6. Опорой ротора служат подшипники, укреплении! и боковых щитах.
Из какого материала целесообразнее выполнять станину машины постоянного тока: и) из стали? к) из алюминия?
| I пнина является несущей частью машины, на кото- !•• • п размещаются все остальные детали. Изнутри к станине крепятся главные полюсы 2. Полюс состоит из
Кроме главных полюсов, имеются добавочные п (цельный сердечник И и на нем обмотка), предн ченные для улучшения коммутации. Обмотка добав полюсов включается последовательно с обмоткой и выполняется из толстого медного провода.
Обмотка якоря машины постоянного тока во м~ похожа на обмотку статора асинхронной машин*’ в отличие от нее замкнута на себя. В зависимо© порядка соединения секций между собой разл' петлевую (рис. 9.5, а) и волновую (рис. 9.5,6) об:
а л - В п
Рис. 9.5
Их нетрудно различить, если следовать от одной се к другой по схеме обмотки. Начало каждой последу секции обмотки соединено с концом предыдущей с и соответствующей пластиной коллектора. Следоват при перемещении от одной секции к другой по я одновременно делают шаг по коллектору (г/к).
Коллектор выполняется из медных пластин, к КСГ присоединяются начала и концы секций. Число ПЛ равно количеству секций обмотки. Коллекторные пла изолированы друг от друга и от других деталей ЭЛ изоляционными миканитовыми (слюдяными) пр© ками.
К рабочей поверхности коллектора прилегают у
ип графитовые или металлоугольные щетки, закрепленные в специальных щеткодержателях.
Ответы: б, г, е, ж, и.
?
1. Каков принцип действия генератора и двигателя постоянного тока? 2. От каких факторов зависит мощность машины постоянного тока? 3. Какова роль противоЭДС в работе электродви-
/ Как рассчитать ток якоря электродвигателя?
Ранее отмечалось, что в соответствии с принципом поратимости электрическая машина может работать и режиме генератора или электродвигателя и что в обоих Режимах в обмотке якоря наводится ЭДС. Руковод-
н частоте вращения якоря п:
Е = пФ. (9.2)
Учитывая то, что в сопротивлении обмотки якоря /Л, нагруженной машины имеет место падение напряжения I„Rя, напряжение на обмотке якоря не равно ее •НС.
Как выразить это напряжение через ЭДС при работе машины в режиме электродвигателя: a) V = E-\- + /я£я? б) U = E~LRJ При работе машины в режиме электродвигателя дей-
U = E + hRa. (9.3)
При работе машины в режиме генератора в соответ-
U = Е — IaRa. (9.4)
На проводники с током обмотки якоря нагруженной м мпнпы со стороны магнитного поля полюсов действуют s и Iиромагнитные силы (тормозные у генератора и дви- imuhc у электродвигателя). Эти силы обусловливают s н н I ромагнитный момент машины Мэм.
Верно ли, что этот момент пропорционален маг* ному потоку машины Ф и току якоря /„? — в) г) нет.
В соответствии с формулой (3.13) работа электй магнитных сил определяется по формуле А = /Ф. Поэт<^| электромагнитный момент машины
МЭм-/яФ. (9
При холостом ходе магнитное поле машины сим*г| рично относительно оси полюсов (рис. 9.6), физичеси нейтраль (плоскость, проведенная через точки на пов€ ности якоря, где магнитная индукция равна нулю) сов дает с геометрической нейтралью п — п'
В нагруженной машине (/„ Ф 0) обмотка якоря создЦ вторичное магнитное поле.
Как направлено это магнитное поле: д) навстр магнитному . потоку полюсов? е) в одну сторО с ним? ж) перпендикулярно к нему?
Рис. 9.6
( {
щ;'|Ч\чHh.nl
l&ttirUr
Вторичное магнитное поле якоря направлено перпендикулярно к оси полюсов (рис. 9.7, а). В результате наложения вторичного поля на основное образуется результирующее несимметричное магнитное поле (рис. 9.7,6), т. е. под одним краем полюса магнитная индукция уменьшена (так как поля направлены противоположно друг другу), а под другим краем — увеличена. Влияние вторичного магнитного поля якоря на магнитный поток машины называют реакцией якоря.
Как влияет реакция якоря на работу генерато! з) приводит к уменьшению ЭДС? и) увеличи! ет ЭДС?
Как влияет реакция якоря на работу электрод гателя: к) приводит к уменьшению вращаюн момента? л) увеличивает вращающий момент?
В связи с перераспределением магнитной индукИ в воздушном зазоре (за счет реакции якоря) проиСХО смещение физической нейтрали f — f' на некоторый угол! Это существенно ухудшает рабочие свойства маШ! постоянного тока. Если щетки установлены на гео» ческой нейтрали, а физическая нейтраль смещена»
Рис. 9.7
ял.потея условия для возникновения искрения на коллек- in|H‘. Этому способствует и местное увеличение маг- ||ц I пой индукции под одним краем полюса, так как увеличив лютея мгновенные значения ЭДС в секциях и напряжения между соседними коллекторными пластинами, что *ы,кет привести к возникновению дуговых разрядов между и мггинами и даже кругового огня на коллекторе. Более /и I ильный анализ показывает, что в машине с насыщенной | iu темой действие реакции якоря приводит к уменьшению 1|" чпей магнитной индукции под полюсом. Размагни- чнп.нощее действие усиливается при смещении щеток I Iеометрической нейтрали.
Hi метим также, что при коммутации (переключении еекций обмотки якоря при помощи коллектора из h i hi iii ветви в другую) в момент размыкания секции между uni кий и пластиной коллектора возникает искра. Она tmVi ,'ктлена реактивной ЭДС ер, состоящей из ЭДС самоиндукции (связанной с изменением тока данной секции), »М' кзаимоиндукции (связанной с изменением тока в Фугих секциях) и ЭДС вращения (наводимой вслед-
t in ого, что из-за реакции якоря магнитная индукция
ни Iei(метрической нейтрали не равна нулю). Ток искры ми и по уменьшить путем увеличения сопротивления щеточ- Иш п контакта, для чего применяют твердые щетки — ! |><и|||| I иые, металлоугольные. Но наиболее действенный ммн/1 улучшения коммутации заключается в устранении реактивлой ЭДС в короткозамкнутых секциях обмс путем установки добавочных полюсов. Эти пол; создают в зоне коммутации (в зоне геометрическ нейтрали) добавочную магнитную индукцию такой ве." чины и направления, чтобы в переключаемых секци наводилась ЭДС, направленная навстречу реактив^ ЭДС ер.
Ответы: а, в, ж, з, к.
С\ 1. В чем сущность принципа обратимости электрических маш j 2. Как выражается напряжение на зажимах машины через Э якоря? 3. От каких факторов зависит электромагнитный мо машины? 4. Что такое реакция якоря? 5. Как влияет реакция як на работу машины? 6. Почему при коммутации между щеткой и а стиной коллектора возникает искра? Каковы пути борьбы с искрение
Для работы генератора необходим возбуждаю ЭДС магнитный поток. Он может быть создан или постоя ными магнитами или электромагнитным путем.
Генераторы с возбуждением постоянными магнита (у которых полюсы — постоянные магниты) называют магнитоэлектрическими.
В генераторах с электромагнитным возбуждением м нитный поток создается за счет тока возбуждения протекающего в обмотке возбуждения. Различают ге: раторы с независимым возбуждением, в которых обмот возбуждения получает питание от постороннего источни
pin (" ни постоянного тока (рис. 9.8, а), и генераторы I ч мовозбуждением, в которых питание обмотки возбуж- 111п1 производится от самого генератора.
Генераторы с самовозбуждением в свою очередь под- iii пи'ляются на: 1) генераторы параллельного возбужде- |цн (шунтовые), у которых обмотка возбуждения при- fi» пшена параллельно обмотке якоря (рис. 9.8,6); |) генераторы последовательного возбуждения (сериес- у которых обмотка возбуждения присоединена |tn ледовательно обмотке якоря (рис. 9.8, в); 3) генера- ^<>1>ы смешанного возбуждения (компаундные), имеющие ||н- обмотки возбуждения: одну — включенную парал- и.по обмотке якоря, а другую — последовательно ||ии . 9.8,г).
Если у генератора (рис. 9.8,а) оборвать цепь возбуждения (/в = 0), то ЭДС якоря станет равной нулю? — а) да; б) нет.
Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения Е называется хар актер истиной холостого хо- генератора (рис. 9.9). Ее обычно строят по опытным
при испытании генератора, увеличивая ток воз-
[fi\ ждения /„ от нуля и поддерживая номинальную частоту [Пр.ицения генератора. .
Поскольку при /в = 0 сердечники полюсов и станина !||м|>;шяют небольшой магнитный поток остаточного маг- mi мима, в обмотке якоря индуцируется остаточная •К С0.
Характеристика холостого хода (рис. 9.9) представ- лн' I собой изображенную в другом масштабе часть петли i in п резиса (см. рис. 3.8) магнитной цепи генератора и имеет такой же вид, как зависимость В{Н), так как I - И, а # = /„.
о, I лепия /в, который подмагничивает машину, увели-
Рис. 9.10
и
чивая ее магнитный поток Ф. Это в свою очередь пр; дит к увеличению ЭДС и последующему росту • возбуждения, магнитного потока, вновь ЭДС и т. д. В растающей ЭДС оказывает противодействие паде:. напряжения в цепи возбуждения /в/?а. s
I При каком условии происходит возрастание Э J в) £</вЯв? г) £>/вЯв?
Процесс самовозбуждения генератора закончи^ тогда, когда ЭДС станет равной падению напряже в обмотке возбуждения. При этом установится опре ленное значение напряжения на зажимах генератор равное ЭДС. Чтобы это напряжение увеличить, необ^ димо уменьшить добавочное сопротивление в цепи обм ки возбуждения, т. е. уменьшить IBRe, противодейств; щее ЭДС.
Следует отметить, что самовозбуждение генерато" может не произойти при малой частоте вращения ге^ ратора (малой Еа), или при большом сопротивлей' цепи обмотки возбуждения, или в том случае, если м' нитный поток, вызываемый током возбуждения, нап] лен встречно потоку остаточной магнитной индую.
В последнем случае необходимо изменить направле тока /в на обратное, поменяв полярность подключе обмотки возбуждения.
Зависимость напряжения на зажимах генератора тока нагрузки 11{1) при постоянной частоте вращен и постоянном сопротивлении цепи возбуждения назыв ется внешней характеристикой.
В соответствии с формулой (9.4) внешняя характер’ стика генератора описывается уравнением U = Е — /я ~ представляющим собой прямую линию 1 (рис. 9.10) п условии, что Е имеет постоянное значение. Однако п увеличении тока якоря увеличивается его магнитн' поток, оказывающий, по закону Ленца, размагничив ; щее действие на поле возбуждения машины, что уме^ шает ЭДС и напряжение генератора. Поэтому внешн характеристика генератора имеет вид кривых 2 и Верно ли при этом, что кривая 2 (рис. 9.10) внешняя характеристика генератора независим возбуждения, а кривая 3 — генератора параллел" ного возбуждения?—д) да; е) нет.
При независимом возбуждении генератора ток возбу ' дения не зависит от нагрузки. У генератора параллел ного возбуждения при уменьшении напряжения (по ук занной выше причине) уменьшается ток возбуждени
Верно ли, что генератор последовательного возбуждения (см. рис. 9.8, в) имеет внешнюю характеристику, подобную внешней характеристике генератора параллельного возбуждения? — ж) да; з) нет.
Ток возбуждения генератора последовательного возбуждения равен току нагрузки, поэтому увеличение этого ижа приводит к возрастанию магнитного потока возбуждения, а значит, к увеличению ЭДС и напряжения генератора (рис. 9.11).
Каковы достоинства генератора смешанного возбуждения в сравнении с генератором параллельного возбуждения? — и) меньше ток возбуждения; к) меньше колебания напряжения при изменении тока нагрузки.
В генераторе смешанного возбуждения размагничи- и.иощее действие тока якоря компенсируется подмаг- ничивающим действием тока возбуждения последова- П'льной (сериесной) обмотки возбуждения. В резуль- itiro напряжение генератора почти не изменяется при ыин'баниях тока нагрузки. Это является важным достоин- миом, обусловившим более широкое применение гене- ригоров смешанного возбуждения.
Нели сериесную и шунтовую обмотки возбуждения |гнератора включить так, что их магнитные потоки будут направлены встречно, то при увеличении тока нагрузки ншок сериесной обмотки размагничивает машину, что принодит к резкому уменьшению напряжения. Такие машины используются в качестве сварочных генераторов, in** требуется относительное постоянство сварочного тока При изменении напряжения в широких пределах вплоть до жнчений, близких к нулю (когда электрод касается мяриваемой детали). С\ 1. Поясните, как происходит самовозбуждение генерад$ ^ постоянного тока? 2. Какие схемы возбуждения генераторов,! знаете? 3. Чем отличаются характеристики холостого хода раторов независимого и смешанного возбуждения? 4. Чем отличай внешние характеристики генераторов параллельного и последовать ного возбуждения? 5. Каковы достоинства генераторов смешан» возбуждения? Где применяются эти генераторы?
6