Электромеханика (стр. 1 из 3)

Введение.

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях

промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется

их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным

моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании

и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты

вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов,

например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих

электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией

управления производственными процессами и механизмами расширяется область

применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью

от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются

реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают

ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть

электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока

применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает

30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода

различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до

десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200

различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока

широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для

привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются

для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов.

Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов

постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в

постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных

установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и

гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных

генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока

(возбудителей).

В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока

разделяются на несколько типов ( с независимым, параллельным,

последовательным и смешанным возбуждением).

Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин

переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

Основные элементы конструкции МПТ

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с

заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины

постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения

1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1). По

проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В

результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается

электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить

взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на

шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2). Одна

сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая —

располагается

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока:

1 — обмотка возбуждения; 2 — полюсы;

3 — ярмо; 4 — полюсный наконечник; 5

— якорь; 6 — проводники якорной обмотки; 7

— зубец якорного сердечника; 8 — воздушный зазор машины

Рис. 2. Полюс машины постоянного тока:

2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор;

3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения 5

— болт для крепления полюса; 6 — ярмо

вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим

воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается

так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются

таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном

зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых

машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных

магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток,

называется ярмом.

Основная часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой

возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N

, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря

5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной

последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо

3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф

проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции.

Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

двухполюсной машины в функции геометрического угла α.

Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение

индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция

возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного

наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке

b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции

располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с,

находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция

меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением

относительно оси абсцисс кривой oabc.

Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение,

чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов.

Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных

периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине

поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в

четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода

(рис. 4). В теории электрических машин, кроме угла αг

, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла

αэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что

каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции

соответствует электрический угол αэ=360 эл.

град или 2π эл. рад. Поэтому

αэ=ραг (1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем αэ=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с.

Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника

Рис. 3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с.

проводника якорной обмотки во времени:

а — пространственное распределение индукции под полюсом; б

— изменение э.д.с.. проводника во времени; в — выпрямленное при

помощи коллектора напряжение на щетках

e=Bαlν, (2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в

которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д.

с., м;

v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:

а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре

При работе машины длина l активного проводника сохраняется

неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const)

имеем

e≡Bα. (3)

Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение

э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем

масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре В

α, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во

времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная

э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки

индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n

— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в

минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот

ротора под проводником пройдет р пространственных волн

магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз

больше, т. е.

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает,

что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее

вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность

электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w,

выраженное через механическую скорость вращения

Имеем

(5)

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор,

представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный

ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь.

Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между