Машины постоянного тока параллельного возбуждения

Министерство образования РФ


                     ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Факультет                   Автоматики и электромеханики
Кафедра     Электрические машины и аппараты



              МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ


                Реферат по дисциплине «Электрические машины»



Исполнитель

студент группы 7А91    _____________________Вакер В.С.
                                 (подпись, дата)


Руководитель

доцент, к.т.н.              _____________________Игнатович В.М..
                                 (подпись)
                            _____________________
                                 (дата)



                            Томск-2002



                                  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
[pic]
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  ?.   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 ?г,  измеряемого  в  геометрических
градусах, пользуются также понятием угла  ?э,  измеряемого  в  электрических
градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения  кривой
распределения индукции соответствует электрический угол ?э=360 эл. град  или
2? эл. рад. Поэтому
            ?э=??г          (1)
например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем ?э=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=B?l?,          (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.
[pic]
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?B?.       (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?,
(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.

                            [pic]            (4)
    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
                            [pic]
имеем
                            [pic]            (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 собой  пластин,  которые,  вращаясь  вместе  с  обмоткой
якоря, поочередно  соприкасаются  с  неподвижными  щетками,  соединенными  с
внешней цепью.  Одна  из  щеток  всегда  является  положительной,  другая  —
отрицательной.
    [pic]
Рис.  5.  Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:
    1— медные пластины;  2 — виток  обмотки  якоря; 3 — щетки; 4 —  внешняя
электрическая цепь

    Простейший  коллектор  имеет  две  изолированные  между  собой   медные
пластины, выполненные в форме полуколец (рис.  5),  к  которым  присоединены
концы  витка  якорной   обмотки.   Пластины   коллектора   соприкасаются   с
неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической  цепью.
При работе машины пластины коллектора вращаются  вместе  с  витками  якорной
обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в  то  же  время,  когда
э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась  от
щетки одной полярности к щетке другой  полярности.  В  результате  этого  на
щетках возникает пульсирующее напряжение,  постоянное  по  направлению  (см.
сплошную кривую 1 на рис. 3, в).
    [pic]
Рис. 6. Устройство коллектора:
1 — корпус; 2 —  стяжной  болт,  3  —  нажимное  кольцо;  4  —  изоляционная
прокладка;  5  —  «петушок»  —  часть  коллекторной  пластины,   к   которой