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