Машины постоянного тока параллельного возбуждения

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

припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть

коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой

один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции

присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих

коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация

напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница

между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к

среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного

ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий.

Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину

постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в

многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно

проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится

переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

[pic]

Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока:

а — при двух витках на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у

которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной

обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в

постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся

вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в

значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря

возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения

двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на

транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-

транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока

широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для

привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве

тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока

применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей

постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и

электрохимических низковольтных установок.

Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного

возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются

равенствами (6) и (7) при U = const и iB = const. При отсутствии

дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются

естественными.

[pic] (6)

[pic] (7)

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Ia

поток Ф? несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря.

В результате этого скорость n, согласно выражению (6), будет стремиться

возрасти. С другой стороны, падение напряжения RaIa вызывает уменьшение

скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики,

изображенные на рис 8; 1 — при преобладании влияния RaIa; 2 — при взаимной

компенсации влияния RaIa и уменьшения; 3 — при преобладании влияния

уменьшения Ф?.

Ввиду того что изменение Ф? относительно мало, механические

характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые

равенством (7), при U= const и iB== const совпадают по виду с

характеристиками n= f(Ia) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики

практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости

работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка

падающими характеристиками вида 1 (рис. 8). В современных высоко

использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря

влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить

характеристику вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой

характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку

возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с.

параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф? под воздействием

поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую

последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель

с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного

возбуждения.

Изменение скорости вращения ?n (рис. 8) при переходе от холостого хода

(Ia =Ia0) к номинальной нагрузке (Ia=Iaн) у двигателя параллельного

возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет

2—8% от nн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими.

Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются

в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении

нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и

пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик

двигателя параллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока

производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rp в (см. рис.

11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rpa= 0) и U =

const характеристики n =f(Ia) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7),

для разных значений Rр.в. ,IB или Ф? имеют вид, показанный на рис. 9. Все

характеристики n =f(Ia) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при

весьма большом токе Ia, который равен

[pic]

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных

точках.

Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку.

Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам

пересечения рассматриваемых характеристик с кривой Мст=f(п) для рабочей

машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

Точка холостого хода двигателя (М = М0, Ia = Ia0) лежит несколько

правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращения n вследствие

увеличения механических потерь М0 и I00 также увеличиваются. Если в этом

режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать

скорость вращения n, то Еа=ceФ?т будет увеличиваться, а Iа и М будут,

согласно равенствам

[pic] и [pic]

уменьшаться. При Iа = 0 и М. =0 механические и магнитные потери двигателя

покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при

дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и двигатель перейдет в

генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси

ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование

скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с

регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8,

но в этом случае для ограничения максимального напряжения между

коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать

поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку.

Стоимость двигателя при этом увеличивается.

[pic]

Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного

возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные

механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря

включить добавочное сопротивление Rpa (рис. 10, а), то вместо выражений (6)

-и (7) получим

[pic] (8)

[pic] (9)

Сопротивление Rpa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на

длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение

сети.

[pic]

Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного

возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие

механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M) и n=f(Ia) для различных значений Rpa = const при

U = const и iB = const изображены на рис. 10, б (Rpa1 < Rpa2< Rpa3)-

Верхняя характеристика (Rpa = 0) является естественной. Каждая из

характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с

[pic] и [pic]

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10

соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0,

э.д.с. Еа имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U,

вследствие чего

[pic]

а момент двигателя М действует против направления вращения и является

поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (Ia = Ia0) с помощью приложенного извне

момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала

достигается режим Ia=0, а затем Ia изменит направление и машина перейдет в

режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси

ординат).

Как видно из рис. 10, б, при включении Rpa характеристики становятся

менее жесткими, а при больших величинах Rpa — круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления Mст=f(n) имеет вид, изображенный на рис.

10, б штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для

каждого значения Rра определяются точками пересечения соответствующих

кривых. Чем больше Rpa, тем меньше n и ниже к. п. д.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности

Р1 потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п. д. ?] от полезной

мощности Р2, при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов.

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности

при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис.

11.

Одновременно с увеличением мощности на валу Р2 растет и момент на валу М.

Поскольку с увеличением Р2 и М скорость n несколько уменьшается, то М =

Р2/п растет несколько быстрее Р2. Увеличение Р2 и М, естественно,

сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также

потребляемая из сети мощность Р1. При холостом ходе (Р2 = 0) к. п. д. ?= 0,

затем с увеличением Р2 сначала ?| быстро растет, но при больших нагрузках в

связи с большим ростом потерь в цепи якоря ? снова начинает уменьшаться.

Рис. 11. Рабочие характеристики

двигателя параллельного возбуждения

РН = 10 квт, UН = 220 в, пН = 950 об/мин

Заключение.

При написание реферата я узнал, что достоинство двигателя постоянного тока

параллельного возбуждения заключается:

. большой диапазон скоростей;

. удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения;

Недостаток:

. сложность конструкции;

. наличии скользящего контакта в коллекторе;

. необходим источник постоянного тока;

Я так же узнал, что чаще всего неисправность в машинах постоянного тока

связана с коллектором.

Литература

Кулик Ю.А. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971

Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1974

Содержание.

1. Введение 2

2. Основные элементы конструкции МПТ 3

3. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

8

4. Заключение 12

5. Литература 13

6. Содержание 14