Тема 1. Принцип действия электрических машин постоянного тока.
Принцип действия электродвигателя:
Основан на взаимодействии магнитного поля и проводника с током.
Если проводник с током поместить в магнитное поле на него начнет действовать выталкивающая сила.
Вокруг проводника с током образуется собственное магнитное поле, имеющее концентрических окружностей. Направление силовых линий этого поля определяется по правилу буравчика.
Когда проводник с током находится в магнитном поле, его магнитное поле накладывается на внешнее поле усиливая его с той стороны, где направление силовых линий обоих полей совпадает и ослабляя с противоположной стороны, где силовые линии полей направлены в противоположные
стороны.
В результате и образуется выталкивающая сила. Более сильное поле выталкивает проводник в сторону более слабого поля.
Направление выталкивающей силы определяется по правилу левой руки.
«Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, вытянутые 4 пальца показывали направление движения тока в проводнике, тогда отогнутый большой палец укажет направление действия выталкивающей силы».
А ее величина определяется по формуле; 
I, где:
В – величина магнитной индукции (плотность магнитного потока);
l – активная длинна проводника
I – скорость движения проводника;
Простейший электродвигатель
Представляет из себя проводник выполненный в форме рамки, помещенный в магнитное поле между двух полюсов, при прохождении тока по проводнику на его активные стороны начинают действовать пара выталкивающих сил F создающая вращательный момент, заставляющий рамку поворачиваться.
В реальности такой двигатель работать не сможет. Рассмотрим 3 положения рамки.
| Вращение против часовой стрелки | Вращения нет, рамка растягивается | Вращение по часовой стрелке |
Реальный двигатель должен иметь не одну, а несколько рамок и снабжен специальным устройством – коллектором, обеспечивающим поочередное соединение рамок с внешней цепью при помощи скользящих щеток и осуществляющем переключение рамок таким образом, чтобы во всех проводниках рамок находящимся под одним полюсом было одно направление тока, а во всех проводниках рамок под другим полюсом также одно, но противоположное направление тока
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Основывается на явлении электромагнитной индукции
Рассмотрим систему состоящую из проводника и магнитного поля.
При движении проводника через магнитное поле в нем создается электродвижущая сила Е, направление этой силы определяется по правилу правой руки
«Если расположить правую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, отогнутый большой палец показывал направление движения проводника , тогда вытянутые 4 пальца укажут направление индуктируемой ЭДС и тока в проводнике»
Величина ЭДС определяется по формуле:
где:
В – величина магнитной индукции (плотность магнитного потока);
l – активная длинна проводника
V – скорость движения проводника;
Cos α – коэффициент учитывающий направление движения относительно направления силовых линий поля.
Простейший генератор можно представить в виде рамки вращающейся в магнитном поле
При вращении рамки ее проводники пересекают силовые линии поля и в них индуктируется ЭДС, причем направление ЭДС обоих активных сторон суммируются. Но величина индуктируемых ЭДС постоянно меняется в зависимости от угла поворота рамки и даже меняет направление когда активные стороны рамки меняются местами.
Таким образом при вращении рамки в ней создается переменная ЭДС. И один полный оборот рамки соответствует полному периоду изменяющейся ЭДС.
Чтобы превратить переменный ток в постоянный используется такой же коллектор, как и у двигателя при этом получается выпрямленный, но пульсирующий ток.
Если применить систему из двух рамок развернутых относительно друг друга на 90 градусов и кольцо, выполняющее роль коллектора разрезать на 4 части, то при вращении такой системы рамок получим не только выпрямленный, но и сглаженый ток. И чем больше рамок будет у реального генератора, тем более сглаженный ток будет вырабатывать генератор.
Коллектор генератора постоянного тока обеспечивает соединения обмотки якоря с внешней электрической цепью, а также выполняет роль механического выпрямителя.
ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.
| Двигатель | Генератор | |
| Обе электрические машины состоят из одних и тех же частей, но выполняют обратные превращения энергии | ||
| 
| |
| Электрическую энергию превращает в механическую | Механическую энергию превращает в электрическую | |
| Совпадают по направлению вращающий момент и направление вращения | Вращающий момент направлен в сторону противоположную направлению вращения | |
| ЭДС индуктируемая в обмотке якоря направлена против тока и приложенного напряжения | Совпадают по направлению ток и ЭДС |
| Вращающий момент вырабатываемый двигателем | 
| Электромагнитный момент сопротивления вращения |
| Противо-ЭДС направлена против тока и приложенного напряжения. | 
| Вырабатываемая ЭДС, обеспечивающая прохождение тока по замкнутой цепи. |
| Определение тока двигателя | 
| В режиме холостого хода напряжение генератора равно ЭДС |
| Определение скорости вращения якоря двигателя | 
| В нагрузочном режиме напряжение меньше ЭДС на величину падения напряжения в самом генераторе |
ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Магнитная система
Остов – являясь корпусом машины, одновременно выполняет роль магнитопровода;
Главные полюса – создающие основной магнитный поток, состоят из сердечников и катушек.
Двухполюсная машина имеет два разноименных полюса расположенных напротив друг друга. Катушки главных полюсов включаются последовательно и встречно по направлению тока, так чтобы они образовывали разную полярность
Величина магнитного потока для магнитной цепи определяется по формуле:
где:
I*W– магнитодвижущая сила, определяется как произведение силы тока Iна количество витков катушек на обеих полюсах W
R магн магнитное сопротивление цепи состоящее из сопротивления остова; 2-х сердечников полюсов; сердечника якоря и 2-х воздушных зазоров.
Двухполюсная машина имеет одну пару полюсов и один магнитный поток выходящий из северного полюса пронизывающий тело якоря и уходящий в южный полюс.
У многополюсных машин количество магнитных потоков соответствует количеству главных полюсов. Соединения обмоток возбуждения могут выполняться различным способом.
Последовательное соединение всех катушек главных полюсов, обеспечивает относительно более равные по величине магнитные потоки. Но при очень больших токах нагрузки применяется смешанное соединение катушек полюсов.
| Магнитные потоки относительно равны, так как по катушкам полюсов проходит один и тот же ток, а катушки имеют равное количество витков. Разность потоков образуется за счет неодинаковых воздушных зазоров из-за неточностей изготовления и сборки. | На разность магнитных потоков оказывает влияние качество контактов в соединениях катушек полюсов и возможная неравномерность распределения тока по параллельным ветвям. |
Обмотка якоря
Применяются основных три вида обмотки якоря:
Петлевая;
Волновая;
Смешанная
Простая петлевая обмотка:
Шаг по коллектору 1; шаг по пазам якоря диаметральный. Укладка обмотки производится последовательно с 1-й на 2-ю; со 2-й на 3-ю и так до конца последняя секция укладывается с последней на 1-ю коллекторную пластину.
Петлевая обмотка имеет параллельные ветви прохождения по ней тока равно числу главных полюсов. Она применяется для машин работающих с большим током нагрузки.
В связи с тем, что при вращении якоря в каждой параллельной ветви число последовательно работающих секций постоянно меняется в процессе работы в каждой параллельной ветви создается собственная ЭДС отличная от ЭДС в других параллельных ветвях. Так по нашей схеме между 6 и 15, а также между 25 и 34 коллекторными пластинами последовательно находятся по 9 секций, а между 5 и 35 также между 24 и 16 коллекторными пластинами последовательно находятся по 8 секций. Учетом реальной толщины щеток в процессе вращения якоря количество последовательных секций между положительными и отрицательными щетками будет постоянно меняться от 7 до 9 секций. С учетом того, что в реальной машине напряжение одной секции по расчетам составляет 14-16 Вольт, то разница ЭДС в параллельных секциях может достигать от 14 до 32 Вольт.
По этой причине в обмотке якоря между секциями создается разность потенциалов, под воздействием которой возникает уравнительный ток.
Отдельные уравнительные токи I1иI2 проходят не загружая щеточный аппарат машины, но токи I3-4 и I5-6 проходят через щеточный аппарат, усложняя работу щеток, повышая плотность тока в переходном контакте Щетка-Коллектор вызывают повышенное искрение под щетками и способствуют образования кругового огня.
Для разгрузки щеток от уравнительных токов при простой петлевой обмотке применяют уравнительные соединения 1-го рода. Которые соединят друг с другом коллекторные пластины одновременно находящиеся под плюсовыми или минусовыми щетками.
Уравнительные соединения чаще всего делают не на всех подряд коллекторных пластинах. А с учетом ширины щеток через одну и ли через две коллекторные пластины.
Для увеличения большего тока в машинах большой мощности применяется сложная (двузаходная) петлевая обмотка, имеющая увеличенный на одну шаг по коллектору. Секция начинается на 1-й коллекторной пластине, а заканчивается не на 2-й, а на 3-й коллекторной пластине. Такая обмотка имеет как бы два хода по коллектору один по четным коллекторным пластинам, а второй по нечетным пластинам. Так как щетка имеет ширину позволяющую перекрывать не одну а 3-4 коллекторные пластины количество параллельных ветвей удваивается. Такая обмотка обеспечивает прохождение тока в 2 раза большей величины, но при этом напряжение рабочее также в два раза должно быть снижено.
Такая обмотка имеет уравнительные соединения второго рода. Средняя точка каждой секции соединена со средней коллекторной пластиной секции. На примере секция начинается на 5-й, заканчивается на 7-й. средняя 6-я пластина. Такими уравнительными соединениями связывают четный и нечетный ход обмотки якоря.
Волновая обмотка
Применяется только на многополюсных машинах, это обмотка предназначается для работы с большим напряжением. Шаг по пазам якоря не отличается от петлевой обмотки, а шаг по коллектору у нее равен двум (электрическим) диаметрам.
Последователь уложенные секции простой волновой обмотки образуют две параллельные ветви прохождения тока, причем рабочие стороны последовательно включенных секций располагаются под всеми полюсами машины и оказываются в абсолютно равных условиях и равных магнитных потоках.
При этом часть секций накоротко замкнута одноименными щетками, и выполняет роль уравнительных соединений.
Если увеличить число коллекторных пластин на одну или уменьшить на три и сохраним шаг по коллектору получим сложную двухзаходную волновую обмотку.
Реакция якоря
Главные полюса электрической машины создают основной магнитный поток, который под подошвой полюса должен быть равномерным. Обеспечивая равное воздействие на активные проводники обмотки якоря. Но такой поток сохраняется только на холостом ходу.
Как только машина начинает работать под нагрузкой и в обмотке якоря появляется ток обмотка якоря создает свой магнитный поток, направленный перпендикулярно магнитному потоку главных полюсов. В результате взаимодействия этих двух магнитных потоков происходит искажение магнитного потока главных полюсов, это явление и получило название РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ.
В результате реакции якоря нарушается равномерность магнитного потока под подошвами главных полюсов он ослабляется с одной стороны полюса и усиливается с другой стороны. У генераторов усиление поля происходит под сбегающим краем полюсов, а у двигателя наоборот под набегающим краем полюса. А также происходит смещение оси симметрии магнитного потока с геометрической на физическую нейтраль.
Последствия реакции якоря.
1. Неравномерное распределение магнитного потока главных полюсов и как следствие уменьшение суммарного магнитного потока и уменьшение мощности машины.
2. Ухудшение условий коммутации. повышенное искрение под щетками.
3. В момент прохождения активными проводниками секций под краями полюсов с увеличенным магнитным потоком резко возрастает напряжение на коллекторных пластинах этой секции. Возможность возникновения кругового огня.
Устранение вредных последствий реакции якоря.
На машинах малой мощности до 1 кВт., работающих с постоянной нагрузкой и не меняющих направление вращения применяется сдвиг щеток с геометрической на физическую нейтраль. Щеткодержатели устанавливаются на поворотную траверсу. Во время работы машины, поворачивая траверсу, находят положение с минимальным искрением щеток и потреблением наименьшего тока и в этом положении траверсу закрепляют.
В машинах большей мощности обязательно применяются добавочные полюса, которые устанавливают на геометрической нейтрали, между главными полюсами. Добавочные полюса создают магнитный поток направленный встречно магнитному потоку обмотки якоря, а чтобы эти два потока всегда соответствовали друг другу катушки добавочных полюсов всегда включаются последовательно с обмоткой якоря.
Полярность дополнительных полюсов
Для машин мощностью более 250 кВт дополнительно используют компенсационную обмотку, укладываемую в пазы подошвы главных полюсов и включенных в схему машины также как и дополнительные полюса, последовательно с обмоткой якоря.
Коммутация
Понятие коммутация – это изменение состояния электрической цепи, то есть любое ее изменение. Но если в обычных электрических цепях переключения происходят относительно редко, то при работе любой электрической машины переключения в большом количестве происходят постоянно. Рассмотрим переход секции якоря из одной параллельной ветви в другую в момент когда ее коллекторные пластины проходят под щеткой.
Первая позиция-начало коммутации рабочий ток в секции протекает по часовой стрелке с 16 на 17 коллекторную пластину;
Вторая позиция- секция с 16 на 17 коллекторные пластины накоротко замкнута щеткой рабочего тока в ней нет;
Третья позиция-окончание коммутации. 16 коллекторная пластина вышла из под щетки и ток в секции протекает против часовой стрелки с 17 на 16 коллекторную пластину.
А процесс коммутации перешел на следующую секцию. И это одновременно происходит под всеми щетками машины.
Так, как этот процесс протекает за очень короткое время, в коммутируемой секции создается реактивная ЭДС состоящая из ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции. И эти обе ЭДС направлены на поддержание в коммутируемой секции тока предшествующего процессу коммутации.
ер = ес + ев
На рисунке видно, что активные проводники двух, одновременно коммутирующих секций, находятся в одном пазу и наводят друг в друге ЭДС взаимоиндукции.
В результате действия реакции якоря в этих же проводниках, пересекающих геометрическую нейтраль создается еще и 3-я ЭДС вращения, (евр) которая направлена также как и реактивная ЭДС. А так как секции накоротко замкнуты щетками в них возникает ток коммутации.
Коммутирующий ток проходя через коллекторные пластины и щетки приводит к перераспределению силы тока между коллекторными пластинами и щеткой. Так между щеткой и набегающей коллекторной пластиной ток нагрузки и коммутирующий ток направлены встречно друг другу, следовательно результирующий ток перехода уменьшается, а на сбегающей коллекторной пластине ток нагрузки и коммутирующий ток направлены в одну сторону, следовательно результирующий ток перехода увеличивается. При этом, так как коллекторная пластина уходит из под щетки и площадь контакта стремительно уменьшается, плотность тока нарастает и в момент отрыва коллекторной пластины от щетки происходит разрыв тока большой плотности, что и приводит к образованию искрения.
Таким образом, коммутация электрических машин постоянного тока характеризуется степенью искрения под щетками. Различают 5 степеней коммутации.
| темная | Практически искрения нет | Допускается работа машины без ограничения | |
| слабая | Незначительное искрение | |
| средняя | Искрение наблюдается на половине щеточного пространства | |
| сильная | Искрение наблюдается на большей части щеточного пространства | Не допустимые режимы работы машины | |
| тяжелая | Сплошное искрение с вылетом крупных снопов огня |
Дата добавления: 2017-06-02; просмотров: 2505;