Проект електроприводу машин і апаратів (стр. 2 из 3)
Оскільки обмотка якоря обертається, з'єднання з її зовнішнім ланцюгом здійснюється ковзним контактом за допомогою нерухливих електрографитових щіток. Ланцюг якоря - це головний ланцюг машини.
6.2 Одержання постійної е.д. с. якоря
Розглянемо одержання постійної напруги між щітками. Для цього зобразимо модель якоря між двома полюсами машини (мал. 3).
Нехай машина використовується як генератор і якір приводиться в обертання з постійною кутовою швидкістю Ω у зазначеному на мал. 3 напрямку, а зовнішній ланцюг відключений. У провідниках, що лежать у пазах на поверхні й лінії, що перетинає, нормальної до неї тридцятимільйонної магнітної індукції В у зазорі між полюсом і якорем, при обертанні якоря наводяться е.д. с.
e = Blv,
де l — довжина провідника (або якоря); ν - лінійна (окружна) швидкість провідників.
Ці провідники називають активними.
Сполучні провідники на торцевих поверхнях якоря (лобові частини, див. мал. 9 і 10) не перетинають магнітних ліній і в них е.д. з, не наводяться.
Застосувавши відоме правило правої руки для визначення напрямку е.д. с. в активних провідниках, переконаємося, що у всіх провідниках, що рухаються під однойменними полюсами, е.д. с. спрямовані однаково; (хрестики або крапки). Під північним і південним полюсами напрямку е.д. с. протилежні. У провідниках, що проходять геометричні нейтрали, е.д. с. не наводяться, тому що тут B = 0. Таким чином, при обертанні якоря в його провідниках наводяться змінні е.д.с.
Рис. 3. Модель якоря двохполюсної машини
Як вказувалося, обмотка якоря являє собою замкнутий контур (це легко бачити на зображенні найпростішої обмотки якоря - нескінченної спіралі на тороїді мал. 4, що застосовувалася в перших машинах).
Рис. 4. Найпростіша замкнута обмотка якоря і її схема
Однак струм у контурі не виникає, тому що алгебраїчна сума миттєвих значень е.д. с. е всіх послідовно з'єднаних провідників обмотки дорівнює нулю: обмотка виконується з рівним числом провідників під кожним полюсом, магнітні потоки полюсів однакові, полярність полюсів чергується.
Якщо встановити нерухливі електрографитові щітки для здійснення ковзному контакту із провідниками, що проходять геометричні нейтрали (див. мал. 3), то між щітками завжди будуть перебувати провідники обмотки з однаково спрямованими е.д. с. е, сума яких максимальна й постійна (при зрушенні щіток ця сума зменшується).
У дійсності щітки стосуються не провідників на поверхні якоря, а з'єднаних з ними відповідних пластин колектора (див. мал. 5 і 10). Колектор - циліндр, набраний з мідних пластин, ізольованих одна від інший прокладками, і закріплений на валу. Щітки встановлюють так, щоб вони стосувалися пластин колектора, з'єднаних із провідниками, що проходять геометричні нейтрали.
У результаті установки щіток і з'єднання їх із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря стосовно його затискачів виявляється розділеної на паралельно з'єднані галузі з однаковими е.д.. с. Е и опорами Rа. Зі схематично зображеної на мал. 6, а обмотки якоря видно, що е.д.. с. якоря Е дорівнює е.д.. с. кожної з паралельно з'єднаних галузей. Внутрішній опір якоря Rя — це еквівалентний опір паралельно з'єднаних галузей обмотки. Звичайно воно мало (від часток ома у великих машин до одиниць ом у невеликих). Якщо до затискачів якоря генератора приєднати зовнішнє електричне коло, то е.д.. с. якоря створить у ланцюзі струм якоря (струм навантаження, робочий струм). У двигуні струм створюється зовнішнім джерелом і в якорі ділиться на струми паралельних галузей. Напрямок струму у всіх провідниках однієї паралельної галузі однаковому, протилежне напрямку струмів в іншій галузі.
Рис. 5. Колектор (розріз) Рис. 6. Схема заміщення обмотки якоря із двома паралельними галузями (а), зображення якоря за ДСТ (б)
Звичайно машина постійного струму виконується багатополюсної (див, мал. 7 і 8). При цьому зростає число пар щіток і паралельних галузей якоря.
На електричних схемах якір машини постійного струму зображують (ДЕРЖСТАНДАРТ 2.756-76) умовно у вигляді окружності із двома діаметрально розташованими щітками (мал. 6, б), а обмотку збудження - як індуктивний елемент.
6.3 Конструкція сучасної машини постійного струму
Вище була розглянута двохполюсна модель машини постійного струму. Сучасні машини мають не менш чотирьох полюсів. На мал. 7 показані основні елементи конструкції чотирьох полюсної машини, а на мал. 8 - розріз її магнітної системи.
Станина (6 на мал. 7) являє собою порожній сталевий циліндр, усередині якого укріплені основні полюси 5 магнітної системи з котушками обмотки збудження. Між основними перебувають вузькі додаткові полюси 4 зі своїми котушками
Станину машини відливають або згортають у циліндр із товстої листової сталі й зварюють по шві. Полюси роблять з м'якої сталі або набирають зі сталевих пластин. До торців станини прикріплені підшипникові щити 1 з підшипниками, у яких обертається вал якоря 3. На щиті з боку колектора встановлені щіткотримачі із щітками 2. Якір являє собою сталевий барабан, (мал. 9, )
Для зменшення втрат від вихрових струмів при перемагнічуванні його набирають із дисків електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм (мал. 9, в). Барабанна обмотка відрізняється від спіральної обмотки на тороїді тим, що всі провідники укладаються витками на поверхні барабана і є активними. При цьому сторони витка розташовуються під різнойменними полюсами так, що е.д.. с. у них складається. На мал. 10 схематично показане укладання витків обмотки в пази і їхнє з'єднання з колекторними пластинами. Провідники (витки) обмотки, укладені між двома найближчими пластинами, утворять секцію обмотки (на мал. 10 показані тільки дві секції). Обмотка має кілька десятків секцій, стільки ж і колекторних пластин.
На корпусі машини є коробка із затискачами, куди виведені кінці обмотки якоря й обмотки збудження. На паспортному щитку вказуються номінальні параметри машини: електрична потужність, що віддається, генератора або механічна потужність двигуна, напруга, струм, частота обертання, спосіб порушення, к. п. буд., маса, номер машини й марка заводу-виготовлювача.
6.4 Принцип дії генератора
Нехай якір машини обертається в магнітному полі за допомогою якого-небудь приводного двигуна (мал. 11, а). Як вказувалося, у провідниках обертового якоря виникають е.д.. з, напрямок яких можна визначити за правилом правої руки
Якщо до затискачів якоря підключити приймач, то е.д.. с. якоря викличе в ланцюзі струм. Але з появою струму в провідниках якоря, що перебувають у магнітному полі, виникають електромагнітні сили. Визначимо їхній напрямок на мал. 11. Струми в провідниках якоря спрямовані також, як їх е. д. с. За правилом лівої руки знайдемо, що електромагнітні сили створюють момент, що протидіє обертанню якоря. Якщо швидкість якоря Ω постійна, те обертаючий момент приводного двигуна дорівнює протидіючому електромагнітному моменту генератора: Mвр=Mпр=M. Таким чином, для виробництва електричної енергії необхідно затрачати механічну енергію. У відповідності зі схемою заміщення ланцюга якоря генератора (мал. 11, б) запишемо рівняння її електричного стану:
E = U + RяIя
Помноживши це вираження на Iя, одержимо рівняння балансу потужності ланцюга якоря:
EIя = UIя + Rя2я
Потужність приймача Р=UIяй потужність, електричних втрат в обмотці якоря ΔPэя = Rя2ястановить електромагнітну потужність EIя = Pэм, що розвивається генератором, трав'яну механічної потужності приводного двигуна:
EIя = Pэм = MΩ = Pмех.
6.5 Принцип дії двигуна
Якщо подати на затискачі нерухливого якоря машини постійного струму напруга від якого-небудь джерела, то воно викличе струм у ланцюзі якоря (мал. 12). Нехай напрямок струмів у якорі буде таким, як на мал. 12, а. Визначивши напрямок електромагнітних сил, знайдемо, що вони створюють обертаючий момент. Машина працює як електродвигун. Якщо швидкість ротора Ω постійна, те обертаючий момент дорівнює протидіючому моменту опору механізму на валу: Мвр=Мпр=М. В обертовому в магнітному полі якорі наводиться е.д.. с. Визначивши напрямок е.д.. с. у провідниках якоря на мал. 12, а, знайдемо, що воно протилежно напрямку струму. Струм спрямований проти е.д.. с. Тому часто е.д.. с. якоря двигуна називають противо-е.д.с. Склавши схему заміщення ланцюга якоря двигуна (мал. 12, б), знайдемо, що прикладене до затискачів якоря двигуна напруга дорівнює сумі противо-е.д.с. і спадання напруги на внутрішньому опорі якоря:
U = E + RяIя
Звідси струм якоря двигуна
Iя = (U - E)/ Rя
Рівняння балансу потужності ланцюга якоря двигуна має вигляд
U Iя = E Iя + Rя2я
Воно показує, що електрична потужність Рэ = U Iя, підводимо до двигуна від зовнішнього джерела, перетворюється в електромагнітну потужність Pэм = EIя й потужність втрат в обмотці якоря. Електромагнітна потужність, як і в генераторі, дорівнює механічної потужності, що розвивається двигуном:
EIя = Pэм = MΩ.
7. Позначення елементів і зображення схеми автоматизованого пуску двигуна
Електричні машини, апарати й пристрої керування ними на схемах зображуються умовними позначками (ДЕРЖСТАНДАРТ 2.756-76). У таблиці 3 наведені позначення релейно-контакторних елементів керування електроприводами, які використовуються на схемі пуску двигунів паралельного порушення у функції швидкості.