Автоматизированный электропривод машин и аппаратов химических производств (стр. 2 из 3)
6. Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока
6.1. Электромагнитная схема
В машине постоянного тока создается неподвижное магнитное поле полюсов статора, в котором вращается ротор с расположенными на нем проводниками, образующими рабочую обмотку.
Рассмотрим подробнее схему устройства машины постоянного тока. На рис. 2 показана магнитная система двухполюсной машины и картина поля в ней. Основные полюсы укреплены на внутренней поверхности полого стального цилиндра — станины, являющейся частью магнитопровода. На полюсах находятся катушки-, соединенные последовательно и образующие обмотку возбуждения. Магнитное поле создается током возбуждения Iв в катушках (реже постоянными магнитами). Цепь возбуждения — это вспомогательная цепь машины. Картина магнитного поля изображена на рис. 2 магнитными линиями.
Рис. 2. Магнитное поле машины
Магнитная система и поле машины симметричны относительно продольных осей полюсов N0—S0. Линии, проходящие посередине между смежными полюсами, называют поперечными магнитными осями, а их следы на поверхности якоря — геометрическими нейтралями. Ротор с рабочей обмоткой в машинах постоянного тока называют якорем. Для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами и якорем служат полюсные наконечники, как бы охватывающие якорь. Обмотка якоря состоит из уложенных на поверхности (в пазах) ротора «активных» проводников, соединенных в витки (секции, см. рис. 10) так, что она всегда представляет собой замкнутый контур.
Поскольку обмотка якоря вращается, соединение с ее внешней цепью осуществляется скользящим контактом с помощью неподвижных электрографитовых щеток. Цепь якоря — это главная цепь машины.
6.2. Получение постоянной э. д. с. якоря
Рассмотрим получение постоянного напряжения между щетками. Для этого изобразим модель якоря между двумя полюсами машины (рис. 3).
Пусть машина используется в качестве генератора и якорь приводится во вращение с постоянной угловой скоростью Ω в указанном на рис. 3 направлении, а внешняя цепь отключена. В проводниках, лежащих в пазах на поверхности и пересекающих линии нормальной к ней составляющей магнитной индукции В в зазоре между полюсом и якорем, при вращении якоря наводятся э. д. с.
e = Blv,
где l — длина проводника (или якоря); ν — линейная (окружная) скорость проводников.
Эти проводники называют активными.
Соединительные проводники на торцовых поверхностях якоря (лобовые части, см. рис. 9 и 10) не пересекают магнитных линий и в них э. д. с, не наводятся.
Применив известное правило правой руки для определения направления э. д. с. в активных проводниках, убедимся, что во всех проводниках, движущихся под одноименными полюсами, э. д. с. направлены одинаково; (крестики или точки). Под северным и южным полюсами направления э. д. с. противоположны. В проводниках, проходящих геометрические нейтрали, э. д. с. не наводятся, так как здесь B = 0. Таким образом, при вращении якоря в его проводниках наводятся переменные э.д.с.
Рис. 3. Модель якоря двухполюсной машины
Как указывалось, обмотка якоря представляет собой замкнутый контур (это легко видеть на изображении простейшей обмотки якоря — бесконечной спирали на тороиде рис. 4, которая применялась в первых машинах).
Рис. 4. Простейшая замкнутая обмотка якоря и ее схема
Однако ток в контуре не возникает, так как алгебраическая сумма мгновенных значений э. д. с. е всех последовательно соединенных проводников обмотки равна нулю: обмотка выполняется с равным числом проводников под каждым полюсом, магнитные потоки полюсов одинаковы, полярность полюсов чередуется.
Если установить неподвижные электрографитовые щетки для осуществления скользящего контакту с проводниками, проходящими геометрические нейтрали (см. рис. 3), то между щетками всегда будут находиться проводники обмотки с одинаково направленными э. д. с. е, сумма которых максимальна и постоянна (при сдвиге щеток эта сумма уменьшается).
В действительности щетки касаются не проводников на поверхности якоря, а соединенных с ними соответствующих пластин коллектора (см. рис. 5 и 10). Коллектор — цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных одна от другой прокладками, и закрепленный на валу. Щетки устанавливают так, чтобы они касались пластин коллектора, соединенных с проводниками, проходящими геометрические нейтрали.
В результате установки щеток и соединения их с внешней цепью обмотка якоря по отношению к его зажимам оказывается разделенной на параллельно соединенные ветви с одинаковыми э. д. с. Е и сопротивлениями Rа. Из схематически изображенной на рис. 6, а обмотки якоря видно, что э. д. с. якоря Е равна э. д. с. любой из параллельно соединенных ветвей. Внутреннее сопротивление якоря Rя — это эквивалентное сопротивление параллельно соединенных ветвей обмотки. Обычно оно мало (от долей ома у крупных машин до единиц ом у небольших). Если к зажимам якоря генератора присоединить внешнюю электрическую цепь, то э. д. с. якоря создаст в цепи ток якоря (ток нагрузки, рабочий ток). В двигателе ток создается внешним источником и в якоре делится на токи параллельных ветвей. Направление тока во всех проводниках одной параллельной ветви одинаковое, противоположное направлению токов в другой ветви.
Рис. 5. Коллектор (разрез) Рис. 6. Схема замещения обмотки якоря с двумя параллельными ветвями (а), изображение якоря по ГОСТ (б)
Обычно машина постоянного тока выполняется многополюсной (см, рис. 7 и 8). При этом возрастает число пар щеток и параллельных ветвей якоря.
На электрических схемах якорь машины постоянного тока изображают (ГОСТ 2.756—76) условно в виде окружности с двумя диаметрально расположенными щетками (рис. 6, б), а обмотку возбуждения — как индуктивный элемент.
6.3. Конструкция современной машины постоянного тока
Выше была рассмотрена двухполюсная модель машины постоянного тока. Современные машины имеют не менее четырех полюсов. На рис. 7 показаны основные элементы конструкции четырехполюсной машины, а на рис. 8 — разрез ее магнитной системы.
Станина (6 на рис. 7) представляет собой полый стальной цилиндр, внутри которого укреплены основные полюсы 5 магнитной системы с катушками обмотки возбуждения. Между основными находятся узкие добавочные полюсы 4 со своими катушками
Станину машины отливают или свертывают в цилиндр из толстой листовой стали и сваривают по шву. Полюсы отковывают из мягкой стали или набирают из стальных пластин. К торцам станины прикреплены подшипниковые щиты 1 с подшипниками, в которых вращается вал якоря 3. На щите со стороны коллектора установлены щеткодержатели со щетками 2. Якорь представляет собой стальной барабан, (рис. 9,
Для уменьшения потерь от вихревых токов при перемагничивании его набирают из дисков электротехнической стали толщиной 0,5 мм (рис. 9, в). Барабанная обмотка отличается от спиральной обмотки на тороиде тем, что все проводники укладываются витками на поверхности барабана и являются активными. При этом стороны витка располагаются под разноименными полюсами так, что э. д. с. в них складывается. На рис. 10 схематически показана укладка витков обмотки в пазы и их соединение с коллекторными пластинами. Проводники (витки) обмотки, заключенные между двумя ближайшими пластинами, образуют секцию обмотки (на рис. 10 показаны только две секции). Обмотка имеет несколько десятков секций, столько же и коллекторных пластин.
На корпусе машины имеется коробка с зажимами, куда выведены концы обмотки якоря и обмотки возбуждения. На паспортном щитке указываются номинальные параметры машины: отдаваемая электрическая мощность генератора или механическая мощность двигателя, напряжение, ток, частота вращения, способ возбуждения, к. п. д., масса, номер машины и марка завода-изготовителя.
6.4. Принцип действия генератора
Пусть якорь машины вращается в магнитном поле с помощью какого-либо приводного двигателя (рис. 11, а). Как указывалось, в проводниках вращающегося якоря возникают э. д. с, направление которых можно определить по правилу правой руки
Если к зажимам якоря подключить приемник, то э. д. с. якоря вызовет в цепи ток. Но с появлением тока в проводниках якоря, находящихся в магнитном поле, возникают электромагнитные силы. Определим их направление на рис. 11. Токи в проводниках якоря направлены также, как и вызвавшие их э. д. с. По правилу левой руки найдем, что электромагнитные силы создают момент, противодействующий вращению якоря. Если скорость якоря Ω постоянна, то вращающий момент приводного двигателя равен противодействующему электромагнитному моменту генератора: Mвр=Mпр=M. Таким образом, для производства электрической энергии необходимо затрачивать механическую энергию. В соответствии со схемой замещения цепи якоря генератора (рис. 11, б) запишем уравнение ее электрического состояния:
E = U + RяIя
Умножив это выражение на Iя, получим уравнение баланса мощности цепи якоря:
EIя = UIя + RяI2я