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
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 α.
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 αг
, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла
αэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что
каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции
соответствует электрический угол αэ=360 эл.
град или 2π эл. рад. Поэтому
αэ=ραг (1)
например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем αэ=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=Bαlν, (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.
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≡Bα. (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
α, (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.
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
Имеем
(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