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