Машины постоянного тока

Российский государственный университет  имени И.М.Губкина

Филиал в городе Ташкенте

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

по дисциплине

электроника и электротехника

 

на тему:

«Машины постоянного тока».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       Выполнили

                                                                       студенты группы РН – 10 – 01

                                                                                Хамитова Е.

                                                                                Гришина Н.

                                                                                Филюшкин С.

                                      Проверила

                                         Иванова Е.В.

 

 

 

 

Ташкент 2012

 

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую  постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель).

Устройство МПТ

Устройство статора.

Машина  постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной –  статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного  тока якорем. Эскиз машины постоянного  тока и общий вид показаны на рис.

Статор  состоит из станины , главных полюсов , дополнительных полюсов , подшипниковых щитов и щеточной траверсы со щетками .

Станина составляет основу всей машины и, кроме  того, выполняет функцию магнитопровода.

Главные полюсы служат для создания постоянного  во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в  качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).

Дополнительные  полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий  коммутации.

Подшипниковые  щиты закрывают  статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками.

Устройство якоря.

Вращающаяся часть машин – якорь. Состоит из сердечника , обмотки и коллектора .

Сердечник  имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов  листовой электротехнической стали, на внешней  поверхности  которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.

Коллектор набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса миканитовыми прокладками , образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.

 

Принцип действия МПТ

Принцип действия электрической машины постоянного  тока может быть рассмотрен на примере  простейшего генератора постоянного  тока, функциональная схема которого показана на рисунке.

Она представляет собой рамку, содержащую один или w витков, и вращающуюся с частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом.

По  закону электромагнитной индукции при  изменении потокосцепления в  проводниках возникает ЭДС

                                                                                           (5.1)

где Ψ- потокосцепление, w- число витков, B- магнитная индукция, S- сечение, через которое проходит поток при взаимодействии с обмоткой. ЭДС возникает, если меняется во времени хотя бы одна из величин, стоящих в числителе формулы (5.1). В трансформаторах и машинах переменного тока изменяется магнитная индукция, а в машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления обмоток якоря с полем возбуждения из-за вращения ротора.

Если  проводник перемещается в магнитном  поле в плоскости, перпендикулярной силовым линиям, то  сечение:         S = ℓ · υ · t

ℓ - длина проводника в поле, υ - линейная скорость перемещения проводника.

ЭДС:                                   e = w · B · ℓ · υ

При вращении с частотой ω сечение:      S = ℓ ·D · cos (ω · t)                           D- диаметр ротора.

Принцип обратимости

т. е. возможность  использования одной и той  же машины как для преобразования механической энергии в электрическую, так и для преобразования электрической  энергии в механическую.

В  генераторе Ua < Еа, а в двигателе Ua > Ea.

Еа – э. д. с. якоря

Ua – напряжение, приложенное к зажимам якоря

При смене  режима направление тока в обмотке  якоря меняется

Режимы работы

Машина  постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном.

Машина постоянного тока как  электрический генератор. Физический принцип действия машины постоянного тока как генератора основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника при вращении ее в магнитном поле (рис. 203).

Основными частями машины постоянного тока являются индуктор, с помощью которого создается магнитное поле, якорь, в обмотке которого наводится  ЭДС индукции, коллектор и электрические  щетки. Коллектором называются изолированные  друг от друга проводящие пластины, присоединенные к катушкам. По пластинам  коллектора скользят электрические  щетки, соединяющие концы обмоток  с внешней электрической цепью.

Если  индуктор в машине постоянного тока неподвижен и является в этом случае статором машины, то якорь вращается  и является ротором машины.

Якорь имеет  стальной сердечник цилиндрической формы, концы обмоток якоря присоединены к пластинам коллектора.

При вращении якоря в магнитном поле индуктора  в проводах его обмоток возникает  ЭДС индукции.

С потребителями электрической энергии  через скользящие контакты коллектора и электрических щеток соединяются  концы той обмотки якоря, в  которой в данный момент времени  ЭДС индукции имеет максимальное значение.

Машина постоянного тока как  электродвигатель. Замечательной особенностью машины постоянного тока является ее обратимость, т. е. возможность использования одной и той же машины как для преобразования механической энергии в электрическую, так и для преобразования электрической энергии в механическую.

Для использования  машины постоянного тока в качестве электродвигателя через обмотку  индуктора пропускают постоянный ток.

При подключении  к щеткам постоянного напряжения возникает электрический ток  в обмотке якоря и на провода  обмотки со стороны магнитного поля действует сила Ампера .

В проводах обмотки, расположенных на противоположных  сторонах якоря, направления сил  Ампера противоположны друг другу, и  под действием этих сил якорь  приходит во вращение (рис. 204).

Электродвигатель  может использоваться для приведения в движение колес электровоза, троллейбуса, трамвая, автобуса.

Реакция якоря машины постоянного  тока

Под реакцией якоря понимают явление воздействия  магнитного поля, создаваемого током  якоря, на магнитное поле главных  полюсов.

Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Формула ЭДС машины. При вращении обмотки  якоря в магнитном поле полюсов  в проводниках обмотки, как указывалось, наводится ЭДС:

Среднее значение этой ЭДС за половину периода

,

где   – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, определяемое по кривой  (рис. 1.7);  – магнитный поток одного полюса;   и определены ранее.  ЭДС машины, как было показано, равна ЭДС одной параллельной ветви, поэтому, если обмотка якоря имеет N проводников, ее ЭДС

,

где – число параллельных ветвей.

Учитывая, что

,

где  – диаметр якоря; – частота вращения якоря, об/мин;  – число полюсов, получаем:

 

 

и окончательно

 

.     

 

Таким образом, ЭДС обмотки якоря пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку главных полюсов машины.

 

Постоянная  для данной машины величина  называется конструктивным коэффициентом ЭДС.

Формула электромагнитного момента  машины.

Электромагнитный  момент, создаваемый N проводниками, определяется как

 

.

           где – ток якоря,

и окончательно

.                                                                 

 

Таким образом, электромагнитный момент пропорционален току якоря и магнитному потоку. Постоянная для данной машины величина  называется  конструктивным коэффициентом момента. Он связан с конструктивным коэффициентом ЭДС постоянным соотношением:

 

 

Мощность и потери.

Характер  подводимой к машине мощности зависит  от ее режима работы:

у генераторов  это механическая мощность,

у двигателей – электрическая мощность.

Характер  снимаемой с машины полезной мощности – противоположный:

у генератора это электрическая мощность,

у двигателя  – механическая.

В машине всегда есть мощность потерь ∆Р, которая складывается из мощности электрических потерь (потери в меди) ∆Рэл , идущих на нагрев обмоток, мощности магнитных потерь (потери в стали) ∆Рмаг, мощности механических потерь (потери на трение) ∆Рмех и мощности добавочных потерь  ∆Рдоб ≈ 0,01 Рном, где Рном – номинальная мощность.

Таким образом, ∆Р = ∆Рмех + ∆Рмаг + ∆Рэл +∆Рдоб

 

КПД машины.

КПД машины можно рассчитать по формуле η = P 2 / P1.

КПД генератора η = P2 / (P2 + ∆Р)

и КПД  двигателя  η = (P1 -  ∆Р) / Р1.

 

КПД машин  постоянного тока растет с увеличением  мощности машин.

Генераторы постоянного  тока

Генераторы  постоянного тока, также как и  двигатели, различают по характеру  их возбуждения. В зависимости от этого их подразделяют на генераторы независимого возбуждения и самовозбуждением. В генераторах независимого возбуждения  поток возбуждения может создаваться  обмоткой возбуждения (электромагнитное возбуждение) или с помощью постоянного  магнита (магнитоэлектрическое возбуждение). Генераторы с самовозбуждением бывают параллельного и смешанного возбуждения.

 

О свойствах  генератора судят по его основным характеристикам, к которым относят  характеристику холостого хода, а  также нагрузочную, внешнюю и  регулировочную.

Внешняя характеристика представляет собой  зависимость U=f(I_Я) при ω=const.

Кривая 1 соответствует генератору с независимым  возбуждением при I_B=const.С увеличением тока якоря (нагрузки) напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за падения напряжения на сопротивлении якоря R_Я и реакции якоря. В генераторе с параллельным возбуждением это уменьшение происходит более интенсивно (кривая 2), так как оно усугубляется уменьшением тока возбуждения. Для компенсации уменьшения напряжения при увеличении нагрузки применяется комбинированное возбуждение (кривая 3).

Регулировочная  характеристика - это зависимость  I_B=f(I_Я) при U=const (г). Чтобы поддержать напряжение постоянным, необходимо при увеличении тока I_Я увеличивать ток возбуждения.

Генератор с независимым возбуждением (§ 13.9 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Генератор с параллельным возбуждением(§ 13.10 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

 

 

Генератор с последовательным возбуждением(§ 13.11 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Генератор со смешанным возбуждением(§ 13.11 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока различаются по характеру возбуждения. Двигатели  могут быть независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения  Свойства двигателей в  значительной мере определяются их системой возбуждения.

Двигатель с параллельным возбуждением (§ 13.13 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Двигатель с последовательным возбуждением(§ 13.14 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Двигатель со смешанным возбуждением(§ 13.15 А.С.Касаткин, М.В.Немцов «электротехика»)

Различают статические и динамические режимы работы двигателей. В статическом  режиме ω=const; I_Я=const; U_ДВ=const и он описывается так называемыми механическими характеристиками

.

уравнение механической характеристики:

                                                                    

Графически эта характеристика при  фиксированном напряжении на двигателе  представляет собой прямую, пересекающую координатные оси в точках ω₀ и M_К.З.  (см. рис. ), где ω₀- частота вращения холостого хода, а M_К.З.- момент короткого замыкания, когда ротор двигателя неподвижен.

 

Рис. Статическая характеристика ДПТ

 

 

 

Электрическая машина работает в режиме двигателя  при 0<M<M_К.З., при M>M_К.З. происходит вращение двигателя в противоположную сторону под действием внешнего момента - машина работает в режиме тормоза (режим противовключения), при ω>ω₀ машина работает в режиме генератора на сеть, имеющую напряжение U_H.