Машины постоянного тока параллельного возбуждения

Работа из раздела: «Технология»

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
припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть
коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой
один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции
присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих
коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация
напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница
между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к
среднему значению, не превышает 0,65%.
Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного
ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий.
Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину
постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в
многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно
проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится
переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.
[pic]
Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока:
а — при двух витках на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у
которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной
обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в
постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся
вместе с якорем).
Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в
значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря
возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения
двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на
транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-
транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока
широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для
привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве
тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока
применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей
постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и
электрохимических низковольтных установок.

Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного
возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.
Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются
равенствами (6) и (7) при U = const и iB = const. При отсутствии
дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются
естественными.
[pic] (6)

[pic] (7)

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Ia
поток Ф? несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря.
В результате этого скорость n, согласно выражению (6), будет стремиться
возрасти. С другой стороны, падение напряжения RaIa вызывает уменьшение
скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики,
изображенные на рис 8; 1 — при преобладании влияния RaIa; 2 — при взаимной
компенсации влияния RaIa и уменьшения; 3 — при преобладании влияния
уменьшения Ф?.
Ввиду того что изменение Ф? относительно мало, механические
характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые
равенством (7), при U= const и iB== const совпадают по виду с
характеристиками n= f(Ia) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики
практически прямолинейны.
Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости
работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка
падающими характеристиками вида 1 (рис. 8). В современных высоко
использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря
влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить
характеристику вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой
характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку
возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с.
параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф? под воздействием
поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую
последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель
с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного
возбуждения.
Изменение скорости вращения ?n (рис. 8) при переходе от холостого хода
(Ia =Ia0) к номинальной нагрузке (Ia=Iaн) у двигателя параллельного
возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет
2—8% от nн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими.
Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются
в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении
нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и
пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик
двигателя параллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока
производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rp в (см. рис.
11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rpa= 0) и U =
const характеристики n =f(Ia) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7),
для разных значений Rр.в. ,IB или Ф? имеют вид, показанный на рис. 9. Все
характеристики n =f(Ia) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при
весьма большом токе Ia, который равен

[pic]
Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных
точках.
Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку.
Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам
пересечения рассматриваемых характеристик с кривой Мст=f(п) для рабочей
машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).
Точка холостого хода двигателя (М = М0, Ia = Ia0) лежит несколько
правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращения n вследствие
увеличения механических потерь М0 и I00 также увеличиваются. Если в этом
режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать
скорость вращения n, то Еа=ceФ?т будет увеличиваться, а Iа и М будут,
согласно равенствам
[pic] и [pic]

уменьшаться. При Iа = 0 и М. =0 механические и магнитные потери двигателя
покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при
дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и двигатель перейдет в
генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси
ординат).
Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование
скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с
регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8,
но в этом случае для ограничения максимального напряжения между
коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать
поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку.
Стоимость двигателя при этом увеличивается.
[pic]
Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного
возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные
механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря
включить добавочное сопротивление Rpa (рис. 10, а), то вместо выражений (6)
-и (7) получим
[pic] (8)

[pic] (9)
Сопротивление Rpa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на
длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение
сети.
[pic]
Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного
возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие
механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M) и n=f(Ia) для различных значений Rpa = const при
U = const и iB = const изображены на рис. 10, б (Rpa1 < Rpa2< Rpa3)-
Верхняя характеристика (Rpa = 0) является естественной. Каждая из
характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с
[pic] и [pic]
Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10
соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0,
э.д.с. Еа имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U,
вследствие чего
[pic]
а момент двигателя М действует против направления вращения и является
поэтому тормозящим.
Если в режиме холостого хода (Ia = Ia0) с помощью приложенного извне
момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала
достигается режим Ia=0, а затем Ia изменит направление и машина перейдет в
режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси
ординат).
Как видно из рис. 10, б, при включении Rpa характеристики становятся
менее жесткими, а при больших величинах Rpa — круто падающими, или мягкими.
Если кривая момента сопротивления Mст=f(n) имеет вид, изображенный на рис.
10, б штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для
каждого значения Rра определяются точками пересечения соответствующих
кривых. Чем больше Rpa, тем меньше n и ниже к. п. д.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности
Р1 потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п. д. ?] от полезной
мощности Р2, при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов.
Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности
при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис.
11.
Одновременно с увеличением мощности на валу Р2 растет и момент на валу М.
Поскольку с увеличением Р2 и М скорость n несколько уменьшается, то М =
Р2/п растет несколько быстрее Р2. Увеличение Р2 и М, естественно,
сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также
потребляемая из сети мощность Р1. При холостом ходе (Р2 = 0) к. п. д. ?= 0,
затем с увеличением Р2 сначала ?| быстро растет, но при больших нагрузках в
связи с большим ростом потерь в цепи якоря ? снова начинает уменьшаться.

Рис. 11. Рабочие характеристики
двигателя параллельного возбуждения
РН = 10 квт, UН = 220 в, пН = 950 об/мин

Заключение.

При написание реферата я узнал, что достоинство двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения заключается:
. большой диапазон скоростей;
. удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения;
Недостаток:
. сложность конструкции;
. наличии скользящего контакта в коллекторе;
. необходим источник постоянного тока;
Я так же узнал, что чаще всего неисправность в машинах постоянного тока
связана с коллектором.

Литература

Кулик Ю.А. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971

Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1974

Содержание.

1. Введение 2
2. Основные элементы конструкции МПТ 3
3. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
8
4. Заключение 12
5. Литература 13
6. Содержание 14