Машины постоянного тока презентация

тока
2. Способы возбуждения машин постоянного тока
3. Электродвижущая сила обмотки якоря машины постоянного тока
4. Электромагнитный момент машины постоянного тока
5. Магнитная цепь машины постоянного тока
6. Реакция якоря машины постоянного тока
7. Потери и КПД машины постоянного тока
8. Характеристики двигателей параллельного возбуждения
9. Характеристики двигателей последовательного возбуждения
10. Характеристики двигателя смешанного возбуждения
11. Пуск двигателей постоянного тока
12. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

использует две стороны работы магнитного поля:
получение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле (принцип действия генератора);
2. получение электромагнитной силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (принцип действия электродвигателя).
Т.о. для работы электрической машины необходимо соблюдение 3-х условий:
1. наличие магнитного потока, который создается постоянным магнитом или током;
2. наличие среды, проводящий электрический ток;
3. относительное изменение магнитного потока и проводящей среды (генератор) или наличие в проводящей среде электрического тока (двигатель).

неподвижную часть - статор и подвижную - ротор.

Рисунок 1.1 Машина постоянного тока:
1— коллектор, 2 — щетки, 3 — якорь,
4— полюс, 5 — обмотка возбуждения,
6 — корпус, 7 — подшипниковые щиты,
8 — вентилятор, 9 — обмотка якоря

Статор включает в себя корпус 6, к корпусу крепятся полюсы 4, подшипниковые щиты 7 и лапы для крепления машины к фундаменту. Корпус, являющийся частью магнитопровода, называется станиной. Т.к. Ф=const, станина - из цельнометаллической трубы.
Сердечники полюсов - из пластин электро-технической стали, изолированных между собой. Полюсы - главные и дополнительные. Главные —для создания основного Ф. Для этого на полюс устанавливается катушка из обмоточного провода (обмотка возбуждения). Дополнительные полюсы - для улучшения коммутации.
Ротор является якорем и состоит из вала, сердечника с обмоткой 9, коллектора 1 и вентилятора 8.

В сердечнике якоря выштампованы пазы, в которых укладывается обмотка якоря (из обмоточного провода). Концы секции обмоток электрически соединены с коллекторными пластинами. Коллектор выполняют в виде цилиндра, собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди, изолированных между собой и валом. Крепление пластин осуществляется корпусными шайбами с изоляционными миканитовыми прокладками или с помощью пластмассы.
Вал машины устанавливается в подшипниках.
Для охлаждения используется система вентиляции. В машинах малой и средней мощности обычно используют вентилятор, который крепится на валу машины и закрывается кожухом из металла.
Выводы обмоток идут в клеммную коробку, которая закреплена на станине.

полюса. Между ними равномерное магнитное поле с индукцией В. Между полюсами - рамка из проводникового материала шириной , м, длиной , м, концы которой припаяны к полукольцам. Электрический контакт внешней сети с полукольцами осуществляется щетками. Это – простейшая машина постоянного тока - может работать как генератором, так и двигателем.
Генератором - необходимо вращать рамку. По закону эл-магнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС , B
где Ф — магнитный поток, проходящий
через рамку, Вб; — время, с.
Эта ЭДС может сниматься с полуколец щетками. Ее нап-равление - по правилу правой руки. За один оборот в рамке будет создаваться переменная ЭДС, и если бы вместо полуколец концы рамки были бы припаяны к кольцам, получился бы генератор переменного напряжения. Для выпрямления ЭДС в простейшем случае служат полукольца, а в реальной машине — коллектор.
Двигателем - необходимо к рамке подвести напряжение - вызывает ток , A. Он будет взаимодействовать с магнит-ным потоком, т.е. на него будет действовать сила , Н

- создаст вращающий момент. Направление вращения - по правилу левой руки. Направление тока в рамке меняется с помощью полуколец, а в реальной машине — с помощью коллектора.

3. позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики.
Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей.
Их применяют для :
1. привода различных механизмов в черной металлургии,
2. на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили),
3. в грузоподъемных и землеройных устройствах
4. на морских и речных судах и в других приводах мощностью до нескольких тысяч киловатт.
Двигатели небольшой мощности применяют в системах автоматики.
Генераторы постоянного тока в последнее время в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

навести в ней основной Ф. Системы возбуждения определя-ются схемой включения обмотки возбуждения относительно якоря, за-висят от конструкции и назначения машины постоянного тока.
Обозначения:
Я1-Я2 – обмотка якоря
Ш1-Ш2 – независимая и параллельная обмотка возбуждения (шунтовая);
С1-С2 – последователь-ная обмотка возбужде-ния (сериесная);
Д1-Д2 – обмотка допол- нительных полюсов

возбуждения, питаемой от независимого источника. Для промышленных целей, в основном, применяют машины постоянного тока с самовозбуждением – не требуется дополнительного источника питания. В машинах постоянного тока со смешанным возбуждением (компаундные) параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (их МДС совпадают) и встречно (направлены противоположно друг другу). Обмотки параллельного возбуждения имеют большое количество витков, намотанных проводом малого сечения – их омическое сопротивление большое и по ним протекает небольшой ток. По обмоткам последовательного возбуждения проходит ток якоря. Поэтому они имеют относительно малое количество витков, выполненных проводом большого сечения.

в магнитном поле полюсов, в каждом из проводников обмотки якоря будет наводиться ЭДС
где — индукция в точке, где лежит данный проводник;
- активная длина проводника;
- линейная скорость его вращения.
ЭДС обмотки якоря будет = сумме ЭДС проводников одной параллельной ветви:
где — количество всех проводников в обмотке.
(1) 2а – количество параллельных ветвей.

Распределение магнитной индукции под полюсом машины
постоянного тока

При большом количестве коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией ЭДС. Тогда для расчета можно взять среднее значение магнитной индукции Вср в пределах полюсного деления τ. В этом случае

где — внешний диаметр якоря: (2)
Линейная скорость проводника: (3)
где — частота вращения якоря, мин-1.
Подставив выражения (2) и (3) в (1), получим среднее значение ЭДС:

т.к. -- постоянная машины
- основной магнитный поток
Тогда среднее значение ЭДС машины постоянного тока:

б — схема замещения цепи якоря

Мгновенное значение ЭДС пульсирует между значениями Еmin и Еmax. Максим-ое знач-е пульсаций ΔЕ=0,5(Еmax - Еmin) зависит от числа коллекторных пластин.
Уравнения равновесия ЭДС генератора можно вывести исходя из схемы замещения цепи якоря:
Для двигателя постоянного тока:

с током в магнитном поле будет действовать сила :
где — индукция в точке, где лежит данный проводник;
— активная длина проводника;
— ток проводника, А.
где — ток якоря машины, А.
Сила, действующая на якорь, равна сумме сил действующих на каждый проводник. При большом количестве коллекторных пластин эту силу можно считать постоянной и равной:
(1)

где Вср — среднее значение индукции в пределах полюсного деления.
Электромагнитный момент, действующий на якорь машины равен: (2)

(3) Подставив (1) и (3) в формулу (2) получим:

Приняв постоянную машины при расчете момента
и основной магнитный поток
Тогда

создается только обмоткой возбуждения Фf . Он всегда замкнут и проходит через
полюсы 1, воздушный зазор 2, зубцовую зону якоря 3, ярмо ротора 4 и станину 5.
При симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником полюса поток распределяется симметрично относительно продольной оси машины.

Зависимость магнитного потока от МДС Фf = f (Ff ) или от тока возбуждения Фf = f( If ) называется магнитной характеристикой машины.

На первом участке зависимость прямолинейна. Вся МДС ма-шины тратится на преодоление воздушного зазора с постоян-ным магнитным сопротивлением. Участки, выполненные из ферромагнитного материала, сопротивление магнитному потоку практически не оказывают. С ростом Iв и Ф сталь насыщается и начинает оказывать сопротивление магнитно-му потоку. Поэтому характеристика теряет свою линейность.

Ток возбуждения принимают такой, чтобы рабочая точка "А" находилась в месте перегиба характеристики. Магнитная система будет насыщена.

воздушного зазора:
Для машины постоянного тока
Магнитную индукцию на каждом участке определяют по формуле:
где Пi— площадь сечения участков, м2.
Зная магнитную индукцию, определяют напряженность магнитного поля на каждом из участков по кривым намагничивания стали Вi =f(Hi). Для воздушного зазора :
— индукция в воздушном зазоре, Тл;
— магнитная постоянная, равна 4π⋅10-7, Г/м.
Магнитодвижущую силу участков определим по формуле:
где — длина каждого участка, по которому проходит магнитный поток.
МДС, необходимая для создания требуемого магнитного потока, будет равна сумме МДС участков.
По закону полного тока найдем ток возбуждения и количество витков обмотки возбуждения :


где — количество участков магнитной цепи машины.

распре-деление индукции в воздушном зазоре

При работе машины под нагрузкой по об-мотке якоря протекает ток, который создает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на маг-нитное поле машины называется реакцией якоря.
Для упрощения анализа считаем, что МДС обмотки возбуждения и МДС реакции якоря расходуются на преодоления магнитными потоками воздушного зазора. Тогда вместо указанных МДС можно рассматривать соот-ветствующие потоки обмотки возбуждения Фf и реакции якоря Фа.
В режиме холостого хода поток возбужде-ния Фf направлен по продольной оси маши-ны (рис.а). Т.к. обмотка возбуждения явля-ется сосредоточенной, то распределение МДС в воздушном зазоре в пределах полюс-ного деления Ff =f(τ) имеет форму прямоу-гольника. При этом кривая Вf=f(τ) в воздуш-ном зазоре имеет форму криволинейной трапеции (рис.а).

поток якоря направлен поперек основного магнитного потока (рис. в) – имеет место поперечная реакция якоря. Если обмотка якоря равномерно распределена по его окружности, то МДС якоря изменяется линейно вдоль этой окружности. Под серединой полюса она равна нулю, а в месте установки щеток имеет максимальное значение. Под полюсом при δ=const индукция Ва изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко увеличивается воздушный зазор, а индукция уменьшается. Поэтому индукция якоря в воздушном зазоре имеет седлообразную форму (рис. в).
Кривую распределения результирующей индукции можно получить алгебраическим сложением ординат кривых Вf=f(τ) и Ва=f(τ) (рис. с). Результирующая магнитная индукция под одним краем полюса значительно выше, чем под другим. Магнитный поток по полюсу распределен неравномерно. Максимальное значение магнитной индукции сдвинуто с середины полюса и физическая нейтраль смещена относительно геометрической на угол α.
Геометрическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, стороны которых находятся под серединами полюсов ( в этих точках индукция при холостом ходе равна нулю).
Физическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, ЭДС которых максимальны с учетом реакции якоря при работе машины ( в этих точках индукция при нагрузке равна нулю).

2 — обмотка возбуждения, 3 — полюс, 4 — пазы для компенсационной обмотки, 5 — якорь

1) Используют компенсационную обмотку, кото-рую укладывают продольно в пазы полюсных наконечников (рис. 2.14) и включают последова-тельно и встречно с обмоткой якоря. Количество витков такое, чтобы поток обмотки был равен потоку реакции якоря и компенсировал его.
2) Увеличивают зазор под главными полюсами, что ослабляет поток реакции якоря. Но это ослабляет и основной магнитный поток. Поэтому требуется большая МДС главных полюсов.
3) Используют добавочные полюса, обмотки которых включаются последовательно и встречно с обмоткой якоря.

Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали, якорь можно разделить на четыре зоны: I и III зоны создадут поперечную реакцию якоря, во II и IV зонах будет продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения двигателя, то продольная составляющая реакции якоря размагничивает машины. При сдвиге щеток в обратном направлении – подмагничивает.

на примере двигателя.

Энергетическая диаграмма двигателя

При подаче напряжения на двигатель по обмотке якоря и обмотке возбуж-дения начинает проте-кать ток. Из сети двига-тель потребляет мощно-сть Р1=UI. В обмотках и щетках возникают элек-трические потери .


где — сопроти-вления соответственно обмоток параллельного возбуждения, якорной и последовательного возбу-ждения; — падение напряжения на щётке;

— ток параллельной ветви, который идёт по щётке; — количество щёток.
зависят от нагрузки машины, поэтому они называются переменными.

по магнитным цепям машины и создает в них маг-нитные потери .
Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Перемагничиванию подвергается якорь и полюсные наконечники.
Магнитные потери зависят от :
магнитной индукции,
марки и толщины листов стали, из которой набран сердечник якоря,
частоты перемагничивания.
При взаимодействии магнитного поля с током якоря, якорь начинает враща-ться. Возникают механические потери - обусловлены:
трением в подшипниках, 
щёток о коллектор,
вентилятора о воздух.
Также в машине имеют место добавочные потери - складываются из: 1. потерь в уравнительных соединениях,
2. в стали из-за неравномерной магнитной индукции под полюсом,
3. от пульсации магнитного потока в полюсных наконечниках и т.д.
и не зависят от нагрузки. Их называют постоянными.

к подводимой Р1 .



Т.к. , то

Для машин мощностью до 100 кВт номинальный КПД равен 0,75-0,9. Максимальный КПД имеет место при нагрузке 70-80% номинальной.

Зависимость КПД от нагрузки

EД + Iяrя
где U – напряжение сети, EД – ЭДС якоря двигателя
Уравнение моментов двигателя: Мд – Мс = Мдин = J dω/dt
где Мд – момент двигателя, Мс – момент сопротивления рабочей машины, J – момент инерции
- среднее значение ЭДС машины постоянного тока
Ce - постоянная машины
Ф - основной магнитный поток
n - частота вращения якоря, мин-1

М = СМ Ф Iя - электромагнитный момент машины постоянного тока
СМ - постоянная машины
Iя – ток якоря

двигателя, называются естественными, а остальные — искусственными.
1. Моментная характеристика – зависимость момента на валу двигателя от тока якоря , при U=const.

При U=const ток возбуждения постоянен. Если пренебречь реакцией якоря, постоянным будет и магнитный поток. Тогда зависимость момента от тока якоря линейна.
2.Скоростная (электромеханическая) характеристика – зависимость частоты вращения якоря двигателя от тока якоря , при U=const.
n = nx – Iяrя / CeФ (1) , где - частота вращения в режиме холостого хода.

Скоростная характеристика жёсткая. При обрыве цепи возбуждения ток возбуждения равен нулю,  магнитный поток равен остаточному, частота вращения резко увеличивается. Это может привести к аварии.

валу двигателя , при U=const.
Также как и скоростная, она линейна.


4. Рабочие характеристики – зависимости момента на валу М, частоты вращения якоря n, тока якоря Iя, подводимой мощности P1, и КПД , от полезной мощности P2, М, n, Iя, Р1, при U=const.

Характеристика  . При Р2 = 0 , КПД равен нулю. При изменении нагрузки от 0,25 Рн до 1,25 Рн , КПД меняется незначительно.
Характеристика (2)

При , получается математическая неопре-делённость . Она равна току холостого хода
Т. к. при изменении от 0,25Pн до 1,25 Pн КПД практически не изменяется, то при построении характеристик можно допустить,  что

близка к линейной.

Тогда при характеристика

выражение (2) подставим в формулу (1), получим


Из уравнения видно, что рабочая характеристика аналогична скоростной и механическим характеристикам.
Характеристика объясняется следующей формулой:

Так как с ростом частота вращения уменьшается, а прямо пропорционально , характеристика , будет иметь больший наклон, чем зависимость , и начинается с нуля.
Характеристика

Электрические потери зависят от квадрата нагрузки, поэтому характеристика теряет свою линейность, но незначительно.

возбуждения является током нагрузки, и магнитный поток пропорционален току
(2.67) — коэффициент пропорциональности.

Моментная характеристи-ка , при U=const
Подставим (2.67) в фор-мулу момента двигателя:
(2.68)

Из выражения видно, что моментная характеристи-ка является параболой.

Скоростная (электромеханическая) характеристика , при U=const. Подставим выражение (2.67) в формулу скоростной характеристики:
(2.69)

Скоростная характеристика является гиперболой. Если ток якоря равен нулю частота вращения равна бесконечности. Это означает, что двигатель последовательного возбуждения нельзя запускать в режиме холостого хода.

, при U=const.

Выразим ток из формулы (2.68).

(2.70)
Подставим (2.70) в урав-нение (2.69):

(2.71)

Механическая характеристи-ка двигателя с последова-тельным возбуждением — гипербола (рис. 2.44).

Скоростная и механическая характеристики двигателя с последователь-ным возбуждением мягкие - при изменении нагрузки в значительной мере меняется частота вращения.

, Iя, , , при U=const.

Характеристика . Если выражение

подставить в формулу скоростной характеристики, получим:

(2.72)
Из формулы видно, что характер кривой аналогичен скоростной характеристике.
Характеристика . Подставим выражение

в формулу момента:


(2.73)
Из формулы видно, что характеристика представ-ляет собой параболу.

Характеристики , , подобны аналогичным характеристикам двигателя с параллельным возбуждением.

между характеристиками двигателей параллельного и пос-ледовательного возбуждения.
Моментная характеристика , при U=const.

(2.74)

где и — потоки параллельной и последовательной обмоток.

Знак плюс соответствует согласному включению обмоток, когда их потоки совпадают.

2

3

характеристика , при U=const:

(2.75)

Механическая характеристика , при U=const:

(2.76)

Рабочие характеристики: аналогична скоростной, —
моментной, а , , одинаковы для всех двигателей.

якоря равен:
(2.81)

В момент пуска частота вращения и ЭДС двигателя будут равны нулю. Сопротивление якоря обычно мало, и при пуске ток якоря мощных двигателей превышает номинальный ток в 10-20 раз. Большой пусковой ток:
вызывает значительные динамические усилия в двигателе, что может привести к его разрушению;
ухудшает условия коммутации, возможен круговой огонь по коллектору;
вызывает значительное падение напряжения в линии, что отрицательно влияет на работу других электропотребителей.
Прямой пуск возможен только для двигателей малой мощности до 1 кВт. В остальных случаях нужно применять специальные способы пуска двигателей:
реостатный пуск;
пуск при пониженном напряжении.

(б – скоростные характеристики)

Рис. 2.56 Реостатный пуск двигателя постоянного тока

Двигатель начинает разгон когда переключатель - в положении 1 ( в цепь двигателя включены все секции пускового реостата – соот-ветствует прямой 1 (рис. Б)). Как видно, наклон характеристики наибольший. Суммарное сопротив-ление пускового реостата опреде-лится по формуле:
(2.82), где
— допустимый ток якоря. Обычно он превышает номинальный не более, в 2-3 раза.
Когда частота вращения достигнет значения , переключатель пере-водится в положение 2 (соответст-вует меньшему наклону скорост-ной характеристики (прямая 2).

Двигатель разгоняется до частоты вращения , и снова происходит переключение переключателя в поло-жение 3. Положению переключателя 4 соответствует естественная характе-ристика (прямая 4), а частота вра-щения — номинальной. Недостаток этого способа — большие потери в пусковом реостате.

этого необходим регулятор напряжения:
регулируемые автотрансформаторы с выпрямительным блоком, генераторы постоянного тока,
тиристорные регуляторы,
широтно-импульсные преобразователи,
переключение с последовательного соединения двигателей на параллельное.
При снижении напряжения скоростные характеристики смещаются вниз (рис. 2.48 – показано ниже), и пусковой ток уменьшается.

вращения:


Частоту вращения можно регулировать изменением напряжения , сопротивления якоря или магнитного потока .
Регулирование частоты изменением напряжения.

Изменение напряжения необходимо осуществ-лять только в цепи якоря. Ток возбуждения и маг-нитный поток должен оставаться постоянным.
Скоростные характеристики при этом параллельны и смещены относительно друг друга только по вы-соте. Диапазон регулирования ограничен «сверху» условиями коммутации, «снизу» — нагревом дви-гателя (при снижении напряжения нужно увеличи-вать ток якоря. При этом . Для регу-лирования этим способом, необходим источник регулируемого напряжения.

изменяется, а изменяется только наклон скоростной характеристики (рис.2.53: 1— естественная, 2 — с дополнительным сопротивлением в цепи якоря). Регулирование возможно только в сторону уменьшения частоты вращения. Диапазон . Он ограничен сверху естественной характеристикой, снизу — устойчивостью работы.

изменением магнитного потока: а — схема; б — скоростные характеристики(1- естественная; 2-искуственная);

При изменении сопротивления реостата в цепи обмотки воз-буждения будет меняться ток возбуждения и магнитный поток. При это будет меняться частота вращения. Меняется как часто-та вращения холостого хода, так и наклон характеристики.
Значение наибольшего магнит-ного потока ограничено насы-щением стали машины. Поэто-му регулирование осуществля-ется в сторону увеличения час-тоты вращения.

Магнитный поток при этом уменьшают.
Диапазон регулирования, ограничен "снизу" насыщением стали; "сверху" — неустойчивой работой двигателя.

механическими, применяют электрические способы торможения. В этом случае торможение осуществля-ется электромагнитным полем. Различают следующие виды электрического торможения: рекуперативное, динамическое, противовключением.
Рекуперативное — торможение, при котором машина работает генератором с отдачей энергии в сеть. Оно наиболее экономично, но не всегда осуществимо в реальных условиях, потому что частота вращения должна быть выше, чем в режиме холостого хода
Динамическое — это генераторное торможение, при котором кинетическая энергия рабочей машины и самого двигателя гасятся на специальном сопротивлении.

вращения якоря и током якоря на естественной характеристике 1. Для торможения переключатель переводят в положение 1. Якорь двигателя про-должает вращаться, обмотка возбуждения от сети не отключена и наводит магнитный поток, следовательно, машина начинает работать генератором.

При переключателе П в положе-нии 2 машина работает двигате-лем с частотой вращения якоря и током якоря на естественной характеристике 1. Для торможе-ния переключатель переводят в положение 1. Якорь двигателя продолжает вращаться, обмотка возбуждения от сети не отключе-на и наводит магнитный поток, следовательно, машина начина-ет работать генератором. Если R=0, ток якоря в первый момент в несколько раз больше номина-льного и равен , что соответ-ствует тормозной характеристике 2 (харак-ки 1 и 2 параллельны).

Рис. 2.59 Динамическое торможение : а — схема, б — скоростные характеристики (1 — естественная, 2 — тормозная при R=0, 3 — тормозная при R>0)

Если R>0, наклон скоростной характ-ки увеличивается (тормозная характ-ка 3), и ток торможения уменьшается до . По мере остановки двигателя ток → 0.

Торможение противовключением: а — схема, б — скоростные характеристики (1 — естественная, 2 — тормозная при R=0, 3 — тормозная при R>0)

При переводе переключате-ля П из положения 1 в 2, ток якоря изменится на противо-положный. Согласно правилу левой руки, момент также изменится на противополож-ный, т.е. будет тормозить якорь. При =0 ток якоря в первый момент торможения будет приблизительно в 2 раза больше, чем при динамичес-ком торможении. При ток торможения будет . Тормозной момент по мере торможения будет уменьшать-ся пропорционально току. При момент не равен 0,
и если двигатель не отключить,
он раскрутит якорь двигателя в обратную сторону.