Машины постоянного тока Машины постоянного тока (МПТ) используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ): - от долей ватт ( в устройствах автоматики и вычислительной техники), до нескольких тысяч киловатт (привод прокатных станов, шахтных подъем-ников и др.); - ДПТ широко используются для привода подъемных средств (крановые двигатели) и привода транспортных средств (тяговые двигатели). Основные преимущества ДПТ по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока: - хорошие пусковые и регулировочные свойства; - возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин. Основные недостатки ДПТ: - относительно высокая стоимость; - сложность в изготовлении; - пониженная надежность; - наличие радиопомех и пожароопасности. Все недостатки ДПТ обусловлены наличием коллекторно-щеточного узла. Они ограничивают применение ДПТ.
u n N S A B + E макс , град e, u 90 180 270 360 0 e - E макс R н I + _ U н При вращении якоря в витке якорной обмотки наводится ЭДС e=2 · B · l·v Когда ЭДС в витке якорной обмотке меняет свое направление происходит смена коллекторных пластин под щетками. Полярность щеток всегда остается неизменной независимо от положения витка якорной обмотки. Принцип действия машин постоянного тока Характерным признаком коллекторных МПТ является наличие у них коллекторно-щеточного узла – механического преобразователя перемен-ного тока в постоянный и наоборот
Принцип действия двигателя постоянного тока N S A B I + _ U F эм F эм В результате взаимодействия тока I с магнитным полем появляются электро-магнитные силы F эм, создающие электромагнитный момент М эм. Одновременно с переходом каждого проводника в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока. Назначение коллектора в ДПТ - изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. Рассмотренная упрощенная модель МПТ может быть использована и в качестве ДПТ. Для этого отключим нагрузку R и подведем к щеткам напряжение от источника постоянного тока n n ' При прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали n n ‘ электромагнитные силы F эм = 0. С увеличением числа проводников в обмотке якоря и числа пластин коллектора вращение якоря становится устойчивым и равномерным.
Параллельное возбуждение Я1 Я2 Ш1 Ш2 М Последовательное возбуждение Я1 Я2 С1 С2 М Независимое возбуждение Я1 Я2 М1 М2 G Свойства МПТ в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т. е. способом возбуждения.
Способы возбуждения электрических машин постоянного тока Возбуждение от постоянных магнитов Я1 Я2 М Смешанное возбуждение Я1 Я2 Ш1 Ш2 С1 С2 G
МДС обмотки возбуждения в режиме холостого хода: Магнитная цепь машины постоянного тока L ca h m h m h z h z L c я L ca – статор (ярмо) L c я – спинка якоря h m – главный полюс – воздушный зазор h z – зубцовый слой якоря F во =2 F δ +2 F z +2 F m + F a + F я F δ – магнитное напряжение воздушного зазора F z – магнитное напряжение зубцового слоя якоря F m – магнитное напряжение главного полюса F a – магнитное напряжение статора (ярма) F я – магнитное напряжение спинки якоря Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор , поэтому магнитное напряжение F δ намного больше остальных слагаемых F во
B δ B δ N S τ τ n’ n S I я = 0 N В режиме холостого хода I я = 0 и в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения F во В этом случае магнитное поле симметрично относительно оси полюсов F во
2 1 N S τ τ Если машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток I я, который создает МДС якоря F а. Допустим, что МДС обмотки возбуждения F во =0, тогда магнитное поле МДС якоря F а будет иметь вид: Пространственное положение МДС якоря F а опреде-ляется положением щеток и остается неизменным при вращении якоря F а n’ N S I В = 0 n
1 1 m ’ m α N S τ τ N S n ’ n Г Д Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.
Реакция якоря машины постоянного тока Если магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток Ф, не изменяя его значения: один край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС F а и F во совпадают по направлению, будут подмагничиваться, а другой край полюса и соответствующий слой якоря, где МДС F а и F во не совпадают по направлению, будут размагничиваться. Результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на угол . Т. е. физическая нейтраль m m’ смещается относительно геометрической нейтрали n n’ на угол . В режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а режиме двигателя – против вращения якоря. Искажения результирующего поля неблагоприятно влияет на рабочие свойства МПТ: 1. сдвиг физической нейтрали ухудшает условия работы щеточного контакта, что может привести к усилению искрения на коллекторе; 2. искажения поля приводит к неравномерному распределению магнитной индукции в зазоре, и, следовательно, к росту мгновенных значений ЭДС отдельных секций, что может привести к такому возрастанию напряжений между коллекторными пластинами, при котором возможно возникновения электрической дуги на коллекторе.
Реакция якоря машины постоянного тока Если магнитная система машины насыщена, то под влиянием реакции якоря подмагничивание одного края полюса и зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края полюса и зубцового слоя якоря. При этом результирующий магнитный поток Ф уменьшается, т.е. реакция якоря в насыщенной машине размагничивает магнитную систему. В результате у генераторов снижается ЭДС, а у двигателей – вращающий момент. Влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали, т. к. вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря. F а F а d F а q При этом МДС якоря F а помимо поперечной составляющей F а q = F а cos приобретает и про - дольную составляющую F а d = F а sin , направлен - ную по оси полюсов. n’ N S n Г Д
Реакция якоря машины постоянного тока В генераторном режиме : – при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая F а d размагничивает машину, т. е. ослабляет основной поток; – при смещении щеток против направления вращения якоря про-дольная составляющая F а d подмагничивает машину, т. е. усиливает основной поток, но при этом может явиться причиной искрения на коллекторе. В двигательном режиме : – смещение щеток по направлению вращения якоря подмагничивает машину ; – при смещении щеток против направления вращения продольная составляющая F а d размагничивает машину.
М КО Наиболее эффективное средство – компенсационная обмотка (КО), которая укладывается в пазы полюсных наконечников. Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС F КО была противо-положна направлению МДС обмотки якоря F а. Такое включение КО обеспечивает автоматическую компенсацию МДС якоря при любой нагрузке машины.
Устранение вредного влияния реакции якоря В межполюсном пространстве компенсационная обмотка не обеспечивает полной компенсации МДС якоря. Поэтому нежелательное влияния МДС якоря на работу щеточного контакта устраняют применением добавочных полюсов. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсационной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют увеличением зазора на краях главных полюсов. Однако, это приводит к необходимости повышения МДС главных полюсов и, следовательно, к увеличению размеров катушек, полюсов и всей машины в целом. max
Обмотки якоря машин постоянного тока Основные понятия Обмотка якоря МПТ – замкнутая система проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Основным элементом обмотки якоря является секция – часть обмотки, подсоединенная к двум коллекторным пластинам Полюсное деление – часть длины окружности якоря, приходящаяся на один полюс Секция может состоять из одного или нескольких витков. Активные стороны секции располагаются под разноименными полюсами на расстоянии полюсного деления друг от друга.
Параметры обмотки якоря: S – число секций; Z – число пазов (реальных); S п =S/Z – число секций, приходящихся на один паз; S=Z э =K где K – число коллекторных пластин. S п = 2 Z э = 2 Z S п = 3 Z э = 3 Z S п = 1 Z=Z э В МПТ применяют двуслойные обмотки якоря – в каждом пазу укладываются две активных стороны двух различных секций Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Z э – число элементарных пазов. Для уменьшения пульсаций ЭДС и увеличения ее значения секции обмотки соединяют последо-вательно – к коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало следующей.
2 1 y к y 1 y 2 y S N левоходовая 1 2 y к y 1 y 2 y S N правоходовая y = y 1 - y 2 y – результирующий шаг по якорю; y K – шаг обмотки по коллектору; y=y K = ±1, где «+» - правоходовая обмотка; «-» - левоходовая обмотка y 1 – первый частичный шаг по якорю; y 1 = [ Z э /(2 p )] ± ε y 2 – второй частичный шаг по якорю; y 2 = y 1 ± y = y 1 ±1 Секция имеет форму петли, а начало и конец секции присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам
K 1 y k S N y 1 y 2 y S N Левоходовая y = y K =( K ±1)/ p, - шаг обмотки по коллектору где «+» - правоходовая обмотка ; «-» - левоходовая обмотка В этой обмотке последовательно соединяют секции, находящиеся под разными парами полюсов. При этом форма секции напоминает волну. y 1 – первый частичный шаг; y 1 = [ Z э /(2 p )] ± ε – второй частичный шаг y 2 = y - y 1
K+1 1 y k S N y 1 y 2 y S N Правоходовая Простая петлевая обмотка всегда имеет одну пару параллельных ветвей. При этом половина секций всегда соединена последовательно. Поэтому волновые обмотки применяют в МПТ, рассчитанных на высокие напряжения.
S N y k.петл. N 4 3 11 10 2 τ y k.волн. y 1 = y 1 волн +. y 1 петл S . y 1 петл y 1 волн
где N – число пазовых проводников; 2 a – число параллельных ветвей. ЭДС одного пазового проводника, активная длина которого l i где - длина окружности якоря. где - постоянная для данной машины. или с учетом ЭДС обмотки якоря наводится основным магнитным потоком и определяется суммой ЭДС секций, входящих в одну параллельную ветвь Окружная скорость якоря
где - постоянная для данной машины Учитывая, что ток параллельной ветви i a =I a / 2 a, получим На каждый проводник обмотки якоря с током i a действует электромагнитная сила Совокупность всех сил F эм, действующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря D а / 2, создает электромагнитный момент Диаметр якоря выразим через полюсное деление D a = 2 p /
где - угловая скорость вращения - электромагнитная мощность машины постоянного тока Электромагнитный момент машины постоянного тока Подставив выражение основного магнитного потока Ф = Е а /( С е n ), получим В машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машин с меньшей частотой вращения.
i a 1 2 i a i 1 2 i a t = T k i a i a t = 0,5 T k 1 2 i 2 2 i a i a i a i 1 1 2 i a i 2 2 i a t = 0 i a i a i a Направление вращения Обмотка якоря МПТ разделяется щетками на две (в волновых обмотках) или на несколько пар параллельных ветвей. При работе МПТ обмотка якоря вращается относительно неподвижных щеток, поэтому секции обмотки якоря непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую. В процессе переключения секция замыкается щеткой накоротко, а ток секции изменяет свое направление на противоположное.
Коммутация в машинах постоянного тока Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и связанные с ним явления в короткозамкнутых секциях называют коммутацией машин постоянного тока. Время в течении которого секция обмотки якоря накоротко замкнута щеткой называют периодом коммутации T. Коммутация – сложный процесс, зависящий от большого числа факторов. Поэтому точный и строгий анализ этого явления чрезвычайно труден. Предположим: а) ширина щетки b щ равна ширине коллекторной пластины b к b щ = b к ; б) сумма ЭДС, индуцируемых в короткозамкнутой секции равна нулю ∑ e = 0. При этом изменение тока в к. з. секции будет определяться только контактными сопротивлениями между щеткой и коллекторными пластинами. Этот случай носит название коммутации сопротивлением. Ток в к. з. секции изменяется по линейной зависимости от t. Такая коммутация называется прямолинейной.
Кроме того: 1) в процессе коммутации в короткозамкнутой секции индук-тируется ЭДС самоиндукции которая стремится воспрепят-ствовать изменению тока. В результате происходит замедленная коммутация (кривая 2 ) – плотность тока под набегающим краем щетки j 1 – уменьшается, а под сбегающим краем j 2 – возрастает. Коммутация в машинах постоянного тока + i a - i a t 0 T k 1 2 2) Если щетка перекрывает несколько коллекторных пластин, то в рассматри-ваемой секции будут наво-диться ЭДС взаимоиндукции e M, которые увеличивают суммарную e L. 3) При вращении якоря в КЗ секции индуктируется ЭДС вращения e к, при пересечении проводниками секции внешнего магнитного поля, которое может образоваться в зоне коммутации, как за счет реакции якоря, так и добавочными полюсами.
ЭДС вращения e к может изменять свой знак в зависимости от направления поля в зоне коммутации и направления вращения. При этом может осуществляться: 3 – ускоренная коммутация (разные знаки) 4 – сильно замедленная коммутация 5 – сильно ускоренная коммутация Коммутация в машинах постоянного тока + i a - i a t 0 T k 1 2 Коммутация под сбегающим краем щетки при j 2 = 0 обеспечивает безыскровое размыкание контура к. з. секции. При этом j 1 имеет повышенное значение, но оно в определенных границах, не представляет опасности, т.к. безыскровое замыкание контура осуществляется легче, чем размыкание. 3 4 5
искрение возникает, если к. з. секция в момент размыкания имеет достаточный запас электромагнитной энергии в результате воздействия e L и e к. Причины искрения: 1) Электромагнитного характера – Коммутация в машинах постоянного тока В результате разряда этой энергии возникает искрение на сбегающем крае щетки. Искрение на набегающем крае щетки возникает при резко ускоренной коммутации, при значительном преобладании e к и больших плотностях тока j 1. при неравномерном распределении индукции в зазоре между некоторыми соседними коллекторными пластинами возможно появление большого напряжения, которое определяется ЭДС, наводимой в секциях, присоединенных к этим пластинам Предельные значения U к max : 25 28 В – в ЭМ большой мощности; 30 35 В – в ЭМ средней мощности; 50 60 В – в ЭМ малой мощности. 2) Потенциального характера –
3) Механического характера – а) коллектор: – эксцентрическое расположение коллектора на валу; – плохая балансировка вращающихся частей; – неровности поверхности коллектора; – выступающие края изолирующих прокладок между пластинами. Коммутация в машинах постоянного тока Причины искрения: б) щеточный аппарат: – недостаточно точное закрепление щеткодержателя на щеточном пальце; – неравномерное распределение пальцев по окружности коллектора; – недостаточно жесткое крепление щеточной траверсы; – неправильный выбор марки щетки. Способы улучшения коммутации 1). Уменьшение ЭДС e L – достигается уменьшением числа витков секции (стремятся к w c =1), снижением магнитной проводимости паза (пазы выполняют меньшими по высоте и большими по ширине)
Коммутация в машинах постоянного тока 2). Создание в зоне коммутации коммутирующего поля: а) сдвигом щеток с геометрической нейтрали – в МПТ небольшой мощности, не имеющих ДП. В генераторах щетки сдвигают по направлению вращения, в двигателях – против направления вращения. Недостаток: требуемый угол сдвига изменяется в зависимости от нагрузки. б) применением добавочных полюсов ДП: Способы улучшения коммутации М КО ДП ДП ДП ДП Обмотка ДП соединяется последова-тельно с обмоткой якоря. ДП устанавливаются между главными полюсами МПТ.
