Заняття 5 Машини постійного струму
ЛУБЕНСЬКИЙ ЦЕНТР ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ
РФ «ПІВДЕННА ЗАЛІЗНИЦЯ»
Конспект навчального матеріалу з предмету «Електротехніка і електровимірювання» для груп підвищення кваліфікації машиністів
Тема 4. Електричні машини постійного струму
Заняття 5. Поняття про магнітне коло електричної машини. Принцип дії та будова електродвигуна та генератора постійного струму.
План заняття:
- Види електричних машин. Поняття про магнітне коло електричних машин.
- Основні частини електричних машин постійного струму.
- Способи збудження машин постійного струму
Електричні машини призначені для перетворення енергії. Механічну енергію на електричну перетворюють за допомогою електричних генераторів. Електричну ж енергію на механічну - за допомогою електричних двигунів.
Принцип дії, будова і робота різних електричних машин ґрунтуються на використанні деяких фізичних явищ. Найважливіші з них - електромагнітна індукція і взаємодія магнітних (електромагнітних) полів.
Ці явища ви вивчали на уроках фізики у 8-му класі. Згадайте такий дослід: провід, з'єднаний з чутливим вимірювальним приладом (гальванометром), переміщують між полюсами підковоподібного магніту, при цьому стрілка гальванометра відхиляється. Дослід показує, що в провіднику під час руху його в магнітному полі виникає електрорушійна сила (ЕРС). її називають ЕРС електромагнітної індукції, або просто ЕРС індукції, а напрям цієї ЕРС визначають, як відомо з курсу фізики, користуючись правилом правої руки: долоню правої руки розміщують так, щоб лінії магнітної індукції входили в неї, а відігнутий під прямим кутом великий палець збігався з напрямом руху провідника, тоді витягнуті чотири пальці руки показують напрям ЕРС індукції.
ЕРС індукції виникає й тоді, коли провідник нерухомий, але міститься в змінному магнітному полі.
Отже, явище електромагнітної індукції полягає в тому, що в провідному контурі, який міститься в змінному магнітному полі або перетинає лінії магнітної індукції постійного магнітного поля, виникає електрорушійна сила індукції.
Згадаємо інший дослід: по проводу, розміщеному між полюсами підковоподібного магніту, пропускають електричний струм - провід переміщується перпендикулярно до ліній магнітної індукції. Дослід показує, що на провід зі струмом у магнітному полі діє сила, напрям якої визначають, користуючись правилом лівої руки: долоню лівої руки розміщують так, щоб лінії магнітної індукції входили в неї, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, тоді відігнутий під прямим кутом великий палець показує напрям сили, що діє на провідник. Сила діятиме на провід зі струмом і тоді, коли в досліді постійний підковоподібний магніт замінити електромагнітом. Проводу можна надати форми рамки; якщо рамку розмістити в магнітному полі і пропустити по ній струм, то вона повернеться навколо своєї осі.
Обертання рамки зумовлене тим, що на її сторони діють сили в протилежних напрямах. А такі сили, як відомо з фізики, створюють обертаючий момент. Розглянуте явище лежить в основі будови і роботи електричних двигунів, багатьох електричних приладів, апаратів. У кожному з розглянутих вище випадків і аналогічних до них (наприклад, коли струм проходить по двох паралельних проводах) виникнення сили можна пояснити взаємодією магнітних (електромагнітних) полів: магнітного поля постійного підковоподібного магніту й магнітного поля, створюваного струмом, який проходить по провіднику; магнітного поля постійного підковоподібного магніту (або електромагніту) і магнітного поля, створюваного струмом, що проходить по рамці; магнітних полів, створюваних струмами, котрі проходять по кожному з паралельно розміщених проводів.
За видом струму розрізняють машини змінного струму і машини постійного струму.
Електричні машини змінного струму поділяють, крім того, на дві групи - синхронні й асинхронні. Щоб зрозуміти ознаки цієї класифікації, розглянемо будову електричних машин. Електрична машина має нерухому частину - статор і рухому - ротор (якір), нерухомо з'єднаний з валом машини. Кожна із цих частин може виконувати будь-яку з двох функцій: створювати або магнітне поле, або ЕРС індукції. Термін «ротор» звичайно вживають тоді, коли говорять про машини змінного струму, а термін «якір» - стосовно машин постійного струму. Кількість обертів ротора (вала машини) за одиницю часу називають частотою обертання електричної машини.
Магнітне поле, що його створює статор, у більшості електричних машин змінюється періодично; часто воно є обертовим магнітним полем. Якщо частота обертання магнітного поля і частота обертання вала електричної машини однакові, такі машини називають синхронними. В асинхронних машинах частота обертання ротора менша за частоту обертання магнітного поля.
Електричні машини експлуатують у різних умовах. А тому залежно від форми виконання розрізняють відкриті й захищені електричні машини, причому захищені можуть бути бризко-захищеними, водозахищеними, пилозахищеними, вибухоза-хищеними та ін.
Під час роботи електричні машини нагріваються. Це шкідливо для ізоляції та інших частин. Тому більшість електричних машин мають вентиляційні пристрої.
Для пояснення принципу дії машини постійного струму (МПС) розглянемо найпростішу конструкцію, в якій один виток із провідника у вигляді рамки обертається в магнітному полі між двома магнітами 1 із полюсами N і S.. Кінці витка обмотки якоря 2 приєднуються до двох мідних пластин колектора 3. По поверхні пластин ковзають нерухомі електропровідні щітки 4, за допомогою яких обмотка приєднується до зовнішнього кола.
Розглянемо спочатку роботу машини постійного струму у режимі генератора. Якщо за допомогою приводного двигуна обертати якір, наприклад, за годинниковою стрілкою, то у верхньому та нижньому провідниках його обмотки будуть індукуватись ЕРС, напрямок яких визначається за правилом правої руки. ЕРС усього витка (якоря) буде складатися з ЕРС обох провідників
де Econ- ЕРС провідника;
l - активна довжина провідника (тобто та частина провідника, що знаходиться в магнітному полі);
V- лінійна швидкість провідника;
В - магнітна індукція в повітряному проміжку в місці розташування провідника.
При зазначеному напрямку обертання якоря, верхня пластина колектора матиме від’ємний потенціал, а нижня пластина - додатній. Так як провідники обмотки якоря почергово проходять під північним і південним полюсом, напрямок ЕРС змінюється, отже струм провідника Iconтакож буде змінним, повторюючи за формою криву розподілу магнітної індукції вздовж повітряного проміжку
ЕРС і струм витка якоря (а), та в зовнішньому колі (б)
При швидкості обертання якоря n(об/с), частота індукованої ЕРС такої машини буде дорівнювати f= n. У загальному випадку, при кількості пар полюсів р, частота ЕРС збільшується в р разів, тобто
Через наявність колектора, струм, який протікає у зовнішньому колі має постійний напрямок. Справді, при повороті якоря на 90° одночасно зі зміною напрямку ЕРС у провідниках якоря відбувається зміна колекторних пластин під щітками Унаслідок цього, під верхньою щіткою завжди знаходиться пластина, яка приєднана до провідника, що знаходиться під північним полюсом, а під нижньою щіткою - пластина, яка приєднана до провідника, що знаходиться під південним полюсом. Для нормальної роботи генератора щітки встановлюються таким чином, щоб ЕРС витка дорівнювала нулю в момент переходу щітки з однієї пластини колектора на іншу. Крім того, для зменшення пульсацій випрямленого колектором струму, кількість колекторних пластин та провідників обмотки якоря збільшують. Наприклад, якщо пластин 16, пульсація становить менше 1%.
Напруга постійного струму на затискачах генератора буде менша за ЕРС на значення падіння напруги на активному опорі обмотки якоря
Якщо до обмотки якоря приєднати джерело постійного струму, то МПС буде працювати в режимі двигуна. Як відомо, на провідник зі струмом Icon,що знаходиться в магнітному полі, діє сила Ампера
Напрямок цієї сили визначається за правилом лівої руки, тобто для того, щоб якір обертався у вказаному напрямку, до нижньої пластини колектора необхідно приєднати додатній вивід джерела, а до верхньої - від’ємний. Обертальний момент на валу двигуна, який при цьому виникає, буде дорівнювати
де da- діаметр якоря.
У режимі двигуна колектор здійснює перетворення постійного струму зовнішнього кола у змінний струм в обмотці якоря, тобто працює як інвертор. Унаслідок того, що провідники обмотки якоря обертаються в магнітному полі, в них, як і в генераторі, також виникає ЕРС. У режимі двигуна вона спрямована проти струму якоря та прикладеної напруги.
Рівняння рівноваги напруг обмотки якоря має такий вигляд
тобто прикладена до двигуна напруга врівноважується ЕРС якоря Еа і падінням напруги на опорі обмотки якоря.
З іншого боку, в генераторному режимі, внаслідок протікання струму в обмотці якоря, також виникає момент, який у такому випадку є гальмівним.
Окремо зазначемо призначення колектора в машинах постійного струму.
Колектор в генераторі постійного струму здійснює перетворювання змінної ЕРС та струму в обмотці якоря в постійні за величиною і напрямком ЕРС та струму, що діють у зовнішньому колі, тобто працює в якості механічного випрямляча.
У режимі двигуна колектор здійснює перетворення постійного струму зовнішнього кола у змінний струм в обмотці якоря, тобто працює як механічний перетворювач (інвертор).
Розглянувши принципи дії генератора і двигуна, можна зробити висновок про те, що машини постійного струму оборотні. Це значить, що за певних умов генератори можуть працювати як двигуни і навпаки.
Тобто одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину завод випускає з певним ризначенням - працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, призначені для роботи як генератором, так і двигуном.
Генератори постійного струму застосовують тоді, коли потрібно мати самостійне джерело струму, наприклад для живлення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, електролізних ванн, зварювальних установок тощо. Електродвигуни постійного струму застосовують тоді, коли потрібно плавно регулювати швидкість, наприклад у тролейбусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у пристроях автоматики.
Машини постійного струму складаються з нерухомої частини - статора і рухомої частини - якоря.
Статор містить станину(1), доякої кріпляться головні полюси (2) і додаткові полюси (3).
Головні полюси призначені для створення основного магнітного потоку тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Кількість головних полюсів залежить від потужності машини та частоти обертання. На головних полюсах розміщені котушки обмотки збудження (4). Для отримання постійного значення магнітної індукції в повітряному проміжку між полюсом та якорем (6), а також зменшення розсіювання, осердя головних полюсів мають наконечники спеціальної форми.
Додаткові полюси забезпечють безіскрову роботу машини та слугують для покращення комутації. на додаткових полюсах розміщена обмотка додаткових полюсів (5). Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).
Якір машин постійного струму
має циліндричний магнітопровід (1), складений із листів електротехнічної сталі ізольованих один від одного шаром лаку для зменшення магнітних втрат. Пакет листів утримується в стиснутому стані за допомогою натискних шайб (2), які одночасно тримають обмотку, і запресовується на вал 3 якоря. Окремі секції обмотки якоря приєднуються до відповідних пластин колектора 4, по поверхні якого, під час обертання якоря, ковзають щітки (на рис. не показані), забезпечуючи таким чином контакт обмотки з мережею постійного струму. Для кращого ковзання поверхню мідних пластин колектора полірують, а щітки виконують із матеріалу з низьким коефіцієнтом тертя і високою провідністю (наприклад із пресованого мідно-графітового порошку). Кількість щіток відповідає кількості головних полюсів машини. Колектор - це найскладніша у конструктивному відношенні і найвідповідальніша в роботі частина машини. Поверхня колектора має бути строго циліндричною, щоб уникнути биття та іскріння щіток
Кожен лист пакету магнітопроводу якоря має зубці (5) і пази (6), в які вкладаються секції обмотки, та вентиляційні отвори (7) для покращення умов
охолодження машини.
Обмотка якоря виконується, як правило, двошаровою. Вона складається з декількох з’єднаних послідовно секцій, кожна з яких має дві активні сторони, що вкладаються в пази якоря. Для того, щоб ЕРС обох сторін складались, їх розміщують на відстані близької до полюсної поділки т (довжині уявної дуги між серединами полюсів) одна від одної. До кожної колекторної пластини приєднують кінець однієї секції й початок наступної, тобто кількість колекторних пластин дорівнює кількості секцій обмотки. За такої конструкції, ЕРС усіх секцій складаються і сумарна ЕРС має практично постійне значення. Обмотки якорів машин постіного струму найчастіше виконують петльовими (паралельними), хвильовими (послідовними) та комбінованими (паралельно-послідовними). При цьому секції, що утворюють обмотки, можуть бути одновитковими ws = 1 (тобто мати два активних провідника) або багатовитковими
Для того, щоб замкнути хвильову обмотку потрібно декілька разів обійти окружність якоря. Петльова обмотка замикається після одного обходу якоря.
3. Способи збудження машин постійного струму
За способом збудження основного магнітного потоку розрізняють машини з електромагнітним збудженням, у яких збудження відбувається завдяки обмоткам головних полюсів, та машини зі збудженням від постійних магнітів. Останні, як правило, мають невелику потужність.
Характеристики МПС залежать від способу підключення кола збудження до кола якоря.
У машинах із незалежним збудженням обмотка збудження живиться від окремого джерела (рис. а), тому струм збудження в ній If не залежить від напруги машини, а отже й від навантаження. Таке вмикання дає змогу в широких межах регулювати струм збудження машини, але для реалізації такого типу збудження необхідне додаткове джерело живлення.
При паралельному збудженні обмотка збудження підключається паралельно з обмоткою якоря (рис. б). Такі машини не потребують додаткового джерела, що значно спрощує їх обслуговування й експлуатацію. Генератори з паралельним збудженням найчастіше використовують для отримання енергії постійного струму, оскільки напруга таких генераторів мало залежить від навантаження.
У машинах із послідовним збудженням обмотка збудження підключається послідовно з обмоткою якоря (рис. в) і має однаковий із нею струм. Послідовне збудження має обмежене застосування через те, що основний магнітний потік машини залежить від навантаження.
При змішаному збудженні одна частина обмотки збудження підключається паралельно, а інша послідовно до обмотки якоря ( рис. г). Характеристики таких машин залежать від співвідношення МРС послідовної та паралельної частин обмоток.
ЗАВДАННЯ НА САМОПІДГОТОВКУ
І.Матеріал за конспектом
- Основи Електротехніки для локомотивних бригад, О.Е. Зорохович, С.С.Крилов, Транспорт - 1980 р.
- Назвіть основні частини машини постійного струму, поясніть її конструкцію.
- Поясніть принцип дії генератора постійного струму і призначення колектора в генератора та двигуна.
- Поясніть принцип дії двигуна постійного струму.
про публікацію авторської розробки
Додати розробку