Электрические машины постоянного тока.
III Раздел
Электрические машины постоянного тока.
(ЭМПТ)
В принципе действия двигателя и генератора используются одинаковые электромагнитные явления (выталкивание проводника с током из магнитного поля полюсов и электромагнитная индукция). Поэтому, любая ЭМПТ может использоваться и в качестве генератора и в качестве двигателя, что составляет принцип обратимости электрических машин. То есть ЭМПТ, работая в режиме двигателя, преобразует электрическую энергию в механическую, а если источник электроэнергии отключить, но сохранить вращение (например, при движении под уклон) машина перейдет в генераторный режим, вырабатывая электрическую энергию из механической.
Составные части машин постоянного тока и их назначение.
1. Остов (корпус, станина) -служит для крепления главных и дополнительных полюсов, подшипниковых щитов, щеточных механизмов и является участком магнитопровода, т.е. по нему проходит и замыкается магнитный поток.
Магнитная цепь замыкается через следующие участки: северный полюс (1) – воздушный промежуток между полюсом и якорем (2) – якорь - промежуток между якорем и южным полюсом– южный полюс (3)– корпус (4).
2. Главные полюса - служат для создания основного магнитного потока возбуждения;
3. Дополнительные полюса -служат для уменьшения реакции якоря и искрения под щетками (то есть для улучшения коммутации).
Прим. Обычно число главных и дополнительных полюсов одинаково
4. Якорь –в двигателях служит для создания вращающего момента, а в генераторах – для создания индуктированной (т.е. созданной магнитным полем) ЭДС.
Якорь состоит из:
а) Вала;
б) Шихтованного сердечника с пазами;
в) Обмотки якоря
г) коллектора
Коллектор (распределитель или собиратель). В двигателях коллектор, при правильном расположении щеток, распределяет ток по виткам якоря, таким образом, чтоб вращающие моменты всех витков были направлены в одну сторону.
В генераторах коллектор выполняет функцию выпрямителя переменного тока. При правильном расположении щеток ЭДС в витках направлены в одну сторону, поэтому складываются (собираются) и образуют общую ЭДС машины.
Коллектор состоит из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга миканитом. К петушкам коллекторных пластин припаиваются концы витков обмотки якоря.
5.Щеточный механизм – в двигателях служит для подачи напряжения на обмотку якоря через коллектор, а в генераторах наоборот, для съема напряжения с коллектора.
Якорные обмотки.
Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секциейназываетсячасть обмотки, концы которой припаиваются к двум коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми.
Части секций, расположенные в пазах якоря, т.е. пересекающие магнитный поток полюсов называется – активными.Части секции, соединяющие активные стороны называют – лобовыми.
Шаг по коллектору –характеризует расстояние между коллекторными пластинами, к которым припаиваются концы одной секции (например, 1-2 или 1-40).
Шаг по пазам – характеризует расстояние между пазами, в которые укладываются активные части одной секции.
Прим. Учитывая, что активные части секций всегда располагаются под разноименными полюсами, то шаг по пазам также характеризует расстояние между серединами полюсов.
В машинах постоянного тока используется в основном 2 типа обмоток: петлевая и волновая.
3.2.1. Простая петлевая обмотка
При простой петлевойобмотке начало первой секции припаивают к первой коллекторной пластине, а конец ко второй коллекторной пластине. Начало второй секции припаивают ко второй коллекторной пластине, а конец к третьей и т.д., соответственно конец последней секции припаивается к началу первой. То есть, обмотка якоря представляет собой замкнутую катушку, которую при помощи щеток делят на параллельные ветви. Для того, чтобы вращающие моменты всех витков были направлены в одну сторону, количество параллельных ветвей при простой петлевой обмотке должно быть равно количеству полюсов, соответственно необходимо поставить такое же количество щеток. При этом шаг по коллектору(расстояние в коллекторных пластинах между началом и концом одной секции) у простой петлевой обмотки 1-2. При этом ток в обмотке якоря Iя идет по параллельным ветвям, количество которых зависит от количества полюсов (и щеток)
1 – коллекторные пластины;
2 – витки обмотки якоря (секции);
Щетки.
Уравнительные соединения.
Из-за технологических допусков при изготовлении электрической машины, в параллельных ветвях обмотки якоря возникают различные ЭДС. Под действием этой разницы ЭДС возникают уравнительные токи, которые замыкаются через одноименные щетки машины. Эти токи перегружают отдельные щетки, что способствует повышенному искрению под ними. Для разгрузки щеток от уравнительных токов применяют уравнительные соединения. Уравнительные соединения укладываются под лобовыми изгибами витков обмотки якоря и соединяют между собой те коллекторные пластины , которые на данный момент будут замыкаться одноименными щетками. ( исходя из рисунка .102- это 1к.пл. с10 к.пл.; 2-я с 11; 3-я с 12 и т.д.)
Примечание: при волновой обмотке уравнительные соединения не ставятся, так как её секции обмотки поочередно выполняют функцию уравнительных соединений.
ШУНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ.
|
|
|
|
Мвр = С Ф Iя
|
Так как напряжение, подаваемое на ТЭД, постоянное, то ток возбуждения и магнитный поток тоже постоянны. Поэтому при увеличении механической нагрузки на валу ток якоря увеличивается, и прямо пропорционально ему будет увеличиваться вращающий момент. Частота вращения будет уменьшаться незначительно, так как сопротивление якоря мало и падение напряжения на якорной обмотке будет увеличиваться незначительно. Такая характеристика частоты вращения называется жёсткой. Если частота вращения достигнет критической точки, то противоЭДС сравняется с напряжением, а сила тока на якорной обмотке будет равна нулю. При дальнейшем увеличении частоты вращения электродвигатель автоматически перейдёт в генераторный тормозной режим.
СЕРИЕСНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.
|
|
|
|
Iв = Iя Мвр = С Ф Iя
Так как ток возбуждения равен току якоря, то при увеличении тока якоря будет увеличиваться ток возбуждения и магнитный поток. Поэтому вращающий момент такого двигателя зависит от квадрата тока якоря (если ток якоря увеличится в 2 раза, то и магнитный поток увеличится в 2 раза, соответственно вращающий момент увеличится в 4 раза). Такая зависимость сохраняется до магнитного насыщения полюсов машины. При дальнейшем увеличении тока якоря свыше тока насыщения вращающий момент будет увеличиваться прямо пропорционально от тока якоря.
При увеличении механической нагрузки на валу, частота вращения будет значительно уменьшаться в основном из-за увеличения магнитного потока и частично из-за увеличения падения напряжения в обмотке якоря. При достижении магнитного насыщения полюсов дальнейшее уменьшение частоты вращения будет незначительным, только за счёт падения напряжения в обмотке якоря. Такая характеристика частоты вращения называется мягкой. При уменьшении момента сопротивления частота вращения увеличивается и если момент сопротивления будет мал, то она увеличится резко. Но так как мал магнитный поток, то он не может быть больше напряжения и двигатель не сможет автоматически перейти в генераторный режим. Поэтому такой двигатель запрещается запускать без механической нагрузки на валу, иначе он пойдёт вразнос.
Реакция якоря.
Линия, проведённая перпендикулярно оси полюсов через середину расстояния между ними называется геометрической нейтралью.
Линия, проведённая перпендикулярно магнитному потоку полюсов и проведённая через середину расстояния между полюсами называетсяфизической нейтралью.
При отсутствии тока в обмотке якоря физическая и геометрическая нейтрали совпадают.
При протекании тока по виткам якоря они создают магнитное поле вокруг себя. Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле полюсов машины называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное магнитное поле машины искажается и происходит сдвиг физической нейтрали относительно геометрической.
Это приводит к появлению следующих вредных последствий:
1) Размагничивающее действие реакции якоря.
Так как под одним краем полюса магнитное поле усиливается, то под другим уменьшается. Там, где оно усиливается - происходит магнитное насыщение, а где магнитное поле ослабло (причём в большей степени, чем произошло усиление) – размагничивание. Общее магнитное поле уменьшается и уменьшается вращающий момент у тяговых двигателей или ЭДС, если это генератор.
2) Увеличивается вероятность возникновения кругового огня по коллектору.
Так как в витке, проходящем через сгущение магнитных силовых линий, индуктируется большая ЭДС, то увеличивается напряжение между двумя коллекторными пластинами, к которым подсоединяется данный виток, и изоляция между этими коллекторными пластинами может быть пробита. А так как все витки проходят через сгущение магнитных силовых линий, то множество элементарных дуг могут замкнуть две разноимённые щётки между собой. Тогда возникнет мощная электрическая дуга, которая называется
круговым огнём по коллектору.
3) Вредные последствия ухудшения коммутации.
Активные стороны той секции, которая замыкается щёткой, лежат на геометрической нейтрали. Из-за реакции якоря в этой секции индуктируется ЭДС вращения, которая увеличивает искрение под щётками.
Коммутация
 |  | ||||||
 | |||||||
 | |||||||
|
ток делится на ветви ток = 0 в точке
Перехода пластин
Коммутация – процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую. Секция, которая в момент коммутации замыкается щёткой накоротко, называется коммутируемой секцией. В коммутируемой секции ток меняется как по величине, так и по направлению за очень короткий промежуток времени. Процесс коммутации сопровождается искрением под щётками. Все причины искрения можно разделить на механические и электромагнитные.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ:
Ø слабое прижатие щёток к коллектору
Ø сколы на щётках
Ø износ щёток больше нормы
Ø загрязнение коллектора
Ø биение коллектора
Ø овальность коллектора и т.д.
Данные причины искрения устраняют при ремонте машины (щетки меняют на новые, коллектор обтачивают на токарном станке, делают продорожку коллектора, производят балансировку якоря и т.д.)
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИЧИНЫ ИСКРЕНИЯ:
1) Так как в коммутируемой секции ток очень быстро меняется по величине и направлению, то в ней появляется ЭДС самоиндукции (eL).
2) Так как щётка по ширине в 3-4 раза больше, чем ширина коллекторной пластины, то в процессе коммутации участвуют несколько секций одновременно. Поэтому в каждой из них индуктируется ЭДС взаимоиндукции (eM).
3) Из-за реакции якоря в коммутируемой секции индуктируется ЭДС вращения(eвр).
4) Так как тяговые двигатели на электроподвижном составе переменного тока питаются пульсирующим током от выпрямительной установки, а не постоянным, то в коммутируемой секции индуктируется трансформаторная ЭДС(eтр).
5) Из-за зубчатого строения сердечника якоря индуктируется ЭДС пульсации(eпульс).
Все эти ЭДС направлены согласно относительно друг друга, а так как коммутируемая секция замыкается щёткой, то под действием всех этих ЭДС в ней возникает ток коммутации(ik).
eL + eM + eвр + eтр + eпульс Rкс -сопротивление
ik = Rкскоммутируемой секции
Сопротивление коммутируемой секции - это сопротивление самой щётки + сопротивление от щётки с коллектором + сопротивление коллекторных пластин + сопротивление самой секции.
Возникший ток коммутации приводит к искрению:
1) увеличивается плотность тока под сбегающим краем щётки, что является первой причиной появления искрения под щётками;
2) так как переключение щёткой коллекторных пластин происходит очень быстро, то происходит размыкание цепи коммутируемой секции, когда по ней ещё проходит ток коммутации (разрыв под током), что является второй причиной появления искрения под щётками.
Поэтому для уменьшения искрения необходимо уменьшить величину тока коммутации.
Для этого:
1) Секции делают одновитковыми (уменьшают ЭДС самоиндукции)
2) Щётки по возможности делают меньшей ширины (уменьшают ЭДС взаимоиндукции)
3) Борются с реакцией якоря (уменьшают ЭДС вращения)
4) На электроподвижном составе переменного тока в цепь ТЭД включают сглаживающий реактор, который сглаживает пульсации тока. Кроме того параллельно обмотке возбуждения подключают резистор, за счёт которого сглаживают пульсации тока в обмотке возбуждения. Всё это приводит к уменьшению трансформаторной ЭДС.
5) Для уменьшения ЭДС пульсации пазы сердечника якоря делают по возможности меньшей глубины и более закрытой формы.
6) Для увеличения сопротивлениякоммутируемой секции щётки делают разрезными.
III Раздел
Электрические машины постоянного тока.
(ЭМПТ)
В принципе действия двигателя и генератора используются одинаковые электромагнитные явления (выталкивание проводника с током из магнитного поля полюсов и электромагнитная индукция). Поэтому, любая ЭМПТ может использоваться и в качестве генератора и в качестве двигателя, что составляет принцип обратимости электрических машин. То есть ЭМПТ, работая в режиме двигателя, преобразует электрическую энергию в механическую, а если источник электроэнергии отключить, но сохранить вращение (например, при движении под уклон) машина перейдет в генераторный режим, вырабатывая электрическую энергию из механической.