Электрические машины постоянного тока

Контрольная работа Электрические машины постоянного тока Содержание

1. Назначение

2 Двигатели с независимым и с параллельным возбуждением и с постоянными магнитами

3. Скоростные и механические характеристики

4. Свойство саморегулирования вращающего момента в соответствии с противодействующим моментом

5 Реверсирование, регулирование частоты вращения Литература

1. Назначение Электрические машины постоянного тока — это электрические машины, которые потребляют или вырабатывают энергию постоянного тока.

Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот. Генераторы служат источниками электрической энергии двигатели — механической. Первой электрической машиной был двигатель постоянного тока изобретённый в 1838 году Б. С. Якоби. Генераторы постоянного тока (ГПТ) применяют для питания двигателей, зарядки аккумуляторов, электросварки и др. Преимуществом ДТП является возможность с помощью относительно простых устройств обеспечивать плавное регулирование частоты вращения при большом пусковом моменте. Главным недостаткам является наличие щёточно-коллекторного узла, искрение которого ограничивает области их применения, особенно в космосе, химической промышленности и так далее.

Устройство:

Основными элементами статора являются: станина, полюсы (четное число), подшипниковые щиты (2 шт.), щёткодержатели со щётками по количеству полюсов, паспортная табличка, вводное устройство. Станина выполняется из ферромагнита и является частью магнитной системы. Полюс состоит из ферромагнитного сердечника и катушки (количество полюсов 2, 4, 6, 8). Подшипниковые щиты изготовляются из чугуна. Паспортная табличка крепиться к станине. Вводное устройство крепиться с боку станины или сверху и закрепляется крышкой. Основа изоляционная панель в виде шпилек к которым присоединяются выводы обмоток. Щёткодержатели крепятся к одному из подшипников, количество щеткодержателей равно количеству полюсов. Если щёток больше двух, то они соединяются параллельно образуя два зажима. Полюс является частью магнитной системы катушки всех полюсов, соединённых между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения, выводы от этой обмотки, присоединяются к выводам вводного устройства.

Основные элементы ротора (якоря): вал, сердечник ферромагнитный, обмотка, коллектор, вентилятор. Сердечник выполнен в виде цилиндра имеет пазы для обмотки, сердечник является частью магнитной системы, коллектор выполняется в виде цилиндра и состоит из большого числа медных изолированных друг от друга и от вала пластин, обмотка якоря выполняется из отдельных секций (катушек), начало и конец которых присоединяются к коллекторным пластинам, в результате обмотка якоря образует замкнутый контур с отпайками соединенными коллекторными пластинами. На коллектор накладываются и прижимаются к нему пружинами щётки, образуя зажимы от якоря. С помощью щёток осуществляется съём или подвод тока к вращающимся проводникам якоря. На принципиальных схемах двигатель обозначают следующим образом.

Принцип действия генератора:

Исходное состояние: обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока (таким источником может быть и обмотка якоря самого генератора). К зажимам якоря подключён приёмник постоянного тока. Вал якоря сочленён с каким-то первичным двигателем и вращается с постоянной частотой вращения n. Ток в обмотке возбуждения создаёт неподвижное в пространстве магнитное поле с магнитным потоком Ф. При своём движении провода обмотки якоря пересекают линии магнитной индукции поля статора и в них, проводах индуцируется ЭДС (направление ЭДС можно определить по правилу правой руки). ЭДС отдельных проводов определённым образом складывается и образуют результирующею ЭДС якоря Е, эта ЭДС создаёт в приёмнике и в проводах обмотки якоря электрический ток. Ток в якоре взаимодействует с магнитным полем статора результатом чего является электромагнитный момент М, направленный встречно вращению якоря, который преодолевает первичный двигатель (направление момента можно определить по правилу правой руки). Таким образом механическая энергия первичного двигателя преобразуется в электрическую энергию потребляемую приёмником, при этом часть (5−20…30%), энергии теряется безвозвратно (идёт на нагрев генератора). Ток в проводах обмотки якоря переменный, а в приёмнике постоянный, выпрямителем является коллекторно-щёточный узел.

Принцип действия двигателя:

Исходное состояние: обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока, обмотка якоря так же подключена к источнику постоянного тока этого же или другого; статор неподвижно закреплён, вал сочленён с исполнительным органом рабочей машины. Ток в обмотке возбуждения IВ создаёт магнитное поле с магнитным потоком Ф. Ток в обмотке якоря (ток IЯ якоря) создается источником питания, IЯ взаимодействует с магнитным полем статора, результатом чего является электромагнитный вращающийся момент М (правило левой руки) под действием которого якорь вращается, преодолевая противодействующий момент со стороны исполнительного органа рабочей машины. В проводах вращающегося якоря индуцируется ЭДС (суммарный ЭДС), и следовательно ток якоря обусловлен совместным действием источника питания и ЭДС якоря, таким образом электрическая энергия поступающего от источника питания преобразуется в механическую энергию, при этом часть электрической энергии идёт на нагрев двигателя.

Назначение основных конструкционных элементов машины:

Станины выполняется из ферромагнетика и является частью магнитной системы и корпусом двигателя;

Полюс состоит из ферромагнитного сердечника и катушки. Он является частью магнитной системы;

Обмотка полюса создаёт основной магнитный поток (постоянное магнитное поле), выполняется из меди; Сердечник якоря набирается из стальных штампованных листов (электротехнической стали);

Обмотка якоря — обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется ЭДС (медная проволока);

Коллектор состоит из медных изолированных друг от друга пластин. Служит для преобразования переменной ЭДС на щётках генератора.;

Щёточный узел — с помощью щеток осуществляется съём или подвод тока к вращающимся проводникам якоря.

Обратимость электрической машины:

МПТ имеют три основные режима работы. В качестве источника постоянного тока — генераторный режим. В качестве привода — двигательный режим. В качестве изменения направления движения механизма противовключения.

Формулы ЭДС якоря и электромагнитного момента и их физический смысл:

При анализе электрических машин ЭДС и электромагнитный момент определяют по формулам Обоснование:

При работе электрические машины в режиме хх до номинального ЭДС и напряжения отличаются друг от друга не значительно (всего на несколько %). В генераторе E>U; в двигателе E

Схема замещения и уравнение электрического состояния цепей якоря и возбуждения:

Обмотка возбуждения является пассивным приёмником постоянного тока, поэтому замещается одним резистивным элементом RВ Якорь генератора является источником постоянного тока, схема замещения

RЯ — сопротивление якоря, сюда входит сопротивления проводов обмотки якоря, а так же сопротивление щёток, коллекторных пластин и переходное сопротивление скользящих контактов.

Якорь двигателя является активным приёмником, поэтому на схеме замещения представляется двумя элементами.

2 Двигатели с независимым и с параллельным возбуждением и с постоянными магнитами По способу возбуждения двигатели подразделяют на следующие виды:

1. с независимым возбуждением

2. с параллельным возбуждением

3. с последовательным возбуждением

4. со смешанным возбуждением В двигателях первого вида обмотки якоря и возбуждения питаются от одного источника В двигателях второго вида обмотки соединяются параллельно и питаются от одного источника В двигателях третьего вида обмотки соединяются последовательно и питаются от одного источника В двигателях четвёртого вида содержатся две обмотки параллельные и последовательные

5. Особую группу представляют собой двигатели, которые не имеют обмотки возбуждения, магнитное поле в них создаётся постоянными магнитами, которые устанавливаются вместо полюсов.

В станкостроении применяют двигатели 1,2 и 5 видов.

Схема включения в сеть:

Схема ручного (неавтоматического) управления

Q — двухполюсный выключатель.

FU — плавкие предохранители защищают двигатель от перегрузки.

Rnпусковой реостат для ограничения пускового тока якоря.

Rя — регулировочный реостат служит для уменьшения частоты вращения якоря.

Ш — зажимы обмотки возбуждения.

Rрв — регулировочный реостат в цепи возбуждения служит для увеличения частоты вращения якоря.

3. Скоростные и механические характеристики Под скоростными характеристиками понимают зависимость n=f (Iя) при постоянном U

Iв =const (Ф=const) Rря=const

Механическая характеристика — зависимость n=ц (М) при тех же условиях.

Эти характеристики являются статическими, т. е. каждую точка характеристики соответствует установившемуся режиму работы двигателей.

По скоростным кинематическим характеристикам оценивают механические свойства двигателей.

Уравнение скоростной характеристики можно получить из

и

Если в данное уравнение вместо Iя подставим то получим уравнение механических характеристики:

Каждый двигатель имеет одну естественную скоростную и одну естественную механическую характеристики и бесконечное множество искусственных.

Естественную характеристику получаем при (Ф=Фном) и

Rря=0 — полностью выведенном регулировочном реостате.

Уравнение естественных характеристик:

— скоростная характеристика (естественная)

— механическая характеристика (естественная) Эти характеристики представляют собой прямые, которые можно построить по двум точкам (номинальному и идеальному холостому ходу) так как неизвестно, то найдём по формуле:

=

Естественные характеристики рассматриваемого нами двигателя очень жёсткие: при переходе от холостого хода к номинальному режиму частота вращения двигателя изменяется незначительно, и поэтому эти двигатели широко применяются в станкостроении (металлообработке) магнит саморегулирование двигатель вращение

4. Свойство саморегулирования вращающего момента в соответствии с противодействующим моментом Любому двигателю присуще свойство саморегулирования вращающего момента в соответствии с противодействующим моментом на валу. Этим электрические двигатели отличаются от других типов двигателя Процесс саморегулирования заключается в следующем:

Пусть двигатель работает в режиме, при котором M=M'; n=n'

В какой-то момент времени статический момент на валу двигателя изменили (Мс^)

Так как Мс больше вращающего момента, то частота вращения якоря начинает постепенно уменьшаться в результате ЭДС якоря так же постоянно уменьшается () это приведёт к увеличению тока якоря, что в свою очередь приведёт к увеличению вращающего момента M () и этот переходный процесс идёт до тех пор, пока вращающий момент двигателя не с равняется со статическим моментом и в новом установившемся режиме двигатель будет работать с частотой n''M'. Это можно показать на статической механической характеристике

Mc ^>nv>Ev>Iя^>M^

n''M'

Способы пуска в ход:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Ток якоря, исходя из (3) определяем В начальный момент пуска (в момент включения Q) ток якоря неподвижен E=0, поэтому ток якоря (начальный) пусковой:

Большой ток для двигателя опасен (для коллекторно-щёточного механизма), поэтому ток необходимо ограничить (1,5 ч2,5) в зависимости от тока различными способами:

1. резисторный (реостатный)

2. пуск при пониженном напряжении При первом способе последовательно с якорем включают пусковой реостат и включают двигатель на номинальное U. Последовательно с якорем включают пусковой реостат сопротивление которого подбирают так чтобы пусковой ток не превышал допустимое значение. Затем якорь подключают к источнику питания и по мере разгона якоря пусковой реостат плавно выводят и в конце пуска оказывается полностью выведенным.

Напряжение источника снижают так, чтобы пусковой ток не превысил допустимое значение, затем якорь подключают к этому источнику и по мере разгона якоря напряжение плавно увеличивают вплоть номинального значения.

5 Реверсирование, регулирование частоты вращения Для реверсирования двигателя достаточно изменить направление либо тока якоря, либо направление тока возбуждения. Для этого необходимо провода, присоединённые к обмотке якоря, либо обмотки возбуждения поменять местами. Способы регулирования частоты вращения «видны» из уравнений скоростной и механической характеристик.

1) уменьшение частоты вращения за счёт уменьшения напряжения источника, питающего якорь двигателя. Очевидно, что при изменении напряжения изменяется частота вращения х/х, а наклон характеристик остаётся без изменений.

Закон регулирования:

M=const

IВ=const

IЯ= const

Р= Var

2) уменьшение частоты вращения за счёт введения в цепь якоря регулировочного реостата.

При этом способе регулирования частота вращения холостого хода неизменна, а изменяется наклон.

Закон изменения:

M=const;

IВ=const;

IЯ= const;

Р= Var

При 1 и 2 двигатель остановится

3) увеличение частоты вращения за счёт ослабления магнитного поля (уменьшение магнитного потока за счёт уменьшения тока возбуждения). Т.к. ток якоря зависит от магнитного потока, то чтобы в процессе регулирования не перегружать двигатель током, устанавливают следующий закон регулирования:

M = var; IВ = var;

IЯ = const; Р= const

1 — Ф" < Ф'

2 — Ф'< Фном

3 — Ф = Фном Торможение двигателя:

В практике применяют 3 способа электромагнитного торможении двигателя:

1. генераторное рекуперативное торможение Уменьшают Uя так чтобы оно стало меньше ЭДС в результате изменяется направление тока якоря, изменяется направление эл магн момента (он становится тормозным) и происходит торможение якоря т. е. плавное уменьшение частоты вращения. Двигатель работает в генераторном режиме преобразуя кинетическую энергию якоря в кинетическую и возвращая её источнику питания. ЭДС сравняется с напряжением (реж х х) и далее машина вновь переходит в двигательный режим. В новом установившемся режиме якорь вращается медленее, чем в предыдущем установившемся режиме.

2. генераторное динамическое торможение Обмотку якоря отключают от источника питания и замыкают на тормозной резистор в результате изменяется направление тока якоря (он определяется только ЭДС и совпадает с ней по направлению). Изменяется направление эл магн момента двиг переходит в генераторный режим и тормозится вплоть до остановки. Изменением сопротивления тормозного резистора можно изменять время торможения.

3. торможение противовключением (изменяют напряжение и Iя, в результате изменения направления электромагнитного момента и двигатель тормозится, если в момент остановки якоря двигатель не будет отключен, то якорь после это начнёт вращаться в противоположную сторону — реверсирование) Преобразование энергии в двигателе:

* *

Pв=? Pв Ря=Рэл+?Ря

Pв+ Ря= Р1

Мощность энергии, которая потребляется двигателем от источника питания, складывается из мощности, потребляемой якорем и обмоткой возбуждения. При этом энергия, потребляемая обмоткой возбуждения, целиком и полностью преобразуется в тепловую энергию.

Энергия, которая потребляется якорем, частично преобразуется в тепловую и большей частью в механическую (электромагнитную). Процесс преобразования удобно показать в виде энергетической диаграммы

?Рмх — мощность механических и других неучтённых электрических уравновешенных потерь (трения и другие).

= з, которая существенно зависит от степени загруженности двигателя Максимальное значение з имеет место при 60 — 80%

загруженности двигателя Не следует выбирать двигатели завышенной мощностью.

1. Касаткин А. С., Немцов М. В. «Электротехника». Учебное пособие для вузов, М.: Энергоатомиздат, 2001.

2. «Электротехника» А. С. Касаткин, М.: Энергия, 1973.

3. Касаткин А. С. Электротехника: учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. — 11-е изд., стер.; Гриф МО. — М.: Академия, 2007. — 539 с.

4. Касаткин А. С. Электротехника: учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. — 9-е изд., стер.; Гриф МО. — М.: Academia, 2005. — 639 с.

5. Немцов М. В. Электротехника: учеб. пособие для сред. учеб. заведений / М. В. Немцов, И. И. Светлакова. — Гриф МО. — Ростов н/Д: Феникс, 2004 572 с.

6. Москаленко В. В. «Автоматизированный электропривод». Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

7. «Электротехника», под ред. В. С. Пантюшина, М.: Высшая школа, 1976.

8. «Общая электротехника» под ред. А. Т. Блажкина, Л.: Энергия, 1979.

9. «Основы промышленной электроники» под ред. проф. В. Г. Герасимова, М.: Высшая школа, 1978.