Устройство и принцип действия машин постоянного тока

Устройство и принцип действия машин постоянного тока

в тетради есть

 

Реакция якоря.

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1 (рис. 104). В этом случае магнитный поток возбуждения Фв, пронизывающий якорь 2, распределяется симметрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направлен по продольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбуждения называют продольным (рис. 105, а).

Рис. 104. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 105,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 105, в). Рис. 106 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения индукции).

Вредные последствия реакции якоря. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, в двигателях — против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возникновению искрения под щетками.

Круговой огонь на коллекторе. Круговым огнем называют мощную электрическую дугу, возникающую в некоторых случаях на коллекторе машин постоянного тока. Эта дуга замыкает накоротко всю или значительную часть обмотки якоря, вследствие чего резко возрастает ток машины. Причинами возникновения кругового огня могут быть вытягивание дуги из-под щетки или образование дуги между соседними коллекторными пластинами из-за замыкания их осколками щеток или щеточной пылью.

3. Коммутация.

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;

3) уменьшением тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя.

Тахогенераторы

Тахогенера́тор — измерительный генераторпостоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловойскорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения.

Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на специально проградуированный вольтметр (тахометр) либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения.

Принцип действия

Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой частоты вращения ротора генератора его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.

Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

· Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.

· Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.

· Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).

Исполнительные двигатели.

Способы управления. В исполнительных двигателях постоянного тока обмотки якоря и главных полюсов питаются от двух независимых источников тока. Одна из них (условно называемая обмоткой возбуждения) подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением U в, а на другую (обмотку управления) подают напряжение управления U y только при необходимости вращения вала двигателя. В зависимости от того, на какую обмотку подают управляющий сигнал, различают два способа управления исполнительными двигателями: якорное и полюсное.

В некоторых случаях применяют исполнительные двигателя с постоянными магнитами, в которых управляющий сигнал подают на обмотку якоря.

Исполнительные двигатели работают в переходном режиме; для них характерны частые пуски, остановы и реверсы.

Двигатель с якорным управлением. В этом двигателе напряжение управления U y подают на обмотку якоря; обмотка главных полюсов присоединена к сети постоянного тока с неизменным напряжением Uв. Следовательно, коэффициент сигнала α = U y / U в. Для двигателей с постоянными магнитами α = U y / U ном.

Двигатель с полюсным управлением. В этом двигателе напряжение уравнения U y подают на обмотку главных полюсов. Обмотка якоря постоянно включена на напряжение сети U в и по ней проходит ток Iв. Чтобы ограничить ток якоря при n = 0, в его цепь часто включают дополнительный резистор R доб. Регулирование частоты вращения осуществляют путем изменения напряжения управления U y = αUв, т. е. изменения магнитного потока Ф двигателя. Сравнение свойств двигателей при различных способах управления. Исполнительные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ по сравнению с асинхронными исполнительными двигателями: большую линейность характеристик, высокое быстродействие и лучшее использование активных материалов двигателя. Недостатком их является наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, который снижает надежность работы и создает радиопомехи, возникающие от коммутационного искрения.

Из исполнительных двигателей постоянного тока наилучшими свойствами обладает двигатель с якорным управлением. Для него характерны отсутствие самохода, высокая линейность механических и регулировочных характеристик, а также большая крутизна механических характеристик, что обеспечивает быстрый разгон двигателя; кроме того, ток в этом двигателе проходит через щеточный контакт только при отработке сигнала управления, предотвращая подгар коллектора при неподвижном якоре. Основным недостатком двигателя с якорным управлением является сравнительно большая мощность управления.

Свойства двигателя с полюсным управлением значительно хуже, чем двигателя с якорным управлением, поэтому в современных автоматических устройствах применяют главным образом исполнительные двигатели с якорным управлением.

 

Шаговые двигатели.

Принцип действия. Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) коммутатора. Под воздействием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность управляющих импульсов в т -фазную систему одно- или двухполярных прямоугольных импульсов напряжения.

В качестве шаговых обычно применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоянными магнитами, реактивные и индукторные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характеристик и динамических свойств их выполняют без пусковой обмотки, с ротором минимального диаметра и рассчитывают на большие электромагнитные нагрузки.

Применение шагового двигателя целесообразно для привода механизмов, имеющих старт-стопное движение, или механизмов с непрерывным движением, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов (лентопротяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчиков, приводов станков с программным управлением и т. п.).

Двигатели с постоянными магнитами. Ротор двигателя выполняют в виде постоянного магнита (звездочки) литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Статор имеет явно выраженные полюсы, вокруг которых в полузакрытых пазах размещаются катушки обмотки якоря (двух-, трех- или четырехфазной). В многополюсных машинах число пазов на полюс и фазу q = 1, т. е. обмотку выполняют сосредоточенной. Шаговые двигатели этого типа называют также магнитоэлектрическими.

Реактивные двигатели. Ротор реактивного шагового двигателя выполняют из магнитномягкого материала. На статоре обычно располагают трехфазную сосредоточенную обмотку якоря, фазы которой получают питание от электронного коммутатора. Шаговые двигатели этого типа называют также параметрическими. На рис. 7.17, а, б и в схематично показаны три такта работы реактивного шагового двигателя с трех­фазной обмоткой якоря и шестью выступами на статоре; на роторе имеются только два выступа. Когда по фазе 1 проходит ток, ротор занимает положение, показанное на рис. 7.17, а. В следующий момент времени питание подается одновременно на фазы 1 и 2, и ротор поворачивается в положение (рис. 7.17, б), соответствующее наибольшей магнитной проводимости для потока, созданного этими фазами. Далее питание с фазы 1 снимается и ротор перемещается в положение рис. 7.17, в. Таким образом, коммутация обмоток

Режимы работы шаговых двигателей. Для работы шагового двигателя характерным является регулирование частоты вращения в широком диапазоне путем изменения частоты подачи управляющих импульсов тока. Таким же способом осуществляют его фиксированный останов, пуск и изменение направления вращения. В зависимости от частоты управляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, установившийся и переходные.

Статический режим — это режим прохождения по обмоткам возбуждения постоянного тока, создающего неподвижное поле. При питании одной фазы зависимость электромагнитного момента М от угла рассогласования θ близка к синусоидальной (рис. 7.18, а). Поскольку при θ = 0 синхронизирующий момент равен нулю, возникает статическая ошибка в положении ротора; она тем больше, чем больше нагрузка и меньше максимальный момент. В двигателях с гребенчатыми выступами на статоре и шагом, равным 1,5°, статическая ошибка составляет не более 0,5°.

Квазистационарный режим — это режим отработки единичных шагов, например в приводах различных стартстопных, лентопротяжных и других подобных механизмов. Предельная частота квазистационарного режима ограничена временем затухания колебаний ротора, которые могут возникнуть при переходе ротора из одного устойчивого положения в другое аналогично тому, как это происходит в обычной синхронной машине при резком изменении угла θ. Для устранения колебаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства и обгонные муфты. Предельную частоту квазистационарного режима повышают, увеличивая число фаз обмотки якоря или число тактов коммутации (восьмитактная коммутация при четырехфазной обмотке, шеститактная — при трехфазной). Во всех этих случаях при отработке шага уменьшается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что снижает его склонность к колебаниям.

Установившийся резким — это режим, соответствующий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме имеет постоянную частоту вращения, но при переходе из одного устойчивого состояния в другое возникают периодические и апериодические колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. При частоте управляющих импульсов f ₁, меньшей частоты свободных колебаний двигателя f ₀, угловое перемещение ротора при каждом шаге, как и квазистационарном режиме, сопровождается свободными колебаниями, которые существенно увеличивают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения.

Сельсины

Сельсины представляют собой особый вид электрических машин переменного тока мощностью от нескольких ватт до нескольких сот ватт (менее киловатта). Служит сельсин для дистанционной передачи механического угла поворота электрическим путем между устройствами, не имеющими между собой механической связи.

Всякий сельсин имеет статор и ротор, на которых расположены обмотки переменного тока. Существуют сельсины с однокатушечной обмоткой на статоре и трехкатушечной на роторе, и, наоборот, с трехкатушечной обмоткой на статоре и однокатушечной на роторе, и, наконец, с трехкатушечной обмоткой на статоре и с такой же обмоткой на роторе.

По своему назначению в схемах авторегулирования сельсины делятся на:

· сельсин-датчики

· сельсин-приемники

· дифференциальные.

Действие сельсинной связи основано на принципе электромагнитной индукции, заключающейся в следующем. Переменный ток однокатушечной обмотки статора индуктирует в трехкатушечной обмотке ротора токи, величины которых зависят от относительного расположения обмоток ротора и статора.

Если роторы обоих сельсинов расположены одинаково по отношению к своим статорам, то токи в соединительных проводах роторов равны и противоположны между собой, и поэтому ток в каждой катушке равен нулю. Как следствие, равен нулю вращающий момент на валу одного и другого сельсинов.

 

Пример расчета механической характеристики асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosφн= 0,85, ηн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8.

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.

Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети

P1н =Pн / ηн = 14 / 0,88 = 16 кВт.

Номинальный ток, потребляемый из сети

Число пар полюсов

p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3,

где n1 = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 960 об/мин.

Номинальное скольжение

sн = (n1 - nн) / n1 = (1000 - 960) / 1000 = 0,04

Номинальный момент на валу двигателя

Критический момент

Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н•м.

Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.

Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 - s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н•м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н•м.

Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим

По полученным данным строят механическую характеристику двигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

устройство и принцип действия машин постоянного тока

в тетради есть

 

Реакция якоря.

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1 (рис. 104). В этом случае магнитный поток возбуждения Фв, пронизывающий якорь 2, распределяется симметрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направлен по продольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбуждения называют продольным (рис. 105, а).

Рис. 104. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 105,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 105, в). Рис. 106 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения индукции).

Вредные последствия реакции якоря. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, в двигателях — против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возникновению искрения под щетками.

Круговой огонь на коллекторе. Круговым огнем называют мощную электрическую дугу, возникающую в некоторых случаях на коллекторе машин постоянного тока. Эта дуга замыкает накоротко всю или значительную часть обмотки якоря, вследствие чего резко возрастает ток машины. Причинами возникновения кругового огня могут быть вытягивание дуги из-под щетки или образование дуги между соседними коллекторными пластинами из-за замыкания их осколками щеток или щеточной пылью.

3. Коммутация.

Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги.

Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:

1) уменьшением реактивной э. д. с;

2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;

3) уменьшением тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.