В-5 машины постоянного тока. Устройство и основные элементы конструкции

В-5 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. Устройство и основные элементы конструкции

Машины постоянного тока — генераторы и двигатели — находят себе широкое применение в современных электроустановках. Они выполняются с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. На рис. 5-1 представлен схематически разрез четырех-полюсной машины. Здесь же приведены названия ее основных частей.

Характерной частью машин постоянного тока является коллектор. Он состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра (рис. 5-2, а).

Якорь машины постоянного тока при его вращении перемагничивается, поэтому он собирается из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм (рис. 5-2, б). Листы перед сборкой покрываются с обеих сторон лаком; таким образом, предотвращается образование в стали якоря больших вихревых токов. На внешней поверхности якоря после сборки листов получаются пазы и зубцы. В пазы закладываются проводники обмотки якоря, которые по особым правилам соединяются между собой и с коллекторными пластинами. На рис. 5-3 показаны пазы якоря. Они обычно делаются открытыми, что в большой степени облегчает укладку обмогки и позволяет хорошо ее изолировать. Для небольших машин делаются полузакрытые пазы, так же как для статоров асинхронных машин. У машин небольшой и средней мощности якорь помещается непосредственно на валу, для больших машин— на втулке, выполняемой в виде крестовины. Главные полюсы служат для создания основного поля в машине. Они имеют сердечники, на которых помещается обмотка возбуждения, и полюсные наконечники. Последние удерживают катушки возбуждения и способствуют наиболее благоприятному распределению индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности якоря. Полюсы в современных машинах собираются из стальных листов толщиной 0,5—1 мм для уменьшения потерь от вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, обращенном к якорю. Вихревые токи возникают вследствие пульсации индукции, вызванной зубчатостью якоря: под отдельными частями полюсного наконечника проходит то зубец, то паз якоря, что вызывает в этих частях то сгущение, то разрежение магнитных линий.

 

Пульсации индукции проникают в сравнительно неглубокий слой, поэтому можно было бы делать слоистыми только полюсные наконечники. Однако технологически обычно выгоднее весь полюс собирать из листов.

Ярмо статора или станина для современных машин большой и средней мощности выполняется из прокатанной листовой стали, согнутой в цилиндр и сваренной по шву, или из литой стали; для машин небольшой мощности — из цельнотянутой стальной трубы. Дополнительные полюсы выполняются обычно из кованой стали или собираются из листов. Они, так же как главные полюсы, прикрепляются к станине при помощи болтов. Их назначение — создать условия для безыскровой работы щеток на коллекторе (улучшить коммутацию, см. § 5-7).

На рис. 5-4 показана машина в разобранном виде. Здесь в нижней части показан якорь, имеющий слева вентилятор и справа коллектор.

Коллектор состоит из клинообразных пластин твердотянутой меди, которые изолируются друг от друга и от корпуса коллектора миканитом (с малым содержанием связующих веществ). Его конструкция показана на рис. 5-5.

Для малых машин в последние годы часто применяются коллекторы на пластмассе. В этом случае коллекторные пластины вместе с миканитовыми прокладками между ними запрессовываются в пластмассу при соответствующей термической обработке.

В-6 обмотки якоря

Секции в обмотке соединяют между собой в определённой последовательности. В зависимости от этого обмотки машин постоянного тока подразделяют на: петлевые, волновые и комбинированные.

Петлевые и волновые обмотки в свою очередь подразделяются на простые и сложные. От типа обмотки будет зависеть число её параллельных ветвей, что определяет область её применения.

Простые петлевые обмотки получаются если последовательно соединять между собой рядом лежащие секции.

Сложные петлевые обмотки применяется для увеличения числа параллельных ветвей. Они представляют собой совокупность простых обмоток, уложенных на одном и том же якоре. При образовании сложной петлевой обмотки последовательно соединяют не рядом лежащие секции, отстоящие друг от друга на m элементарных пазов.

Простые волновые обмотки получают при последовательном соединении секций, начала которых лежат под следующими друг за другом одноимёнными полюсами. При таком соединении результирующий шаг примерно равен двум полюсным делениям.

Сложные волновые обмотки применяют для увеличения числа параллельных ветвей. Они могут быть однократнозамкнутыми и многократнозамкнутыми.

Комбинированные обмотки представляют собой сочетание петлевой и волновой обмоток, уложенных в одних и тех же пазах и присоединённых к общему коллектору. Катушки комбинированной обмотки имеют форму, напоминающую лягушку, поэтому такую обмотку называют лягушачьей.

Уравнительные соединения. Для улучшения работы машины постоянного тока в некоторых типах обмоток якоря применяют уравнительные соединения. Их подразделяют на уравнительные соединения первого и второго рода. УС первого рода применяют для петлевых обмоток, а второго рода – для вех сложных обмоток. УС первого рода применяют для ослабления влияния магнитной несимметрии на работу машины

 

В-10 Реакция якоря

Реакция якоря - воздействие поля якоря на поле машины.На проявление реакции якоря в машинах пост. тока сильное влияние оказывает положение щёток на коллекторе, т.к. о этого зависит распределение тока по проводникам обмотки якоря и магнитного поля, им созданного.

Поперечная реакция якоря – реакция, когда под одним краем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется.Продольная реакция якоря – реакция, перпендикулярная поперечной реакции, и в зависимости от направления сдвига щёток оказывает или размагничивающее, или намагничивающее действие на поле машины.

Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока предназначается для компенсации поперечной реакции якоря.При наличии компенсационной обмотки воздушный зазор между полюсами и якорем может быть взят минимально возможным по конструктивным соображениям, что приводит к уменьшению МДС обмотки возбуждения, её размеров и размеров полюсов. Вследствие этого габариты и масса машины снижаются.

 

 

В-11 Процесс коммутации

При вращении якоря коллекторные пластины поочерёдно входят в соприкосновение со щёткой. При этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щёткой, а при дальнейшем перемещении якоря переходят в другую параллельную ветвь. При переходе секции из одной параллельной ветви в другую ток в ней меняет направление на противоположное.

Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации.

Способы улучшения коммутации:

1)Путём увеличения сопротивления коммутируемой секции.

Для этого в машинах пост. тока применяют щётки с повышенным значением переходного сопротивления, выполненные главным образом из графита с примесями. В машинах с низким номинальным напряжением (27-30 В) применяют медно-графитные щётки.

2)Путём уменьшения реактивной ЭДС.

- путём увеличения числа секций обмотки якоря, чтобы уменьшить число витков в каждой из них;

-уменьшая длину якоря за счёт увеличения его диаметра;

-применение более широких щёток(увеличивается период коммутации секции, уменьшается скорость изменения тока в ней, при этом возрастает кол-во индуктивно связанных с ней секций, уменьшается реактивная ЭДС)

3)Путём создания коммутирующего поля в зоне коммутации.

4)Создание коммутирующего поля путём сдвига щёток.

Применяется в машинах, не имеющих дополнительных полюсов

5) Создание коммутирующего поля с помощью дополнительных полюсов.

Число дополнительных полюсов обычно равно числу главных полюсов и только у машин небольшой мощности число их уменьшается в 2 раза.

Сердечники этих полюсов или выполняются массивными из стальной поковки, или собираются из отдельных листов электротехнической стали. Применяют во всех машинах мощностью 1кВ и выше.

В-43 Уранвие магнитдвиж сил

АД:

Процессы, протекающие в АД с эквивалентным неподвижным ротором, описываются системой уравнений, подобной    системе уравнений для трансформатора.Уравнение МДС(магнитодвижущей силы):

W=I1*W1-I2s*W2=I0*W1

I0- ток хх или намагничиванияТок ротора.

Запишем уравнение равновесия для одной фазы короткозамкнутого ротора.

При неподвижном роторе.

R2 – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

X2 – индуктивное сопротивление обмотки ротора, связанное с потоком рассеяния.

где: x2 = 2 π f L2 – индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора, связанное с потоком рассеяния;

R2 – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки.При вращающемся роторе.

где:  – индуктивное сопротивление обмотки вращающегосяротора.

Для тока ротора в общем случае можно получить такое соотношение:

Отсюда следует, что ток ротора зависит от скольжения и возрастает при его увеличении, но медленнее, чем ЭДС.

Ток статора

Так как результирующее магнитное поле асинхронной машины не зависит от её режима работы, можно составить для одной фазы уравнение магнитодвижущих сил, приравняв магнитодвижущую силу в режиме холостого хода к сумме магнитодвижущих сил в режиме нагрузки.

İ0 w1 k1 = İ1 w1 k1 + İ2 w2 k2, где

k1=0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;

w1 – число витков одной фазы обмотки статора;

Отсюда İ1 = İ0 + İ'2.

Здесь I0 – ток в обмотке статора в режиме идеального холостого хода,

– составляющая тока статора, которая компенсирует действие магнитодвижущей силы обмотки ротора. Полученное выражение для тока статора отражает свойство саморегулирования асинхронной машины. Чем больше ток ротора, тем больше ток статора. В режиме холостого хода ток статора минимальный. В режиме нагрузки ток статора возрастает. Ток реального холостого хода асинхронной машины   и значительно больше по сравнению с номинальным током, чем у трансформатора. Это объясняется тем, что величина тока I0 зависит от магнитного сопротивления среды, в которой создаётся магнитное поле. У асинхронной машины, в отличие от трансформатора, есть воздушный зазор, который создаст большое сопротивление магнитному полю.

 

Примеры использования конденсаторных двигателей и трехфазных АД от однофазной сети.

 Трехфазный АД в принципе может работать в однофазном режиме в двух случаях:

1) АД был включен в трехфазную сеть, работал в установившемся режиме, и в этом режиме произошел обрыв одной из фаз, например, вследствие перегорания плавкой вставки предохранителя;

2) АД, обмотки статора которого соединены в звезду или треугольник, преднамеренно включается в однофазную сеть и разгоняется посредством какого-либо пускового устройства, создавая вращающий момент без принятия специальных мер при питании от сети однофазного тока.

Рассмотрим первый случай более подробно. Работающий АД, оказавшийся в однофазном режиме, будет продолжать вращаться, преодолевая момент сопротивления нагрузки. Если обмотка статора соединена в звезду, то одна из фаз полностью теряет питание, если в треугольник, то происходит уменьшение напряжения на каждой из двух фаз, соединенных последовательно. Скольжение двигателя увеличивается, а его скорость вращения в том и другом случаях снижается.

При неизменной нагрузке на валу АД увеличение его скольжения приводит к значительному возрастанию тока, что в свою очередь приводит к чрезмерному перегреву обмоток статора. Такой режим, называемый неполнофазным, является для АД весьма нежелательным. Обычно двигатель, оказавшийся в неполнофазном режиме, отключается от сети защитной аппаратурой. Для уменьшения перегрева необходимо в длительном режиме снизить нагрузку двигателя до 50…60% от номинальной. Это первое следствие обрыва фазы трехфазного АД.

Конденсаторные двигатели — двухфазные электрические двигатели, в которых одна фаза запитывается напрямую от однофазной сети, а вторая фаза запитывается через ёмкость, которая сдвигает фазу почти на +90°, или через индуктивность, которая сдвигает фазу почти на -90°. Чтобы результирующее вращающееся магнитное поле не было эллиптическим, последовательно с ёмкостью включается переменное проволочное сопротивление, с помощью которого добиваются кругового вращающегося магнитного поля. Такие двигатели используются в основном в бытовой технике: советские стиральные машины, двигатели катушечных и стационарных кассетных магнитофонов, простых проигрывателях виниловых дисков и другой подобной технике. Также такими двигателями можно считать трёхфазные двигатели переделанные под однофазную сеть.

 

Особенности пуска АД

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием его в сеть невозможен, так как при включении обмотки статора в сеть создается вращающееся магнитное поле, а ротор в момент включения неподвижен, и следовательно, взаимодействия магнитных полей статора и ротора нет, т. е. двигатель не развивает вращающего момента. Поэтому для пуска в ход двигателя необхо­димо предварительно увеличить число оборотов ротора его до син­хронной скорости или близкой к ней.

В настоящее время исключительное применение имеет так на­зываемый асинхронный пуск синхронных двигателей, сущность ко­торого заключается в следующем. В полюсных наконечниках ро­тора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, вы­полненная в виде беличьего колеса, наподобие короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной машины.

Обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть, и пуск его производится так же, как и пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

После того как двигатель разовьет скорость, близкую к син­хронной (примерно 95%), обмотка возбуждения включается в сеть постоянного тока и двигатель входит в синхронизм, т. е. скорость ротора увеличивается до синхронной.

При пуске в ход двигателя обмотка возбуждения замыкается на сопротивление, примерно в 10—12 раз большее сопротивления самой обмотки. Нельзя обмотку возбуждения при пуске в ход оста­вить разомкнутой или замкнуть накоротко. Если при пуске в ход обмотка возбуждения окажется разомкнутой, то в ней будет индук­тироваться очень большая э. д. с, опасная как для изоляции обмот­ки, так и для обслуживающего персонала. Создание э. д. с. боль­шой величины объясняется тем, что при пуске в ход поле статора вращается с большой скоростью относительно неподвижного рото­ра и с большой скоростью пересекает проводники обмотки возбуж­дения, имеющей большое число витков.

Если обмотку возбуждения замкнуть накоротко при пуске в ход, то двигатель при пуске под нагрузкой может развить скорость, близкую к половине синхронной, и войти в синхронизм не смо­жет.

В-5 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. Устройство и основные элементы конструкции

Машины постоянного тока — генераторы и двигатели — находят себе широкое применение в современных электроустановках. Они выполняются с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. На рис. 5-1 представлен схематически разрез четырех-полюсной машины. Здесь же приведены названия ее основных частей.

Характерной частью машин постоянного тока является коллектор. Он состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра (рис. 5-2, а).

Якорь машины постоянного тока при его вращении перемагничивается, поэтому он собирается из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм (рис. 5-2, б). Листы перед сборкой покрываются с обеих сторон лаком; таким образом, предотвращается образование в стали якоря больших вихревых токов. На внешней поверхности якоря после сборки листов получаются пазы и зубцы. В пазы закладываются проводники обмотки якоря, которые по особым правилам соединяются между собой и с коллекторными пластинами. На рис. 5-3 показаны пазы якоря. Они обычно делаются открытыми, что в большой степени облегчает укладку обмогки и позволяет хорошо ее изолировать. Для небольших машин делаются полузакрытые пазы, так же как для статоров асинхронных машин. У машин небольшой и средней мощности якорь помещается непосредственно на валу, для больших машин— на втулке, выполняемой в виде крестовины. Главные полюсы служат для создания основного поля в машине. Они имеют сердечники, на которых помещается обмотка возбуждения, и полюсные наконечники. Последние удерживают катушки возбуждения и способствуют наиболее благоприятному распределению индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности якоря. Полюсы в современных машинах собираются из стальных листов толщиной 0,5—1 мм для уменьшения потерь от вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, обращенном к якорю. Вихревые токи возникают вследствие пульсации индукции, вызванной зубчатостью якоря: под отдельными частями полюсного наконечника проходит то зубец, то паз якоря, что вызывает в этих частях то сгущение, то разрежение магнитных линий.

 

Пульсации индукции проникают в сравнительно неглубокий слой, поэтому можно было бы делать слоистыми только полюсные наконечники. Однако технологически обычно выгоднее весь полюс собирать из листов.

Ярмо статора или станина для современных машин большой и средней мощности выполняется из прокатанной листовой стали, согнутой в цилиндр и сваренной по шву, или из литой стали; для машин небольшой мощности — из цельнотянутой стальной трубы. Дополнительные полюсы выполняются обычно из кованой стали или собираются из листов. Они, так же как главные полюсы, прикрепляются к станине при помощи болтов. Их назначение — создать условия для безыскровой работы щеток на коллекторе (улучшить коммутацию, см. § 5-7).

На рис. 5-4 показана машина в разобранном виде. Здесь в нижней части показан якорь, имеющий слева вентилятор и справа коллектор.

Коллектор состоит из клинообразных пластин твердотянутой меди, которые изолируются друг от друга и от корпуса коллектора миканитом (с малым содержанием связующих веществ). Его конструкция показана на рис. 5-5.

Для малых машин в последние годы часто применяются коллекторы на пластмассе. В этом случае коллекторные пластины вместе с миканитовыми прокладками между ними запрессовываются в пластмассу при соответствующей термической обработке.

В-6 обмотки якоря

Секции в обмотке соединяют между собой в определённой последовательности. В зависимости от этого обмотки машин постоянного тока подразделяют на: петлевые, волновые и комбинированные.

Петлевые и волновые обмотки в свою очередь подразделяются на простые и сложные. От типа обмотки будет зависеть число её параллельных ветвей, что определяет область её применения.

Простые петлевые обмотки получаются если последовательно соединять между собой рядом лежащие секции.

Сложные петлевые обмотки применяется для увеличения числа параллельных ветвей. Они представляют собой совокупность простых обмоток, уложенных на одном и том же якоре. При образовании сложной петлевой обмотки последовательно соединяют не рядом лежащие секции, отстоящие друг от друга на m элементарных пазов.

Простые волновые обмотки получают при последовательном соединении секций, начала которых лежат под следующими друг за другом одноимёнными полюсами. При таком соединении результирующий шаг примерно равен двум полюсным делениям.

Сложные волновые обмотки применяют для увеличения числа параллельных ветвей. Они могут быть однократнозамкнутыми и многократнозамкнутыми.

Комбинированные обмотки представляют собой сочетание петлевой и волновой обмоток, уложенных в одних и тех же пазах и присоединённых к общему коллектору. Катушки комбинированной обмотки имеют форму, напоминающую лягушку, поэтому такую обмотку называют лягушачьей.

Уравнительные соединения. Для улучшения работы машины постоянного тока в некоторых типах обмоток якоря применяют уравнительные соединения. Их подразделяют на уравнительные соединения первого и второго рода. УС первого рода применяют для петлевых обмоток, а второго рода – для вех сложных обмоток. УС первого рода применяют для ослабления влияния магнитной несимметрии на работу машины

 

В-10 Реакция якоря

Реакция якоря - воздействие поля якоря на поле машины.На проявление реакции якоря в машинах пост. тока сильное влияние оказывает положение щёток на коллекторе, т.к. о этого зависит распределение тока по проводникам обмотки якоря и магнитного поля, им созданного.

Поперечная реакция якоря – реакция, когда под одним краем полюса поле усиливается, а под другим ослабляется.Продольная реакция якоря – реакция, перпендикулярная поперечной реакции, и в зависимости от направления сдвига щёток оказывает или размагничивающее, или намагничивающее действие на поле машины.

Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока предназначается для компенсации поперечной реакции якоря.При наличии компенсационной обмотки воздушный зазор между полюсами и якорем может быть взят минимально возможным по конструктивным соображениям, что приводит к уменьшению МДС обмотки возбуждения, её размеров и размеров полюсов. Вследствие этого габариты и масса машины снижаются.

 

 

В-11 Процесс коммутации

При вращении якоря коллекторные пластины поочерёдно входят в соприкосновение со щёткой. При этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щёткой, а при дальнейшем перемещении якоря переходят в другую параллельную ветвь. При переходе секции из одной параллельной ветви в другую ток в ней меняет направление на противоположное.

Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации.

Способы улучшения коммутации:

1)Путём увеличения сопротивления коммутируемой секции.

Для этого в машинах пост. тока применяют щётки с повышенным значением переходного сопротивления, выполненные главным образом из графита с примесями. В машинах с низким номинальным напряжением (27-30 В) применяют медно-графитные щётки.

2)Путём уменьшения реактивной ЭДС.

- путём увеличения числа секций обмотки якоря, чтобы уменьшить число витков в каждой из них;

-уменьшая длину якоря за счёт увеличения его диаметра;

-применение более широких щёток(увеличивается период коммутации секции, уменьшается скорость изменения тока в ней, при этом возрастает кол-во индуктивно связанных с ней секций, уменьшается реактивная ЭДС)

3)Путём создания коммутирующего поля в зоне коммутации.

4)Создание коммутирующего поля путём сдвига щёток.

Применяется в машинах, не имеющих дополнительных полюсов

5) Создание коммутирующего поля с помощью дополнительных полюсов.

Число дополнительных полюсов обычно равно числу главных полюсов и только у машин небольшой мощности число их уменьшается в 2 раза.

Сердечники этих полюсов или выполняются массивными из стальной поковки, или собираются из отдельных листов электротехнической стали. Применяют во всех машинах мощностью 1кВ и выше.