🗊Презентация Машины постоянного тока

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1. Устройство, принцип действия и области применения машин постоянного тока 2. Способы возбуждения машин постоянного тока 3. Электродвижущая сила обмотки якоря машины постоянного тока 4. Электромагнитный момент машины постоянного тока 5. Магнитная цепь машины постоянного тока 6. Реакция якоря машины постоянного тока 7. Потери и КПД машины постоянного тока 8. Характеристики двигателей параллельного возбуждения 9. Характеристики двигателей последовательного возбуждения 10. Характеристики двигателя смешанного возбуждения 11. Пуск двигателей постоянного тока 12. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

В принципе действия любой электрической машины лежит закон электромагнитной индукции, который использует две стороны работы магнитного поля: В принципе действия любой электрической машины лежит закон электромагнитной индукции, который использует две стороны работы магнитного поля: получение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле (принцип действия генератора); 2. получение электромагнитной силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (принцип действия электродвигателя). Т.о. для работы электрической машины необходимо соблюдение 3-х условий: 1. наличие магнитного потока, который создается постоянным магнитом или током; 2. наличие среды, проводящий электрический ток; 3. относительное изменение магнитного потока и проводящей среды (генератор) или наличие в проводящей среде электрического тока (двигатель).

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Устройство, принцип действия и области применения машин постоянного тока Имеет неподвижную часть - статор и подвижную - ротор.

Сердечник якоря - из пластин электротехнической стали – напрессо-вывают на вал. В сердечнике якоря выштампованы пазы, в которых укладывается обмотка якоря (из обмоточного провода). Концы секции обмоток электрически соединены с коллекторными пластинами. Коллектор выполняют в виде цилиндра, собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди, изолированных между собой и валом. Крепление пластин осуществляется корпусными шайбами с изоляционными миканитовыми прокладками или с помощью пластмассы. Сердечник якоря - из пластин электротехнической стали – напрессо-вывают на вал. В сердечнике якоря выштампованы пазы, в которых укладывается обмотка якоря (из обмоточного провода). Концы секции обмоток электрически соединены с коллекторными пластинами. Коллектор выполняют в виде цилиндра, собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди, изолированных между собой и валом. Крепление пластин осуществляется корпусными шайбами с изоляционными миканитовыми прокладками или с помощью пластмассы. Вал машины устанавливается в подшипниках. Для охлаждения используется система вентиляции. В машинах малой и средней мощности обычно используют вентилятор, который крепится на валу машины и закрывается кожухом из металла. Выводы обмоток идут в клеммную коробку, которая закреплена на станине.

Электродвигатели постоянного тока имеют: Электродвигатели постоянного тока имеют: 1. хорошие регулировочные свойства, 2. значительную перегрузочную способность; 3. позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Их применяют для : 1. привода различных механизмов в черной металлургии, 2. на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), 3. в грузоподъемных и землеройных устройствах 4. на морских и речных судах и в других приводах мощностью до нескольких тысяч киловатт. Двигатели небольшой мощности применяют в системах автоматики. Генераторы постоянного тока в последнее время в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

2. Способы возбуждения машин постоянного тока

При независимом возбуждении основной магнитный поток создается постоянными магнитами или обмоткой возбуждения, питаемой от независимого источника. Для промышленных целей, в основном, применяют машины постоянного тока с самовозбуждением – не требуется дополнительного источника питания. В машинах постоянного тока со смешанным возбуждением (компаундные) параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (их МДС совпадают) и встречно (направлены противоположно друг другу). Обмотки параллельного возбуждения имеют большое количество витков, намотанных проводом малого сечения – их омическое сопротивление большое и по ним протекает небольшой ток. По обмоткам последовательного возбуждения проходит ток якоря. Поэтому они имеют относительно малое количество витков, выполненных проводом большого сечения.

3. Электродвижущая сила обмотки якоря машины постоянного тока При вращении якоря в магнитном поле полюсов, в каждом из проводников обмотки якоря будет наводиться ЭДС где — индукция в точке, где лежит данный проводник; - активная длина проводника; - линейная скорость его вращения. ЭДС обмотки якоря будет = сумме ЭДС проводников одной параллельной ветви: где — количество всех проводников в обмотке. (1) 2а – количество параллельных ветвей.

Полюсное деление - это часть окружности якоря приходящаяся на один полюс: Полюсное деление - это часть окружности якоря приходящаяся на один полюс: где — внешний диаметр якоря: (2) Линейная скорость проводника: (3) где — частота вращения якоря, мин-1. Подставив выражения (2) и (3) в (1), получим среднее значение ЭДС: т.к. -- постоянная машины - основной магнитный поток Тогда среднее значение ЭДС машины постоянного тока:

4. Электромагнитный момент машины постоянного тока 4. Электромагнитный момент машины постоянного тока На каждый активный проводник обмотки якоря с током в магнитном поле будет действовать сила : где — индукция в точке, где лежит данный проводник; — активная длина проводника; — ток проводника, А. где — ток якоря машины, А. Сила, действующая на якорь, равна сумме сил действующих на каждый проводник. При большом количестве коллекторных пластин эту силу можно считать постоянной и равной: (1) где Вср — среднее значение индукции в пределах полюсного деления. Электромагнитный момент, действующий на якорь машины равен: (2) (3) Подставив (1) и (3) в формулу (2) получим: Приняв постоянную машины при расчете момента и основной магнитный поток Тогда

5. Магнитная цепь машины постоянного тока 5. Магнитная цепь машины постоянного тока

Степень насыщения характеризуется коэффициентом насыщения — отношением МДС машины к МДС воздушного зазора: Степень насыщения характеризуется коэффициентом насыщения — отношением МДС машины к МДС воздушного зазора: Для машины постоянного тока Магнитную индукцию на каждом участке определяют по формуле: где Пi— площадь сечения участков, м2. Зная магнитную индукцию, определяют напряженность магнитного поля на каждом из участков по кривым намагничивания стали Вi =f(Hi). Для воздушного зазора : — индукция в воздушном зазоре, Тл; — магнитная постоянная, равна 410-7, Г/м. Магнитодвижущую силу участков определим по формуле: где — длина каждого участка, по которому проходит магнитный поток. МДС, необходимая для создания требуемого магнитного потока, будет равна сумме МДС участков. По закону полного тока найдем ток возбуждения и количество витков обмотки возбуждения : где — количество участков магнитной цепи машины.

6. Реакция якоря машины постоянного тока 6. Реакция якоря машины постоянного тока

При работе под нагрузкой, если щетки установлены на геометрическую нейтраль, магнитный поток якоря направлен поперек основного магнитного потока (рис. в) – имеет место поперечная реакция якоря. Если обмотка якоря равномерно распределена по его окружности, то МДС якоря изменяется линейно вдоль этой окружности. Под серединой полюса она равна нулю, а в месте установки щеток имеет максимальное значение. Под полюсом при =const индукция Ва изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко увеличивается воздушный зазор, а индукция уменьшается. Поэтому индукция якоря в воздушном зазоре имеет седлообразную форму (рис. в). При работе под нагрузкой, если щетки установлены на геометрическую нейтраль, магнитный поток якоря направлен поперек основного магнитного потока (рис. в) – имеет место поперечная реакция якоря. Если обмотка якоря равномерно распределена по его окружности, то МДС якоря изменяется линейно вдоль этой окружности. Под серединой полюса она равна нулю, а в месте установки щеток имеет максимальное значение. Под полюсом при =const индукция Ва изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко увеличивается воздушный зазор, а индукция уменьшается. Поэтому индукция якоря в воздушном зазоре имеет седлообразную форму (рис. в). Кривую распределения результирующей индукции можно получить алгебраическим сложением ординат кривых Вf=f(τ) и Ва=f(τ) (рис. с). Результирующая магнитная индукция под одним краем полюса значительно выше, чем под другим. Магнитный поток по полюсу распределен неравномерно. Максимальное значение магнитной индукции сдвинуто с середины полюса и физическая нейтраль смещена относительно геометрической на угол . Геометрическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, стороны которых находятся под серединами полюсов ( в этих точках индукция при холостом ходе равна нулю). Физическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, ЭДС которых максимальны с учетом реакции якоря при работе машины ( в этих точках индукция при нагрузке равна нулю).

Для устранения влияния реакции якоря: Для устранения влияния реакции якоря:

7. Потери и КПД машины постоянного тока Потери машины постоянного тока рассмотрим на примере двигателя.

Электрический ток, протекая по обмоткам возбуждения, наводит магнитный поток, который проходит по магнитным цепям машины и создает в них маг-нитные потери . Электрический ток, протекая по обмоткам возбуждения, наводит магнитный поток, который проходит по магнитным цепям машины и создает в них маг-нитные потери . Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Перемагничиванию подвергается якорь и полюсные наконечники. Магнитные потери зависят от : магнитной индукции, марки и толщины листов стали, из которой набран сердечник якоря, частоты перемагничивания. При взаимодействии магнитного поля с током якоря, якорь начинает враща-ться. Возникают механические потери - обусловлены: трением в подшипниках,  щёток о коллектор, вентилятора о воздух. Также в машине имеют место добавочные потери - складываются из: 1. потерь в уравнительных соединениях, 2. в стали из-за неравномерной магнитной индукции под полюсом, 3. от пульсации магнитного потока в полюсных наконечниках и т.д. и не зависят от нагрузки. Их называют постоянными.

Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной мощности Р2 к подводимой Р1 . Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной мощности Р2 к подводимой Р1 . Т.к. , то Для машин мощностью до 100 кВт номинальный КПД равен 0,75-0,9. Максимальный КПД имеет место при нагрузке 70-80% номинальной.

Двигатели постоянного тока Уравнение равновесия ЭДС имеет вид: U = EД + Iяrя где U – напряжение сети, EД – ЭДС якоря двигателя Уравнение моментов двигателя: Мд – Мс = Мдин = J dω/dt где Мд – момент двигателя, Мс – момент сопротивления рабочей машины, J – момент инерции - среднее значение ЭДС машины постоянного тока Ce - постоянная машины Ф - основной магнитный поток n - частота вращения якоря, мин-1 М = СМ Ф Iя - электромагнитный момент машины постоянного тока СМ - постоянная машины Iя – ток якоря

8. Характеристики двигателей параллельного возбуждения Характеристики, полученные без дополнительных сопротивлений в цепях двигателя, называются естественными, а остальные — искусственными. 1. Моментная характеристика – зависимость момента на валу двигателя от тока якоря , при U=const.

3. Механическая характеристика – зависимость частоты вращения якоря от момента на валу двигателя , при U=const. 3. Механическая характеристика – зависимость частоты вращения якоря от момента на валу двигателя , при U=const. Также как и скоростная, она линейна. 4. Рабочие характеристики – зависимости момента на валу М, частоты вращения якоря n, тока якоря Iя, подводимой мощности P1, и КПД , от полезной мощности P2, М, n, Iя, Р1, при U=const.

Характеристика . Если выражение (2) подставим в формулу (1), получим Характеристика . Если выражение (2) подставим в формулу (1), получим Из уравнения видно, что рабочая характеристика аналогична скоростной и механическим характеристикам. Характеристика объясняется следующей формулой: Так как с ростом частота вращения уменьшается, а прямо пропорционально , характеристика , будет иметь больший наклон, чем зависимость , и начинается с нуля. Характеристика Электрические потери зависят от квадрата нагрузки, поэтому характеристика теряет свою линейность, но незначительно.

9. Характеристики двигателей последовательного возбуждения Особенность указанного двигателя в том, что ток возбуждения является током нагрузки, и магнитный поток пропорционален току (2.67) — коэффициент пропорциональности.

Механическая характеристика , при U=const. Механическая характеристика , при U=const.

Рабочие характеристики , , , Iя, , , при U=const. Рабочие характеристики , , , Iя, , , при U=const.

10. Характеристики двигателя смешанного возбуждения 10. Характеристики двигателя смешанного возбуждения Характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточ-ное положение между характеристиками двигателей параллельного и пос-ледовательного возбуждения. Моментная характеристика , при U=const.

Скоростная (электромеханическая) характеристика , при U=const: Скоростная (электромеханическая) характеристика , при U=const: (2.75) Механическая характеристика , при U=const: (2.76) Рабочие характеристики: аналогична скоростной, — моментной, а , , одинаковы для всех двигателей.

11. Пуск двигателей постоянного тока 11. Пуск двигателей постоянного тока Из уравнения равновесия ЭДС двигателя (2.52) ток якоря равен: (2.81) В момент пуска частота вращения и ЭДС двигателя будут равны нулю. Сопротивление якоря обычно мало, и при пуске ток якоря мощных двигателей превышает номинальный ток в 10-20 раз. Большой пусковой ток: вызывает значительные динамические усилия в двигателе, что может привести к его разрушению; ухудшает условия коммутации, возможен круговой огонь по коллектору; вызывает значительное падение напряжения в линии, что отрицательно влияет на работу других электропотребителей. Прямой пуск возможен только для двигателей малой мощности до 1 кВт. В остальных случаях нужно применять специальные способы пуска двигателей: реостатный пуск; пуск при пониженном напряжении.

Схема пуска двигателя с помощью пусковых реостатов приведена на рис. 2.56, а. (б – скоростные характеристики) Схема пуска двигателя с помощью пусковых реостатов приведена на рис. 2.56, а. (б – скоростные характеристики)

Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск при пониженном напряжении. Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск при пониженном напряжении. Для этого необходим регулятор напряжения: регулируемые автотрансформаторы с выпрямительным блоком, генераторы постоянного тока, тиристорные регуляторы, широтно-импульсные преобразователи, переключение с последовательного соединения двигателей на параллельное. При снижении напряжения скоростные характеристики смещаются вниз (рис. 2.48 – показано ниже), и пусковой ток уменьшается.

12. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока Для двигателя параллельного возбуждения частота вращения: Частоту вращения можно регулировать изменением напряжения , сопротивления якоря или магнитного потока . Регулирование частоты изменением напряжения.

Регулирование частоты вращения изменением сопротивления якорной цепи: Регулирование частоты вращения изменением сопротивления якорной цепи:

Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока. Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока.

25. Торможение двигателей постоянного тока Для того остановить рабочую машину, наряду с механическими, применяют электрические способы торможения. В этом случае торможение осуществля-ется электромагнитным полем. Различают следующие виды электрического торможения: рекуперативное, динамическое, противовключением. Рекуперативное — торможение, при котором машина работает генератором с отдачей энергии в сеть. Оно наиболее экономично, но не всегда осуществимо в реальных условиях, потому что частота вращения должна быть выше, чем в режиме холостого хода Динамическое — это генераторное торможение, при котором кинетическая энергия рабочей машины и самого двигателя гасятся на специальном сопротивлении.

При переключателе П в положении 2 машина работает двигателем с часто-той вращения якоря и током якоря на естественной характеристике 1. Для торможения переключатель переводят в положение 1. Якорь двигателя про-должает вращаться, обмотка возбуждения от сети не отключена и наводит магнитный поток, следовательно, машина начинает работать генератором. При переключателе П в положении 2 машина работает двигателем с часто-той вращения якоря и током якоря на естественной характеристике 1. Для торможения переключатель переводят в положение 1. Якорь двигателя про-должает вращаться, обмотка возбуждения от сети не отключена и наводит магнитный поток, следовательно, машина начинает работать генератором.

Торможение противовключением. Схема включения приведена на рис. 2.60,а Торможение противовключением. Схема включения приведена на рис. 2.60,а