Дисциплина электрические машины и аппараты

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ

Бабёр А. И. Электрические машины. Пособие для учащихся средних учебных заведений специализации автоматика.

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, слу­жащее для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Если вырабатывается механическая энергия за счет электрической, машина называется электродвигателем, если за счет механической энергии вырабатывается электрическая энергия, машина называется электрогенератором. Генераторы работают, в основном, на электростанциях (тепловых, атомных, гидро, ветро, приливных и других). В большинстве случаев энергия источника используется для перемещения ротора генератора, вырабатывающего электроэнергию. Существуют и другие способы выработки электроэнергии, например, путем прямого преобразования солнечного излучения в напряжение (солнечные батареи). Но они пока в промышленности используются мало, да и к электрическим машинам вряд ли могут быть отнесены.

Около 70% электроэнергии используется в промышленности и на транспорте для создания механической работы. В настоящее время электродвигатель используется значительно чаще других благодаря его уникальным качествам: хорошая управляемость, большой диапазон мощностей и скоростей, относительная простота, а следовательно, дешевизна и т. д. В настоящее время, благодаря успехам промышленности, в состав электрических машин вошли микромашины, мощность которых может быть от долей до сотен Вт. Использование микромашин значительно упрощает конструкцию устройства. К электрическим машинам относят и такие микромашины, которые связаны с преобразованием информации и в устройствах являются датчиками. К ним относятся тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины и т.п.

Классификация электрических машин производится по различным признакам.

По назначению—силовые (энергетические) и информационные. К силовым относятся, в основном, исполнительные двигатели (асинхронные, постоянного тока, шаговые). К информационным—тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы и другие.

По принципу действия—коллекторные и бесколлекторные. К коллекторным относятся двигатели постоянного тока, универсальные и др. К бесколлекторным—асинхронные, синхронные.

По способу возбуждения—с обмоткой возбуждения, с постоянными магнитами возбуждения и т.д. Внутри каждого вида двигателей существует своя классификация—по конструктивным и другим признакам. Например, асинхронные двигатели могут быть одно и многофазные, могут быть с короткозамкнутым или с фазным ротором и т.д.

1 Коллекторные машины

1.1 Коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ)

Принцип действия электродвигателя основан на законе электромагнитной индукции: если проводник длины l внешней силой перемещается перпендикулярно вектору магнитной индукции В со скоростью , то в проводнике возникнет электродвижущая сила (ЭДС)

Е= В l 1.1

Рисунок 1.1 Проводники в магнитном поле

Эту силу необходимо преодолеть, чтобы передвигать проводник со скоростью . Так получается элементарный генератор. Внешняя сила F₁ передвигает проводник, совершая работу по его перемещению. Часть работы уходит на нагрев проводника—I 2 R.

Поступательное движение проводника ограничено в пространстве. Поэтому большинство двигателей изготавливают вращающимися. Электрические двигатели, построенные на описанном принципе, обладают обратимостью, т.е. одна и та же электрическая машина может работать в режиме двигателя или генератора. Для получения двигателя вращения в магнитное поле помещают два проводника, токи в которых равны и противоположны. За счет этого на проводники действуют равные противоположно направленные силы, создающие вращающий момент вокруг оси. На практике такие проводники создаются рамкой (рис.1.1б), торцы которой находятся вне магнитного поля и потому на работу двигателя влияния не оказывают.

Взаимодействие рамки с магнитным полем в процессе вращения различно. Когда проводники движутся перпендикулярно полю, сила, действующая на каждый из проводников максимальна и равна F= В l I. Когда проводники движутся параллельно полю, сила (а, следовательно, момент) равна нулю. Сила зависит от угла поворота рамки и равна

F= В l I sin 1.3

Если число секций невелико, движение будет неравномерным, а работа неустойчивой. Для увеличения устойчивости число секций и пластин коллектора берут большим.

1.2 Устройство коллекторного двигателя (рис.1.3)

Рисунок 1.3 Устройство коллекторного двигателя.

1—статор, 2— обмотка возбуждения, 3— полюсной наконечник, 4—якорь, 5—щётки, 6— коллектор, 7— лапы крепления

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная—якорем. Статор состоит из станины, на которой устанавливаются полюса и лапы для крепления машины на месте установки. В малых машинах лапы не применяются. Станину изготавливают из стали с большой магнитной проницаемостью . Полюсаслужат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Полюс состоит из сердечника, закрепленного на статоре, и катушки.. Сердечник изготавливают из листовой холоднокатаной электротехнической стали. Такие пластины обладают большей магнитной проницаемости вдоль проката по сравнению с магнитной проницаемостью поперек проката, что способствует уменьшению потока рассеяния и других недостатков двигателя. Для создания необходимой магнитной индукции в зазоре между полюсом и якорем служат полюсные наконечники. Количество пар полюсов машины –не мене одной.

Катушку изготавливают из медного намоточного провода. В малых машинах катушки делаются бескаркасными, в больших—на каркасе. В некоторых машинах катушки делают секционными для увеличения поверхности охлаждения.

Якорь это подвижная часть машины. Он состоит из шихтованного сердечника, набранного из пластин изотропной электротехнической стали, напрессованных на вал, и якорной обмотки.. На поверхности якоря имеются продольные пазы для укладки обмотки. Обмотка выполняется медным проводом круглого или прямоугольного сечения.. Чтобы под действием центробежных сил провода не расходились, их закрепляют в пазах либо гетинаксовыми или текстолитовыми клиньями, либо нетокопроводящим бандажом.

Электрический контакт коллектора с источником напряжения осуществляется посредством щеток, расположенных в щеткодержателях. Щетки изготавливаются из материала на основе графита. Добавки определяют электрическое сопротивление, износостойкость, переходное сопротивление щеток. Щетки не должны изнашивать пластины коллектора. Одно из условий надежной работы машины—плотный контакт между щетками и коллектором. Недопустимо как слабое, так и чрезмерное усилие прижатия щеток. Якорь устанавливается в подшипниках, которые располагаются в переднем (со стороны коллектора) и заднем подшипниковых щитах.

Обмотку якоря выполняют в виде секций, концы которых присоединены к двум коллекторным пластинам. К каждой пластине присоединяют конец одной и начало другой секции. Схемы обмоток делают развернутыми. Существует два основных вида якорных обмоток. В петлевой обмотке каждая секция присоединена к двум лежащим рядом коллекторным пластинам. В волновых обмотках последовательно соединяют секции, расположенные под разными парами полюсов.

Кроме указанных обмоток применяют сложные петлевые и сложные волновые обмотки, а также их комбинации.

При вращении якоря на нем возникает ЭДС. При нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, при смещении щеток в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, что вызовет уменьшение общей ЭДС. Так как ЭДС уравновешивает внешнее напряжение, смещение щеток увеличивает ток нагрузки при той же мощности двигателя, вызывая его нагрев. Между пластинами коллектора имеется напряжение, которое существенно влияет на работу машины. Чем оно меньше, тем лучше.

1.3 Магнитная цепь электрической машины

В воздушном зазоре между полюсным наконечником и якорем возникает индукция

В. Магнитный поток проходит по станине, полюсным наконечникам, зазору между наконечником и якорем и якорю. Магнитная индукция в зазоре пропорциональна магнитному потоку Ф. Машины работают в режиме, близком к насыщению.

В режиме холостого хода ток в якоре отсутствует. Магнитный поток создается только обмотками возбуждения и располагается симметрично относительно якоря (рис. 1.4а). График индукции В в зазоре имеет вид, близкий к трапеции ( рис. 1.4 б).

Если по обмотке течет ток, он создает свое магнитное поле, вектор магнитного потока Ф которого направлен по нейтрали. Силовые линии этого поля показаны на рис. 1.4 в, а график индукции— на рис. 1.4г. Это поле суммируется с основным полем катушек возбуждения. Результирующая картина показана на рис 1.4 д. Там, где поля суммируются, индукция выше, вычитаются—ниже. Один край полюса подмагничивается, другой размагничивается. Результирующий магнитный поток поворачивается на угол к геометрической нейтрали. То же можно сказать и о повороте физической нейтрали. Чем больше ток якоря, т.е. нагрузка машины, тем больше угол смещения физической нейтрали. В двигателе физическая нейтраль смещается против вращения якоря. Неравномерность магнитной индукции под полюсными наконечниками приводит к к неравномерности возникающей в якоре ЭДС, увеличению разности межу максимальным и минимальным значениями, к увеличению разности потенциалов между соседними пластинами коллектора. Увеличивается искрение, которое при наличии токопроводящих частиц графита от щеток может привести к мощной дуге.

При насыщенной магнитной системе влияние реакции якоря не столь критично. Это связано с тем, что в насыщенной стали магнитная индукция практически не возрастает в месте сложения полей (заштрихованная область 4 на рис. 1.4д), и уменьшается в месте вычитания. Но результирующая мощность падает.

Рисунок 1.4 Магнитное поле машины.

Подобное действие оказывает смещение щеток с геометрической нейтрали, так как вместе со щетками поворачивается и вектор МДС якоря. МДС помимо поперечной составляющей приобретает и продольную, направленную вдоль полюсов. При смещении щеток по направлению вращения продольная составляющая подмагничивает машину.

Устранение вредного влияния реакции якоря осуществляют двумя способами: применением компенсационной обмотки и увеличением воздушного зазора над главными полюсами.

Так как магнитное поле якоря направлено по геометрической нейтрали и величина магнитного потока пропорциональна току якоря, можно на станине разместить обмотку, по которой пропустить ток якоря. Направление магнитного потока ее должно быть противоположно потоку якоря. Такая обмотка называется компенсационной. Выполняют ее распределенной. Укладывают ее в пазы полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря. Компенсационные обмотки применяют в машинах большой мощности (свыше 150 кВт) в связи с удорожанием машины.

В машинах малой и средней мощности ослабление влияния реакции якоря осуществляют путем увеличения воздушного зазора под полюсами. Это вызывает увеличение магнитного сопротивления магнитной цепи. Однако, увеличение зазора требует увеличения МДС полюсов намагничивания машины.

Реакция якоря уменьшается при применении анизотропной стали для изготовления полюсов возбуждения. Пластины располагают так, чтобы большая магнитная проницаемость была вдоль полюса, а малая –поперек. Так как большая часть магнитного потока якоря проходит по полюсам в поперечном направлении (рис. 1.4 в), она значительно ослабляется. В то же время основной поток проходит без ослабления.

1.4 Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения, ДПТ разделяются на двигатели параллельного возбуждения ( ДПТ ПрВ), двигатели последовательного возбуждения (ДПТ ПсВ) и двигатели смешанного возбуждения. К двигателям параллельного возбуждения можно отнести двигатели независимого возбуждения (ДПТ НВ), в которых обмотка возбуждения подключается к отдельному источнику, либо выполнена с помощью постоянного магнита. В двигателях малой мощности возбуждение постоянными магнитами применяется преимущественно. Схема ДПТ ПрВ показана на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения

ПротивоЭДС Е_Я пропорциональна числу оборотов якоря n и магнитному потоку возбуждения Ф, т.е.

где С_Е—коэффициент пропорциональности.

Двигатель развивает момент М. который пропорционален току якоря и магнитному потоку возбуждения, т.е.

где С_М—коэффициент пропорциональности.

Используя 1.5 и 1.4, можно получить выражение для числа оборотов двигателя:

n = = = =n₀ – n. 1.7

n₀ = скорость идеального холостого хода (при I_Я =0),

n= -изменение скорости в зависимости от тока якоря.

Выражение 1.7 представляет собой электромеханическую характеристику ДПТ ПрВ—зависимость числа оборотов двигателя от тока якоря.

n= . 1.9

При постоянном потоке возбуждения Ф и постоянном напряжении обе характеристики представляют собой семейство отрезков прямых, исходящих из одной точки n₀ с наклоном, зависящим от добавочного сопротивления r_Д в цепи якоря (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 Механические характеристики ДПТ ПрВ.

. Одной из характеристик двигателя является жесткость его механической характеристики, определяемая величиной наклона ее к оси М. Жесткость характеризует сохранение частоты вращения при изменении нагрузки. Использование характеристик и способы регулирования скорости ДПТ ПрВ изучаются в курсе электропривода

В результате умножения обеих частей равенства 1.4 на I_Я получается следующее равенство:

U I_Я= r+Е_ЯI_Я 1.10

В выражении 1.9 слева –мощность, получаемая двигателем от сети. Первое слагаемое в правой части—падение напряжения на омических нагрузках внешней цепи и якоря. Эта энергия уходит на нагрев.

Второе слагаемое представляет собой электромагнитную мощность двигателя. Это легко показать, подставив выражения для Е_Я и I_Я из 1.5 и 1.8.

Е_ЯI_Я= С_ЕФn = . Более детальное рассмотрение коэффициентов С_Е и С_М показывает, что С_Е=2 С_М. Исходя из этого,

U I_Я=2 n М= , 1.11

где —круговая частота вращения якоря, а электромагнитная мощность двигателя.

Часто эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками—зависимостью частоты вращения n, тока I, полезного момента М₂,от мощности на валу двигателя Р₂ при Ф=Const и U= Const.

1.5 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

Так как обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, по ней протекает полный ток якоря (рис. 1.7).

М=С_МI_Я кI_Я=С_Мк . 1.11

Рисунок 1.7 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

Таким образом, момент ДПТ ПрВ при ненасыщенном состоянии магнитной системы, пропорционален квдрату тока.

Выражение для механической характеристики приобретет вид

Из выражения 1.12 следует, что электромеханическая характеристика ДПТ ПсВ представляет собой гиперболу (рис. 1.12). Механическая характеристика так же представляет собой гиперболу. При больших r_Д характеристики проходят ниже. При изменении нагрузки частота вращения значительно меняется. Характеристика называется мягкой.

Используются двигатели смешанного возбуждения, в которых имеется последовательная и параллельная обмотки возбуждения. Двигатели смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между ДПТ ПрВ и ДПТ ПсВ.

1.6 Универсальные двигатели

Рисунок 1.8 Универсальный двигатель

Надо отметить, что характеристики двигателя при работе на постоянном и переменном токах отличаются. Магнитные потери на переменном токе выше, значит, и КПД ниже.

1.7 Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Рисунок 1.9 Принцип действия бесколлекторного двигателя

На рис.1.9а катушка показана в виде витка, внутри которого размещен постоянный магнит, и последовательные фазы поворота магнита.

В положении 1 на магнит действует максимальный момент, если по по вертикальной катушке течет ток. Магнит повернется на 90 0 и остановится в положении 2, так как момент в этом положении равен нулю. Магнит по инерции может пройти это положение. Если в момент перехода через положение равновесия ток в катушке переключить на противоположный, то магнит повернется через положение 3 с максимальным моментом в положение 4 и т.д.

Рисунок 1.10 Вращающие моменты, создаваемые обмотками бесколлекторного двигателя

Величина вращающего момента М в зависимости от угла поворота показана на рис 1.10а. Для продолжения вращения должна быть еще одна обмотка, перпендикулярная первой, и ток в нее должен быть подан, как показано на рисунке в положении 2. Ток в первой обмотке в положении 2 должен быть выключен. Положения 3 и 4 показывают дальнейшую работу двигателя.

Рисунок 1.11 Схема управления обмотками БДПТ.

Применяются и другие конструкции БДПТ, например, такие, как показано на рис. 1.11б. В ней обмотки включаются поочередно. Конструкция близка к конструкции синхронного двигателя. В обеих конструкциях имеется существенный недостаток. В первом случае обмотка работает только половину периода, во втором—одну треть, т.е. обмотки используются недостаточно. Имеются двигатели с тремя реверсивными обмотками, что улучшает их использование.

КПД БДПТ выше по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока., что объясняется отсутствием электрических и механических потерь в щеточно-коллекторном узле. У них выше надежность, они могут работать в различных средах, где недопустима работа коллекторных двигателей. Недостатком является высокая стоимость, сложность схемы управления. В настоящее время выпускаются микросхемы-драйверы по управлению БДПТ.

Вопросы для самопроверки

1 Как разделяются коллекторные машины по способу возбуждения?

2 Как понимать термин обратимая машина? Какие машины обратимы?

3 Какую функцию выполняет коллектор?

4 Что понимают под механической характеристикой? Какова механическая характеристика ДПТ НВ?

5 Для чего используется механическая характеристика? Можно ли ее построить экспериментально?

6 Что понимают под скоростью идеального холостого хода? Каким выражением она может быть определена?

7 Как устроены ДПТ? Чем отличаются обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателей параллельного и последовательного возбуждения?

8 Почему при несомненном прогрессе в области полупроводников бесколлекторные двигатели не вытеснили коллектоные?

2.1 Принцип действия

Трансформаторы преобразуют одну систему тока (напряжение, ток) в другую. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Рисунок 2.1 Устройство (а ) и принципиальная схема трансформатора (б ).

При подключении к первичной обмотке переменного напряжения U₁ в ней возникает ток i₁, который создает переменный магнитный поток Ф, пропорциональный току. В каждой из обмоток поток создает ЭДС, пропорциональную количеству витков w.

Источник