Міністерство освіти і науки України
ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет»
Кафедра систем автоматизації та електроприводу
Реферат
«Двигун та генератор постійного струму»
Выполнила:
студентка группы МТ-18
Костиц Екатерина
Проверила:
к.т.н., Гулаков С. В.
Мариуполь, 2020
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
У сучасній електроенергетиці використовується переважно змінний струм, але досить широко використовується і постійний. Це пояснюється тими перевагами постійного струму, які зробили його незамінним при вирішенні багатьох практичних завдань. Так, серед електричних машин двигуни постійного струму займають особливе становище. Двигуни постійного струму дозволяють здійснити плавне регулювання швидкості обертання в будь-яких межах, створюючи при цьому великий пусковий момент. Це властивість двигунів постійного струму робить їх незамінними в якості тягових двигунів міського та залізничного транспорту (трамвай, тролейбус, метро, електровоз, тепловоз). Двигуни постійного струму використовуються також в електроприводі деяких металорізальних верстатів, прокатних станів, підйомно-транспортних машин, екскаваторів. Постійний струм використовується також для харчування електролітичних ванн, електромагнітів різного призначення, апаратури управління і контролю, для зарядки акумуляторів. Це харчування здійснюється від генераторів постійного струму, що приводяться в дію, як правило, асинхронними і синхронними двигунами змінного струму. Однак генератори часто замінюють випрямлячами (на напівпровідникових діодах і тиристорах) і постійний струм отримують з змінного.
Машини постійного струму входять також в електрообладнання автомобілів, судів, літаків і ракет.
Принцип роботи генератора постійного струму заснований на виникненні ЕРС в рамці, що обертається в магнітному полі (Ріс.6-1, а). За один оборот в кожній робочій (активної) частини рамки ЕРС двічі змінює знак. Щоб струм у зовнішній ланцюга мав тільки один напрямок (постійне), застосовують колектор - два півкільця, з'єднані з кінцями рамки, а рамку з'єднують із зовнішнім ланцюгом через обертовий колектор і нерухомі щітки. Як тільки активна сторона рамки почне перетинати лінії магнітної індукції в протилежному напрямку порівняно попереднім, поєднане з цією стороною півкільце колектора почне стикатися з іншого щіткою. Завдяки такому пристрою напрямок струму в зовнішньому ланцюзі залишається незмінним, хоча його значення змінюється (пульсує, Ріс.6-1, б).
Пристрій промислової генератора постійного струму зображено на малюнку 6-2. На внутрішній поверхні станини I, виготовлених із цільного чавунного лиття, жорстко укріплені головні полюси 2 з обмотками збудження і додаткові полюси з обмотками для компенсації ЕРС самоіндукції і реакції якоря.
У більшості випадків електромагніти харчуються від самого генератора. Усередині станини поміщається якір 3, що представляє собою металевий циліндр, набраний з штампованих пластин електротехнічної сталі. У поздовжніх пазах на поверхні якоря розміщується обмотка якоря, що складається з з'єднаних між собою секцій. Для згладжування пульсацій ЕРС і струму обмотка якоря рівномірно розміщена по всій поверхні, магнітне опір між полюсами зменшується завдяки сталевому сердечнику якоря. Висновки обмоток припаюють до ізольованим один від одного і від корпусу машини мідним пластин колектора 4, причому кінець однієї секції і початок наступного припаюють до однієї і тієї ж пластині. Колектор жорстко укріплений на валу якоря, на цьому ж валу кріплять і вентилятор. Вал якоря поміщається в підшипники підшипникових щитів 5, що зміцнюються на бічних сторонах станини. Між якорем і полюсами статора утворюється незначний повітряний зазор, завдяки якому якір може вільно обертатися. На циліндричну поверхню колектора накладаються вугільні щітки, вставлені в щіткотримачі 6. Для зменшення опору щітки часто пресуються з суміші вугільного і мідного порошку.
Машини постійного струму часто роблять багатополюсними (Ріс.6-3), при цьому в кожній секції обмотки за один оборот значення і знак ЕРС змінюються стільки раз, скільки полюсів. Магнітна ланцюг такої машини більш складна, при цьому число пар щіток дорівнює числу пар полюсів, а щітки однаковою полярності з'єднують разом.
Принципи роботи генератора постійного струму розглянемо більш докладно.
Якщо якір виготовити у вигляді кільця і на ньому розмістити обмотку у вигляді замкнутого тороида, то такий якір називають кільцевим, а обмотку - спіральної. При обертанні цього якоря в магнітному полі в витках його обмотки будуть індукувати ЕРС (Ріс.6-4, а). Виявляється, що в витках однієї половини обмотки ЕРС має один знак, в витках іншої половини - протилежний.
Якщо витки рівномірно розподілені по поверхні якоря, то струму в обмотці не буде, так як дія ЕРС обох половин взаємно компенсується. Якщо, наприклад, у витоків із зовнішнього боку частково зняти ізоляцію і з двох протилежних сторін накласти дві нерухомі щітки (а і Ь) так, щоб при обертанні якоря вони могли стосуватися кожного витка, то легко помітити, що вся обмотка як би розділиться навпіл і при обертанні якоря витки однієї половини обмотки будуть поступово переходити в іншу, при цьому число витків кожної половини, полярність і значення ЕРС будуть залишатися низькими. Якщо тепер підключити навантаження до щіток, то у зовнішній ланцюга і в кожній половині обмотки встановиться постійний струм.
Очевидно, що для більш повного використання ЕРС обмотки щітки треба підключати в тих точках, де ЕРС Чи не наводить. Пряма, що проходить через дві такі точки, називається геометричній нейтраллю (ГН). При такому розташуванні щіток обмотка виявляється розділеної на дві паралельні гілки, з'єднані між собою і зовнішнім ланцюгом щітками. Якщо щітки змістити щодо геометричної нейтрали, то в частині витків кожної паралельної гілки ЕРС буде мати протилежний полярність, а під щітками може початися іскріння, так як в загортають щітками витках (секціях) ЕРС відмінна від нуля.
Кільцевій якір можна вдосконалити, якщо не знімати ізоляцію з витків обмотки, а зробити від них відводи, з'єднані з пластинами колектора, а щітки накласти на колектор (Ріс.6-4, б). Якщо у такої машини зробити чотири полюса, то обмотка розділиться на чотири частини (Ріс.6-5, а). Якщо далі замість двох щіток поставити чотири і однойменні з'єднати між собою (Ріс.6-5, б), то обмотка матиме чотири паралельні гілки. Легко бачити, що зі збільшенням числа паралельних гілок струм навантаження може бути відповідно збільшено. Розглянутий вище кільцевої якір зі спіральною обмоткою має істотні недоліки. По-перше, магнітний потік замикається через стінку кільця (якоря), минаючи внутрішню порожнину, тому активною стороною кожного витка обмотки є та, яка розташована на поверхні, а внутрішня частина витка для отримання ЕРС не використовується і служить лише сполучною провідником. Ця обставина призводить до нераціональної витрати міді. По-друге, спіральну обмотку можна зробити за шаблоном, тому в даний час машини з кільцевих якорем не виготовляються.
Минаючи внутрішню порожнину, тому активною стороною кожного витка обмотки є та, яка розташована на поверхні, а внутрішня частина витка для отримання ЕРС не використовується і служить лише сполучною провідником. Ця обставина призводить до нераціональної витрати міді. По-друге, спіральну обмотку можна зробити за шаблоном, тому в даний час машини з кільцевих якорем не виготовляються.
Недоліки кільцевого якоря усувають заміною його барабанним. Обмотки барабанного якоря (Ріс.6-6) укладають в спеціальні пази на поверхні циліндра (якоря) у вигляді окремих секцій, певним чином з'єднаних з пластинами колектора і між собою. Секція - це частина обмотки між двома сусідніми відводами до колектора. Обидві сторони кожної секції є активними; секції виготовляють за шаблоном.
ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока
Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.
ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле
. (1). Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции. Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:
, (2)где d - диаметр сердечника якоря, l - образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при
= 90° равна
, (3)где l - длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v - линейная (окружная) скорость движения проводника.
Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср и линейной скорости
и после преобразования получим:
, (4)где n - скорость вращения якоря.
Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет
активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:
, (5)где
- ЭДС генератора.Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:
. (6)В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:
. (7)Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р =
), причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:
, (8)где F - сила, действующая на якорь. При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила
, а на N проводников обмотки
. (9)Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать следующим образом:
, (10)Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение для мощности:
=
=
. (11)Так как
Ф, то окончательно имеем:
. (12)Для общего момента машины М можно записать:
,где
постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции. Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой М = сФ1я. (13)Реакция якоря
У режимі холостого ходу генератора постійного струму в його обмотці індукується тільки ЕРС, а струму в обмотці немає, так як ЕРС паралельних гілок взаємно компенсуються. При цьому машина має тільки один магнітний потік - потік полюсів. Але варто включити навантаження, як в обмотці якоря з'явиться струм і, як відомо, цей струм створить свій магнітний потік, який почне накладатися на ток полюсів, тобто має місце явище, зване реакцією якоря
Якщо окремо зобразити картини полів полюсів (Ріс.6-7, а) і якоря (Ріс.6-7, б) і порівняти їх, то можна бачити, що поле якоря є поперечним по відношенню до поля полюсів. Очевидно, що в результаті їх взаємодії (накладення), як і в синхронному генераторі з активним навантаженням, під набігають краями полюсів при ненасиченої магнітної системі машини індукція буде зменшуватися, а під збігають збільшуватися, при цьому загальний потік не зміниться. При великих навантаженнях настає насичення магнітного ланцюга. Тоді в результаті реакції якоря не тільки спотвориться картина поля (Ріс.6-7, в), але зменшиться загальний магнітний потік і пов'язана з ним ЕРС, при цьому як би зросте магнітний опір полюсного наконечника і зубців якоря, розташованих під цим полюсом. В результаті потік збудження, що проходить через них, зменшиться. Реакція якоря призведе до того, що в секціях, розташованих на геометричної нейтрали, ЕРС відмінна від нуля. Отже, при закорачіваніі секцій щітками можуть з'явитися струми, які породжують іскріння і підгоряння колектора і щіток. Від цього небажаного явища можна позбутися переміщенням щіток по колектору в напрямку його обертання на деякий кут (з геометричної нейтрали nn 'на фізичну нейтраль mm'), де ЕРС в секціях дорівнює нулю. Якщо врахувати, що положення фізичної нейтралі змінюється зі зміною навантаження (при зростанні навантаження кут Р зростає), то повністю ліквідувати іскріння таким способом не вдасться (доведеться безперервно повертати щітки одночасно зі змінами навантаження). На практиці щітки встановлюють за найменшим іскріння при номінальному навантаженні. У разі роботи машини в режимі двигуна фізична нейтраль зміщається проти напрямку обертання.
Вплив реакції якоря можна послабити збільшенням повітряного зазору між полюсами і якорем, але це призведе (як і в синхронній машині) до зайвої витрати міді і збільшення розмірів машини. Для ослаблення впливу реакції якоря в машинах постійного струму застосовують додаткові полюси, одночасно поліпшують комутацію струму.
Коммутация
Під час роботи машини постійного струму відбувається безперервне перемикання секцій обмотки з однієї паралельної гілки в іншу, при цьому струм в перемикання секціях змінює свій напрямок на протилежне. Так як час цього переходу дуже мало, то швидкість зміни струму в секції велика. Якщо врахувати, що секція розміщена на сталевому сердечнику (індуктивність велика), то процес перемикання секції може супроводжуватися появою в ній значної ЕРС самоіндукції і, можливо, через іскріння.
Процес перемикання секцій обмотки з однієї паралельної гілки в іншу і всі супутні цьому переключення явища називають процесом комутації, а тривалість цього процесу - періодом комутації.
Розглянемо цей процес трохи докладніше на прикладі обмотки з двома паралельними гілками.
Перед початком комутації, коли щітка стикається тільки з колекторної пластиною 1 (Ріс.6-8, а), струм навантаження I, протікає від пластини 1 до точки а, де розгалужується в обидві паралельні гілки. Цікавить нас секція (на кресленні виділена жирною лінією) знаходиться в правій паралельної гілки. Як тільки правий край щітки торкнеться пластини 2, почнеться процес комутації, який буде тривати, поки лівий край щітки не зійде з пластини 1, при цьому протягом всього періоду комутації виділена нами секція буде замкнута накоротко щіткою (Ріс.6-8, б) так як за весь час комутації значення і напрям струмів в проводах 2 і 3 не зміниться, то в міру переходу щітки колекторної пластини 1 на пластину 2 ток під набігаючим краєм буде збільшуватися, а під які збігають - зменшуватися, розподіляючись обернено пропорційно площі сопріко новения, щільність струму при цьому буде всюди постійною. Але так було б при дуже повільному русі колектора щодо щітки. Насправді ж період комутації триває лише тисячні частки секунди, за цей час ток в виділеної секції (дроти 1-4) змінюється від + до нуля і від нуля до -. Так як секція має велику індуктивність, то під дією ЕРС самоіндукції в ній з'явиться додатковий струм, напрямок якого (за законом Ленца) співпаде з убутним струмом в секції. Цей додатковий струм сильно збільшить щільність струму під збігають краєм щітки, і в момент сходження щітки з пластини I між цією пластиною і щіткою відбудеться іскріння.
Тепер, коли щітка стала стосуватися лише плити 2 (Ріс.6-8, в), виділена нами секція 1-4 виявилася в лівій паралельної гілки, ток в ній змінив свій напрямок на протилежне. Після цього почнеться комутація наступної секції, тобто під щіткою знову буде спостерігатися іскріння.
Ми розглянули комутацію під щіткою однієї полярності. Точно в таких же умовах знаходиться і щітка іншої полярності, де напрямок струмів у всіх провідниках буде протилежним. Для зменшення додаткового струму, що виникає в комутованих секціях, в машинах високої напруги застосовують тверді вугільні щітки, що утворюють великі контактні опору в замкнених секціях. Поліпшення умов комутації в машинах постійного струму головним чином здійснюється за допомогою додаткових полюсів. Цей метод заснований на наступному.
ЕРС самоіндукції в комутованих секціях виникає при проходженні цих секцій поблизу геометричної нейтрали і залежить від значення струму навантаження. Якщо в цей час якимось додатковим полем в комутованій секції створити рівну і протилежну ЕРС, то додатковий струм при цьому може зникнути. Саме так і поступають на практиці. Додаткові полюси розміщують на геометричної нейтрали і постачають обмотками, включеними послідовно в ланцюг навантаження (Ріс.6-9). Додаткові полюси своїм полем індукують в комутуючих секціях комутуючу ЕРС, пропорційну току навантаження, і компенсує ЕРС самоіндукції в секції, при цьому поле додаткових
Ріс.6-9полюсов одночасно послаблює і вплив реакції якоря. У генераторів за головним полюсом у напрямку його обертання ставлять додатковий полюс протилежної полярності, а у двигуна - такий же полярності. Ця умова автоматично виконується при переході машини з режиму роботи генератора в режим двигуна, так як напрямок струму змінюється на протилежне.
У більшості машин постійного струму роблять по два додаткових полюса на кожну пару головних полюсів. У малопотужних машин (до 5 кВт) на кожну пару головних полюсів роблять один додатковий полюс.
ДВИГУН ЗМІШАНОГО ПОРУШЕННЯ
Схема включення двигуна постійного струму змішаного збудження зображена на малюнку 6-18. На кожному полюсі такого двигуна є обмотки - паралельна і послідовна. Їх можна включити так, щоб магнітні потоки складалися (згідне включення) або віднімати (зустрічне включення).
Рівняння швидкості обертання і крутного моменту для них виражаються так:
и М = с1я (Фпр ± Фпс),де знак плюс ставиться до згідно включенню обмоток збудження, мінус - до зустрічному. Залежно від співвідношення магнітних потоків обох обмоток за властивостями двигун наближається до двигунів паралельного або послідовного збудження. Як правило, у двигунів змішаного збудження послідовна обмотка є головною (робочої), а паралельна - допоміжної. Завдяки магнітному потоку паралельної обмотки швидкість обертання такого двигуна не може зростати безмежно при малих навантаженнях (або на холостому ходу), тобто двигун не буде "розносити".
Двигуни з згодним включенням знайшли широке застосування в тих випадках, коли необхідний великий пусковий момент і зміна швидкості при змінних навантаженнях (включаючи малі навантаження і холостий хід). Двигуни ж із зустрічним включенням застосовують для отримання постійної швидкості при навантаженню, що змінюється.
На малюнку 6-19 наведені для порівняння навантажувальні характеристики двигунів з різними способами збудження.
Колекторних двигунів змінного струму
Одночасна зміна струму в якорі і обмотці збудження двигуна постійного струму не змінює його напрямку обертання. Ця властивість використовується в колекторних двигунах змінного струму, де струм з частотою мережі одночасно змінює свій напрямок в обох обмотках.
Конструкція колекторних двигунів змінного струму значно складніше конструкції двигунів постійного струму. Всю магнітну систему набирають з окремих ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі, щоб уникнути її сильного нагрівання від такого частого перемагничивания. Для зменшення реактивного опору двигуна, погіршує cos мережі, станину постачають компенсаційної обмотки, розташованої рівномірно по окружності статора і з'єднаної послідовно з якорем. Для поліпшення компенсації ЕРС самоіндукції в секціях якоря статор роблять неявнополюсним. Для отримання задовільною комутації, при якій короткозамкнутая секція виявляється подібної короткозамкненою обмотці трансформатора, число витків в секціях зменшують, збільшуючи число секцій, і обмежують струм включенням між секціями і колектором спеціальних резисторів. Наявність великої кількості секцій і пластин колектора сильно збільшує розміри колектора, що є зовнішнім відмітною ознакою колекторних двигунів змінного струму від двигунів постійного.
Майже всі колекторні двигуни змінного струму мають послідовне збудження. Двигуни паралельного збудження через великий індуктивності обмотки збудження (великого зсуву фаз між струмом в якорі і потоком) мають досить незначний крутний момент, тому на практиці такі двигуни не застосовують.
Іноді зустрічаються малопотужні так звані універсальні двигуни, які працюють як від постійного, так і від змінного струму. У цих двигунах обмотка розрахована на роботу постійного струму, а частина її (відведення) - на роботу змінного струму, так як опір однієї і тієї ж обмотки менше для постійного, ніж для змінного струму.
Через складність конструкції і дорожнечі колекторні двигуни великої потужності застосовують в рідкісних випадках, де це економічно виправдовує себе, наприклад для приводу одного механізму з широкими межами регулювання швидкості. Іноді зустрічаються трифазні колекторні двигуни з живленням з боку ротора, в яких переміщення щіток по колектору передає управління швидкості в широких межах, але цей двигун дуже дорогий.
Широке поширення отримали малопотужні (до 200 Вт) універсальні колекторні двигуни послідовного збудження. Їх застосовують для потреб побутового електроприводу (швейних машин, пилососів, для дрібних електродрилів, вентиляторів і т.д.)