Электрические машины постоянного тока

1. Электрические машины постоянного тока

Принцип
действия и конструкция
Системы возбуждения
Обмотки
Реакция якоря
Коммутация
Характеристики
МПТ
1

2. Основные элементы конструкции МПТ

Статор – неподвижная часть электрической машины.
Ротор – подвижная (вращающаяся) часть электрической
машины.
Индуктор – часть электрической машины, обеспечивающая
создание основного магнитного потока. В машине постоянного
тока индуктор неподвижен и имеет явно выраженные полюса
чередующейся полярности.
Якорь – часть электрической машины в которой наводится
э.д.с. В машине постоянного тока якорь вращается.
Щеточно-коллекторный узел – механический
преобразователь переменного тока в постоянный и обратно.
Возбуждение – создание основного магнитного потока
электрической машины.
МПТ
2

3. Принцип действия МПТ

Простейший генератор постоянного тока
1,2 – щетки
1’,2’ – коллектор
3 – полюса индуктора
4 – якорь
3
4
3
ea 2 B l - эдс витка
f pn - частота наводимой эдс
Кривые э.д.с. и тока простейшей
машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)
МПТ
3

4. Уменьшение пульсаций напряжения и момента МПТ

Пульсация напряжения на щетках
генератора постоянного тока:
а – при двух витках на полюс;
б – при большом количестве витков
Модель машины постоянного тока
с двумя витками на якоре
Для сглаживания пульсаций тока и момента в МПТ необходимо
разместить на якоре несколько витков, равномерно распределенных по
окружности, и увеличить количество коллекторных пластин.
МПТ
4

5. Генераторный и двигательный режим работы МПТ

Направления э.д.с. тока и моментов
в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока
U a E I a ra
генератор
U a E I a ra
двигатель
Работа простейшей машины
постоянного тока в режиме
генератора (а) и двигателя (б)
Fпр B l i сила действующая на проводник
Da
B l Da i
2
Электромагнитный момент
M эм 2 Fпр
МПТ
5

6. Преобразование энергии в МПТ

Электромагнитный момент
Генератор
М эм B l Da i
М эм М в М тр М с
Двигатель
М эм М в М тр М с
M в момент на валу
М тр момент трения
М с тормозной момент обусловленный потерями в сердечнике якоря.
Потери энергии в якоре возникают в результате его вращения в неподвижном
магнитном поле. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на
якорь тормозящее действие и проявляют себя подобно силам трения.
Электромагнитная мощность
Частота э.д.с. (тока) в якоре
Pэм M эм Ea I a
n
60
p число пар полюсов
f p
n
угловая частота вращения якоря
60
частота вращения якоря
n об
мин
2
МПТ
6

7. Энергетические соотношения

Генератор
U a I a Ea I a I a2 Ra
Двигатель
U a I a Ea I a I a2 Ra
U a I a - отдаваемая электрическая U a I a - подводимая электрическая
мощность P1эл
мощность P2 эл
P2 эл Pэм I a2 Ra
P1эл Pэм I a2 Ra
Подводимая механическая
Подводимая электрическая
мощность
мощность
Pв P2 эл Pмех Pc Pд I a2 Ra
P1эл Pв Pмех Pc Pд I a2 Ra
МПТ
7

8. Основные конструктивные элементы

Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине
происходит в результате взаимодействия магнитного, электрического и
механического процессов.
Магнитные процессы в электрической машине
формируются с помощью магнитопровода, который
обеспечивает необходимую конфигурацию магнитного
поля.
Электрические процессы электрических машин
формируются с помощью токопроводов, называемых
обмотками.
Механические процессы организуются посредством
вращающегося ротора (якоря МПТ).
МПТ
8

9. Конструкция МПТ

Основная конструктивная схема
машины постоянного тока
Устройство электрической машины
постоянного тока
1 – станина; 2 – главные полюсы;
3 – сердечник якоря; 4 – коллектор;
5 – вал; 6 – подшипник;
7 – подшипниковый щит; 8 - вентилятор
1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник якоря;
4 – сердечник главного полюса; 5 – полюсная
катушка; 6 – станина; 7 – подшипниковый щит;
8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря
МПТ
9

10. Элементы конструкции статора МПТ

Главный полюс
1 – сердечник полюса;
2 – полюсный наконечник;
3 – полюсная катушка.
Добавочный полюс
1 – сердечник;
2 – полюсная катушка
Неподвижная часть
машины постоянного тока:
1.
Главный полюс
2.
Добавочный полюс
3.
Станина
МПТ
10

11. Сердечник якоря МПТ

Сердечник якоря:
а - якорь без обмотки;
б – стальной лист сердечника якоря;
в – необмотанный якорь машины
постоянного тока.
МПТ
11

12. Обмотки якоря МПТ

Основным элементом обмотки является секция – наименьшая часть обмотки
содержащая один или несколько витков и присоединенная своими концами к
коллекторным пластинам.
Полюсное деление
Расположение активных
сторон секций на
Требования к якорной обмотке:
сердечнике якоря
1.
Выдерживать напряжение и ток нагрузки, соответствующие номинальной
мощности
2.
Электрическая, механическая и термическая прочность, обеспечивающую
необходимый срок службы машины (до 15-20 лет)
3.
Обеспечение токосъема с коллектора без вредного искрения
4.
Минимальный расход материалов
5.
Простая технология изготовления
МПТ
12

13. Коллектор МПТ

Коллектор:
1 – коллекторная пластина;
2 – изоляционная прокладка;
3 – конусная втулка;
4 – нажимная шайба.
Устройство коллектора:
1 – корпус коллектора; 2 – стяжной болт;
3 – нажимное кольцо; 4 – изоляция (миканит);
5 – «петушок»; 6 – «ласточкин хвост»;
7 – пластины.
Расположение коллекторных пластин (1)
Коллектор на пластмассе:
и изоляционных прокладок (2) в коллекторе 1 – коллекторная пластина;
2 – пластмасса;
3 – стальная втулка.
МПТ
13

14. Система возбуждения МПТ

МПТ
Магнитное поле
возбуждения создается
обмотками расположенными
на полюсах МПТ.
Магнитное поле
формируется с помощью
магнитопровода.
Основной магнитный поток Ф
- создается полюсами и
проходит через якорь.
Поток рассеяния Фрс –
создается полюсами и
замыкается минуя якорь.
14

15. Магнитная цепь МПТ в режиме холостого хода

Магнинтный поток полюса
ФП Ф Ф k Ф
Ф основной магнитный поток
Ф магнитный поток рассеяния
k 1.1 1.25 коэффициент рассеяния
H dl I ;
l
H i li I ;
Ф B dS ; B 0 H
S
Ф B S
Fi H i li намагнитчивающая сила
Общая намагничивающая сила
Магнитная цепь машины постоянного тока
1 – обмотка возбуждения; 2 – полюсы; 3 – ярмо;
4 – полюсный наконечник; 5 – якорь; 6 – проводники
якорной обмотки; 7 – зубец якорного сердечника;
8 – воздушный зазор машины.
F0 F Fz 2 Fa 2 FП Fa1
F 0.6 0.8 F0
МПТ
15

16. Многополюсные МПТ

Схема четырехполюсной МПТ
Воображаемую линию,
проходящую посредине между
полюсами называют
геометрической нейтралью.
Da
полюсное деление 2p
длина дуги между двумя
геометрическими нейтралями
Распределение потока в четырехполюсной машине:
а – чередование полюсов; б – распределение индукции в
воздушном зазоре.
МПТ
16

17. Обмотка якоря МПТ

Обмотка якоря МПТ представляет собой замкнутую систему
проводников, уложенных в пазах якоря и соединенных с коллектором.
Основным элементом обмотки является секция – наименьшая часть
обмотки, присоединенная к двум коллекторным пластинам.
Форма секций и порядок их подключения к коллекторным пластинам
определяется типом обмотки.
Наиболее распространены петлевая и волновая обмотки
Двухвитковые секции:
a)
b)
Простая петлевая обмотка – концы секций
подключаются к соседним коллекторным
пластинам
Простая волновая обмотка – концы секций
подключаются к коллекторным пластинам
расположенным на расстоянии двойного
полюсного деления.
МПТ
17

18. Простая петлевая обмотка

Простыми петлевыми называют обмотки, у которых последовательно
соединяются радом расположенные секции.
Активные части секций располагают под
полюсами разной полярности на расстоянии
приблизительно равном полюсному делению ,
это обеспечивает суммирование э.д.с.,
наводимых в активных частях.
1 – активная часть секции
2 – лобовая часть секции
Размещение нескольких элементарных пазов в
одном реальном
y1, y2, y, yk – шаги
обмотки
МПТ
18

19. Развертка простой петлевой обмотки

Схема простой петлевой обмотки с 2p=4, числом пазов Z=16. Первый шаг по
якорю y1=4
Число щеток равно числу полюсов.
Щетки одинаковой полярности соединяются параллельно.
Секции образуют параллельные ветви, число которых равно числу
полюсов: 2a=2p.
МПТ
19

20. Простая волновая обмотка

Простой волновой называют обмотку, у которой последовательно
соединяются секции, находящиеся в равных магнитных условиях и не
расположенные рядом. Форма секций волновой обмотки напоминает волну.
a)
Неперекрестная обмотка
b)
Перекрестная обмотка
Волновую обмотку применяют в
электрических машинах для
получения большего
напряжения, а петлевую для
получения больших токов
МПТ
20

21. Развертка простой волновой обмотки

Схема простой волновой обмотки с 2p=4, число секций S=Z=15. Первый
шаг по якорю y1=3.
Число параллельных ветвей 2a=2 независимо от количества полюсов
машины.
МПТ
21

22. ЭДС обмотки якоря

Э.Д.С. проводника при перемещении в поле
E B l v
Э.Д.С. якоря
2 p N /2 p
pl v N /2 p
Ea
B k l v
B k
2a k 1
a k 1
B k индукция под к ым проводником
Bср
N /2 p
Определение э.д.с. якоря
и электромагнитного момента
k 1
Ф
l
при
N
B k
Bср
2p
N
большом
2p
2 p n
и, т.к. v
60
pN
Ea
Ф n CeФ n
60a
pN
Ce
конструктивная постоянная машины
60a
МПТ
22

23. Электромагнитный момент

f k Bk l ia
Ma 2 p
M k fk
N /2 p
1
N /2 p
Bk Bср
1
Da
D
Bk l ia a
2
2
D
M k 2 pl ia a
2
N /2 p
Bk
1
N
2p
Ф
Ф
Ф
I
2p
ia a
l Da l
Da l
2a
2p
D
Ф
1 p
M a 2 pl ia a N
NI aФ
2
Da l 2 a
Bср
Определение э.д.с. якоря
и электромагнитного момента
Ma
1 Ia
N
pФ
2a
М a СМ Ф I a
МПТ
CM
p N
2 a
23

24. Реакция якоря – воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле полюсов

Магнитное поле в режиме
холостого хода:
а – магнитное поле машины;
б – распределение индукции в зазоре.
Магнитное поле реакции
якоря (а) и распределение
индукции в зазоре (б)
1-F, 2-B
МПТ
24

25. Реакция якоря – воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле полюсов

Результирующее магнитное поле (а)
и распределение индукции в зазоре (б)
Разложение н.с. обмотки
якоря на составляющие
МПТ
25

26. Компенсационные обмотки

Применение компенсационной обмотки
позволяет устранить искажение магнитного
поля в зазоре за счет негативного влияния
реакции якоря.
Станина машины постоянного тока
с компенсационной обмоткой
Компенсационную обмотку соединяют последовательно
с якорем. При таком соединении через них проходит
один и тот же ток, обеспечивая автоматическую
компенсацию при любой нагрузке
МПТ
26

27. Коммутация

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной
параллельной ветви в другую путем замыкания этих секций щетками при переходе с
одной коллекторной пластины на другую.
При этом ток меняет знак на
противоположный.
Секция замкнутая щеткой – коммутируемая секция.
Время в течении которого проходит замыкание - период коммутации (Тк).
Сбегающий край
щетки
Набегающий край
щетки
Схема распределения тока в коммутируемой секции в различные моменты времени при γ=1
МПТ
27

28. Коммутация

а 1 60
p
щ
Тк
Kn
bщ
щ
- коэффициент щеточного перекрытия
bк
bщ - ширина щетки, bк - щирина коллекторной пластины
К - число коллекторных пластин
Причины искрения во время коммутации:
• механические (качество изготовления коллектора и щеточного узла),
• электромагнитные (добавочный ток, вызванный результирующей ЭДС),
• потенциальные (повышенное напряжение между коллекторными пластинами).
i1 ia i;
i2 ia i
r r e
i ia 2 1
r2 r1 r1 r2
r1 и r2 переходные сопротивления щеточных контактов
i1r1 i2 r2 e;
МПТ
28

29. Коммутация

di
- эдс самоиндукции
dt
LS - индуктивность секции
eL LS
di
- эдс взаимоиндукции
dt
e p eL eM - реактивная эдс
eM M S
eK BK 2lwS v - коммутирующая эдс
e e p eK
S2 bщlщ
t
TK
S1 bщlщ
TK t
TK
В общем случае
2t
i ia 1
TK
e
r1 r2
i л iд
МПТ
29

30. Ток в коммутируемой секции

Характер изменения тока за период
коммутации зависит от значения и
Прямолинейная знака σ е
• Прямолинейная
коммутация
коммутация
σ е = 0,
ер = ек
(при
дополнительных
полюсах).
Плотность тока одинаковая по всей
ширине щетки.
Замедленная
коммутация
• Замедленная
коммутация σ е = ер ± ек > 0 (без
дополнительных полюсов или со
слабыми д.п. ). Плотность тока под
сбегающим краем щетки больше.
Ускоренная
коммутация • Ускоренная
коммутация
σ е = ер ± ек < 0
(сильные
добавочные полюса). Плотность
тока под набегающим краем щетки
Графики изменения тока
больше.
в коммутирующей секции
МПТ
30

31.

Способы улучшения коммутации
i
e
rщ
1. Увеличение сопротивления цепи коммутируемой секции rщ
2. Уменьшают число витков в секции ws ( е р LS ws2 )
di
3. Уменьшают частоту вращения n n
dt
di
4. Применение более широких щеток Т к
dt
4. Сдвиг щёток с линии геом. нейтрали
5. Применение добавочных полюсов
6. Применение компенсационной обмотки (уменьшение поля реакции якоря)
МПТ
31

32.

Способы улучшения коммутации
Расположение и полярность
добавочных полюсов
Н.с. и кривая результирующего
поля машины с добавочными
полюсами без компенсационной
обмотки
МПТ
32

33. Варианты электромагнитного возбуждения МПТ

Независимое
Параллельное
(шунтовое)
Последовательное
(сериесное)
Смешанное
(компаундное)
Схемы включения обмоток возбуждения генераторов постоянного тока
МПТ
33

34. Характеристики электрических машин постоянного тока

Характеристики генераторов
Характеристики двигателей
МПТ
34

35.

Энергетичская диаграмма генератора
независимого возбуждения
МПТ
35

36. 1. Характеристика холостого хода ГПТ

U f ( I В ) при
Схема для испытания
генераторов независимого
возбуждения
U a E I a ra
I a 0, n const
Характеристика холостого хода
генератора независимого возбуждения
E a CeФ n
МПТ
I В wВ
F
Ф
R
R
36

37. 2. Нагрузочные характеристики ГПТ

U f ( I В ) при
I a const , n const
Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока:
а – при независимом и параллельном возбуждении;
б – при одинаковом токе нагрузки для различных систем
смешанного возбуждения.
U a E I a ra
МПТ
37

38. 3. Внешние характеристики ГПТ

U f ( I a ) при
I В const ( RВ const ) n const
Внешняя характеристика генератора
независимого возбуждения
1 – влияние падения напряжения
в цепи якоря
2 – влияние падения напряжения и
размагничивающей реакции якоря
Внешняя характеристика генератора
параллельного возбуждения (1)
и генератора последовательного возбуждения (2)
U a E I a ra
МПТ
38

39. 3. Внешние характеристики ГПТ

U f ( I a ) при
I В const ( RВ const ) n const
U a E I a ra
Схема для испытания
генератора смешанного
возбуждения
Внешние характеристики
генератора смешанного возбуждения
1,2 – согласное, 3 – встречное
МПТ
39

40. 4. Регулировочные характеристики ГПТ

I В f ( I a ) при U const
U a E I a ra const
Регулировочная характеристика
генератора независимого
возбуждения
Сравнение внешних (а) и регулировочных (б)
характеристик генераторов независимого (1),
параллельного (2), смешанного возбуждения
с согласным (3) и встречным (4) включением
последовательной обмотки
МПТ
40

41. Характеристики генератора последовательного возбуждения

iв I a I
Генератор имеет только одну характеристику
Схема генератора
с последовательным
возбуждением
U f I
Внешняя характеристика генератора
с последовательным возбуждением
Применяются редко в следствии сильного изменения напряжения с изменением нагрузки.
МПТ
41

42. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

При постоянной частоте вращения
1-ХХХ, 2-Характеристика цепи возбуждения