Машины постоянного тока параллельного возбуждения

                         Министерство образования РФ


                     ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Факультет                   Автоматики и электромеханики
Кафедра     Электрические машины и аппараты



              МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ


                Реферат по дисциплине «Электрические машины»



Исполнитель

студент группы 7А91    _____________________Вакер В.С.
                                 (подпись, дата)


Руководитель

доцент, к.т.н.              _____________________Игнатович В.М..
                                 (подпись)
                            _____________________
                                 (дата)



                            Томск-2002



                                  Введение.


    Электрические машины постоянного тока широко  применяются  в  различных
отраслях промышленности.
    Значительное   распространение   электродвигателей   постоянного   тока
объясняется  их  ценными  качествами:   высокими   пусковым,   тормозным   и
перегрузочным моментами, сравнительно  высоким  быстродействием,  что  важно
при  реверсировании  и  торможении,   возможностью   широкого   и   плавного
регулирования частоты вращения.
    Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов,
например,  для  приводов  различных  станков  и  механизмов.  Мощности  этих
электродвигателей  достигают  сотен  киловатт.  В  связи  с   автоматизацией
управления производственными процессами и  механизмами  расширяется  область
применения  маломощных  двигателей  постоянного   тока   общего   применения
мощностью от единиц до сотен ватт.
    Генераторы  постоянного  тока  общего  применения  в  настоящее   время
используются   реже,   чем    электродвигатели,    поскольку    значительное
распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.
    Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют  значительную
часть  электрооборудования  летательных  аппаратов,  Генераторы  постоянного
тока применяют в  качестве  источников  питания;  максимальная  мощность  их
достигает 30 КВт.  Электродвигатели  летательных  аппаратов  используют  для
привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон  –  от
долей до десятков киловатт. На самолетах,  например,  устанавливается  более
200 различных  электродвигателей  постоянного  тока.  Двигатели  постоянного
тока  широко  используются  в  электрической  тяге,  в   приводе   подъемных
устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели  постоянного
тока применяются для привода  прокатных  станов  и  на  судах  для  вращения
гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается  с  помощью
генераторов постоянного тока  или  выпрямительных  установок,  преобразующих
переменный ток в постоянный.
    Генераторы   постоянного   тока   являются   источником   питания   для
промышленных  установок,  потребляющих  постоянный  ток  низкого  напряжения
(электролизные и  гальванические  установки).  Питание  обмоток  возбуждения
мощных  синхронных  генераторов  осуществляется   во   многих   случаях   от
генераторов постоянного тока (возбудителей).
    В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения  машины  постоянного
тока  разделяются  на  несколько  типов  (  с   независимым,   параллельным,
последовательным и смешанным возбуждением).
    Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска
машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей  постоянного
тока.



                      Основные элементы конструкции МПТ


    В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник  вместе
с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно  называется  якорем.  Якорь
машины постоянного тока вращается в магнитном  поле,  создаваемом  обмотками
возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1).  По  проводникам  6
нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия  полей
обмоток   возбуждения   и   якорной   создается   электромагнитный   момент,
возникновение которого можно также объяснить  взаимодействием  тока  якорной
обмотки с магнитным потоком машины.
    Из технологических соображений сердечник полюсов обычно  набирается  на
шпильках из листов электротехнической стали  толщиной  0,5—1  мм  (рис.  2).
Одна сторона полюса  прикрепляется  к  станине,  часто  при  помощи  болтов,
другая — располагается
[pic]
Рис.   1.   Устройство     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

Рис. 2. Полюс   машины постоянного тока:
2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 —
обмотка возбуждения 5 — болт для крепления полюса;      6 — ярмо


вблизи якоря. Зазор между полюсом и  якорным  сердечником  является  рабочим
воздушным  зазором  машины.  Со   стороны,   обращенной   к   якорю,   полюс
заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер  которого
выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению  потока
в воздушном зазоре.  На  полюсе  размещается  катушка  обмотки  возбуждения.
Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются  из
постоянных  магнитов.  Часть  станины,  по   которой   проходит   постоянный
магнитный поток, называется ярмом.
    Основная  часть  потока  Ф  (см.   рис.   1),   создаваемого   обмоткой
возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный  зазор  8,
зубцы 7 и спинку якоря 5, после  чего  поток  проходит  аналогичный  путь  в
обратной последовательности к южному соседнему  полюсу  S  и  через  ярмо  3
возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь,  который
показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов  чередуется
(северный, южный, северный и т. д.).
    На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в  воздушном
зазоре  двухполюсной  машины  в  функции  геометрического  угла  ?.   Начало
координат и  выбрано  посередине  между  полюсами.  В  этой  точке  значение
индукции равно нулю. По мере приближения к  полюсному  наконечнику  индукция
возрастает, сначала медленно (до точки а) у края  полюсного  наконечника,  а
затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке  b  индукция  имеет
наибольшее   значение.   Кривая   распределения    индукции    располагается
симметрично относительно оси полюса и  в  точке  с,  находящейся  посередине
между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая  cde
является зеркальным  отображением  относительно  оси  абсцисс  кривой  oabc.
Области, в которых индукция имеет положительное  и  отрицательное  значение,
чередуются. В общем случае машина может  иметь  р  пар  полюсов.  Тогда  при
полном  обходе  всего  воздушного   зазора   разместится    пространственных
периодов изменения индукции,  так  как  каждый  период  соответствует  длине
поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например,  в
четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис.  4).
В теории электрических машин, кроме угла ?г,  измеряемого  в  геометрических
градусах, пользуются также понятием угла  ?э,  измеряемого  в  электрических
градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения  кривой
распределения индукции соответствует электрический угол ?э=360 эл. град  или
2? эл. рад. Поэтому
            ?э=??г          (1)
например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем ?э=2ссг.
При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с.
Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника
      Рис. 3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с.
    проводника якорной обмотки во времени:
    а — пространственное распределение индукции под полюсом; б — изменение
    э.д.с.. проводника во времени; в — выпрямленное  при   помощи
    коллектора напряжение на щетках

                            e=B?l?,          (2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в
        которой в данный момент времени находится проводник, тл;
    I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э.
д. с., м;
    v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.
[pic]
Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:
а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре


При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной.
Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

                               e?B?.       (3)

    Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной  обмотки
изменение э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3,  б)  в  соответствующем
масштабе повторяет кривую распределения  индукции  в  воздушном  зазоре  В?,
(см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени,  видим,  что
в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.
    В двухполюсной машине за один оборот  вращения  в  проводниках  якорной
обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60  гц,  где  n—  скорость
вращения потока относительно проводника, вычисляемая в  оборотах  в  минуту.
Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот  ротора  под  проводником
пройдет  р  пространственных  волн  магнитного  поля.  Они  наведут  э.д.с.,
частота которой в р раз больше, т. е.

                            [pic]            (4)
    Выражение (4)  определяет  частоту  э.д.с.  многополюсной  машины.  Оно
показывает, что  частота  э.д.с.  пропорциональна  числу  полюсов  машины  и
скорости ее вращения.
    В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический
радиан  в  секунду.  Подставляя  в  (4)   значение   w,   выраженное   через
механическую скорость вращения
                            [pic]
имеем
                            [pic]            (5)

    В  машинах  постоянного  тока  для   выпрямления   э.д.с.   применяется
коллектор, представляющий собой механический  преобразователь,  выпрямляющий
переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через  щетки  во
внешнюю цепь. Коллектор состоит  из  соединенных  с  витками  обмотки  якоря
изолированных между собой  пластин,  которые,  вращаясь  вместе  с  обмоткой
якоря, поочередно  соприкасаются  с  неподвижными  щетками,  соединенными  с
внешней цепью.  Одна  из  щеток  всегда  является  положительной,  другая  —
отрицательной.
    [pic]
Рис.  5.  Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:
    1— медные пластины;  2 — виток  обмотки  якоря; 3 — щетки; 4 —  внешняя
электрическая цепь

    Простейший  коллектор  имеет  две  изолированные  между  собой   медные
пластины, выполненные в форме полуколец (рис.  5),  к  которым  присоединены
концы  витка  якорной   обмотки.   Пластины   коллектора   соприкасаются   с
неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической  цепью.
При работе машины пластины коллектора вращаются  вместе  с  витками  якорной
обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в  то  же  время,  когда
э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась  от
щетки одной полярности к щетке другой  полярности.  В  результате  этого  на
щетках возникает пульсирующее напряжение,  постоянное  по  направлению  (см.
сплошную кривую 1 на рис. 3, в).
    [pic]
Рис. 6. Устройство коллектора:
1 — корпус; 2 —  стяжной  болт,  3  —  нажимное  кольцо;  4  —  изоляционная
прокладка;  5  —  «петушок»  —  часть  коллекторной  пластины,   к   которой
припаивается  конец  секции  обмотки;  6  —  «ласточкин   хвост»   —   часть
коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

    Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих  собой
один или несколько последовательно соединенных витков. Конец  каждой  секции
присоединяется к одной из  изолированных  коллекторных  пластин,  образующих
коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа  секций  уменьшается  пульсация
напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных  пластинах  разница
между  максимальной  и  минимальной  величиной  напряжения,   отнесенная   к
среднему значению, не превышает 0,65%.
    Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного
ухода.  Его  повреждения   нередко   служат   причиной   серьезных   аварий.
Предпринимались  многочисленные  попытки  создать   бесколлекторную   машину
постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно,  так  как  в
многовитковой якорной  обмотке,  активные  стороны  которой  последовательно
проходят под полюсами   разной   полярности,   в   любом  случае   наводится
переменная э.д.с., для  выпрямления  которой  необходимо особое устройство.
    [pic]
Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках   генератора постоянного тока:
    а — при двух витках  на полюс; б — при большом количестве витков

    Поэтому машинами постоянного тока называются  электрические  машины,  у
которых  преобразование  энергии  происходит  вследствие  вращения   якорной
обмотки относительно неподвижного  потока  полюсов,  а  выпрямление  тока  в
постоянный осуществляется коллектором (или  иным  выпрямителем,  вращающимся
вместе с якорем).
    Вначале  создавались  машины  постоянного  тока.  В  дальнейшем  они  в
значительной степени были вытеснены  машинами  переменного  тока.  Благодаря
возможности  плавного  и  экономичного   регулирования   скорости   вращения
двигатели  постоянного  тока  сохраняют  свое   доминирующее   значение   на
транспорте, для привода металлургических  станов,  в  крановых  и  подъемно-
транспортных механизмах.  В  системах  автоматики  машины  постоянного  тока
широко используются в качестве  исполнительных  двигателей,  двигателей  для
привода   лентопротяжных    самозаписывающих    механизмов,    в    качестве
тахогенераторов и электромашинных усилителей.  Генераторы  постоянного  тока
применяются   главным   образом   для   питания   радиостанций,   двигателей
постоянного    тока,    зарядки    аккумуляторных    батарей,    сварки    и
электрохимических низковольтных установок.



  Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.



Естественные скоростная и механическая характеристики.

    Рассмотрим  более  подробно  характеристики   двигателя   параллельного
возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.
    Скоростная  и  механическая   характеристики   двигателя   определяются
равенствами (6)  и  (7)  при  U  =  const  и  iB  =  const.  При  отсутствии
дополнительного сопротивления в цепи  якоря  эти  характеристики  называются
естественными.
                      [pic]            (6)


                      [pic] (7)

    Если щетки находятся на  геометрической  нейтрали,  при  увеличении  Ia
поток Ф? несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции  якоря.
В результате этого скорость n,  согласно  выражению  (6),  будет  стремиться
возрасти. С другой стороны,  падение  напряжения  RaIa  вызывает  уменьшение
скорости.  Таким  образом,  возможны  три  вида  скоростной  характеристики,
изображенные на рис 8; 1 — при преобладании влияния RaIa; 2 —  при  взаимной
компенсации  влияния  RaIa  и  уменьшения;  3  —  при  преобладании  влияния
уменьшения Ф?.
    Ввиду  того  что   изменение   Ф?   относительно   мало,   механические
характеристики  n=f(M)  двигателя  параллельного  возбуждения,  определяемые
равенством  (7),  при  U=  const  и  iB==  const   совпадают   по   виду   с
характеристиками n= f(Ia) (рис. 8). По этой же  причине  эти  характеристики
практически прямолинейны.
    Характеристики вида 3 (рис. 8)  неприемлемы  по  условиям  устойчивости
работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со  слегка
падающими  характеристиками  вида  1  (рис.   8).   В   современных   высоко
использованных машинах  ввиду  довольно  сильного  насыщения  зубцов,  якоря
влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что  получить
характеристику вида  1  (рис.  8)  невозможно.  Тогда  для  получения  такой
характеристики  на  полюсах   помещают   слабую   последовательную   обмотку
возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от  н.  с.
параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение  Ф?  под  воздействием
поперечной  реакции  якоря  частично  или  полностью  компенсируется.  Такую
последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей,  а  двигатель
с  такой   обмоткой   по-прежнему   называется   двигателем   -параллельного
возбуждения.
    Изменение скорости вращения ?n (рис. 8) при переходе от холостого  хода
(Ia  =Ia0)  к  номинальной  нагрузке  (Ia=Iaн)  у  двигателя   параллельного
возбуждения при работе на  естественной  характеристике  мало  и  составляет
2—8%  от  nн.  Такие  слабо  падающие  характеристики  называются  жесткими.
Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками  применяются
в установках, в которых требуется, чтобы  скорость  вращения  при  изменении
нагрузки сохранялась  приблизительно  постоянной  (металлорежущие  станки  и
пр.).


Рис. 8. Виды естественных скоростных и  механических характеристик
двигателя параллельного возбуждения



Регулирование   скорости   посредствам   ослабленного   магнитного    потока
производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения  Rp  в  (см.  рис.
11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rpa= 0)  и  U  =
const характеристики n =f(Ia) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и  (7),
для разных значений Rр.в. ,IB или Ф?  имеют вид, показанный на рис.  9.  Все
характеристики n =f(Ia) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в  общей  точке  при
весьма большом токе Ia, который равен

                      [pic]
    Однако механические характеристики  пересекают  ось  абсцисс  в  разных
точках.
    Нижняя характеристика на  рис.  9  соответствует  номинальному  потоку.
Значения  n  при   установившемся   режиме   работы   соответствуют   точкам
пересечения рассматриваемых характеристик  с  кривой  Мст=f(п)  для  рабочей
машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).
    Точка холостого хода двигателя (М =  М0,  Ia  =  Ia0)  лежит  несколько
правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращения  n  вследствие
увеличения механических потерь М0 и I00 также  увеличиваются.  Если  в  этом
режиме с помощью приложенного  извне  момента  вращения  начать  увеличивать
скорость вращения n, то Еа=ceФ?т  будет  увеличиваться,  а  Iа  и  М  будут,
согласно равенствам
    [pic]        и          [pic]


уменьшаться. При Iа = 0 и М. =0 механические и  магнитные  потери  двигателя
покрываются  за  счет  подводимой  к  валу  механической  мощности,  а   при
дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и  двигатель  перейдет  в
генераторный режим  работы  (участки  характеристик  на  рис.  9  левее  оси
ординат).
Двигатели общего применения допускают по условиям  коммутации  регулирование
скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели  с
регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1  :  8,
но  в  этом  случае   для   ограничения   максимального   напряжения   между
коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор,  регулировать
поток по отдельным группам полюсов или  применить  компенсационную  обмотку.
Стоимость двигателя при этом увеличивается.
    [pic]
Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного
возбуждения при разных потоках возбуждения

    Регулирование  скорости  сопротивлением  в  цепи  якоря,  искусственные
механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь  якоря
включить добавочное сопротивление Rpa (рис. 10, а), то вместо выражений  (6)
-и (7) получим
    [pic]             (8)


    [pic]        (9)
Сопротивление Rpa может  быть  регулируемым  и  должно  быть  рассчитано  на
длительную работу. Цепь  возбуждения  должна  быть  включена  на  напряжение
сети.
    [pic]
Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного
возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие
механические и скоростные характеристики (б)

    Характеристики n=f(M) и n=f(Ia) для различных значений Rpa = const  при
U = const и iB = const изображены  на  рис.  10,  б  (Rpa1  <  Rpa2<  Rpa3)-
Верхняя  характеристика  (Rpa  =  0)  является   естественной.   Каждая   из
характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с
    [pic]        и          [pic]
    Продолжения  этих  характеристик  под   осью   абсцисс   на   рис.   10
соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом  случае  n<  0,
э.д.с. Еа имеет противоположный знак и складывается с  напряжением  сети  U,
вследствие чего
    [pic]
а момент двигателя  М действует против   направления   вращения  и  является
поэтому тормозящим.
    Если в режиме холостого хода (Ia = Ia0) с  помощью  приложенного  извне
момента  вращения  начать  увеличивать   скорость   вращения,   то   сначала
достигается режим Ia=0, а затем Ia изменит направление и машина  перейдет  в
режим  генератора  (участки  характеристик  на  рис.  10,  б  слева  от  оси
ординат).
    Как видно из рис. 10, б, при включении  Rpa  характеристики  становятся
менее жесткими, а при больших величинах Rpa — круто падающими, или мягкими.
Если кривая момента сопротивления Mст=f(n) имеет вид, изображенный  на  рис.
10, б штриховой линией, то значения n при установившемся режиме  работы  для
каждого  значения  Rра  определяются  точками  пересечения   соответствующих
кривых. Чем больше Rpa, тем меньше n и ниже к. п. д.



Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой  мощности
Р1 потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п.  д.  ?]  от  полезной
мощности Р2, при U = const и неизменных положениях  регулирующих  реостатов.
Рабочие характеристики двигателя параллельного  возбуждения  малой  мощности
при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены  на  рис.
11.
Одновременно с увеличением мощности на валу Р2 растет и момент  на  валу  М.
Поскольку с увеличением Р2 и М скорость n  несколько  уменьшается,  то  М  =
Р2/п  растет  несколько  быстрее  Р2.  Увеличение  Р2  и   М,   естественно,
сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет  также
потребляемая из сети мощность Р1. При холостом ходе (Р2 = 0) к. п. д. ?=  0,
затем с увеличением Р2 сначала ?| быстро растет, но при больших нагрузках  в
связи с большим ростом потерь в цепи якоря ? снова начинает уменьшаться.


      Рис.   11.   Рабочие    характеристики
      двигателя параллельного возбуждения
      РН = 10  квт,       UН = 220  в,      пН = 950 об/мин



                                 Заключение.

При написание реферата я узнал, что достоинство двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения заключается:
        . большой диапазон скоростей;
        . удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения;
Недостаток:
        . сложность конструкции;
        . наличии скользящего контакта в коллекторе;
        . необходим источник постоянного тока;
Я так же узнал, что чаще всего неисправность в машинах постоянного тока
связана с коллектором.



                                 Литература


Кулик Ю.А.  Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971

Вольдек А.И.  Электрические машины. Л., «Энергия», 1974



                                 Содержание.



1. Введение                                                        2
2. Основные элементы конструкции МПТ                               3
3. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
   8
4. Заключение                                                      12
5. Литература                                                      13
6. Содержание                                                      14