Машина постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока
Рассмотрим простейший генератор постоянного тока. Он содержит главные полюса, которые представлены в виде постоянных магнитов и рамка расположенная между полюсами, вращается в первичном двигателе.
При вращении рамки в магнитном поле в активных сторонах ее будет наводится ЭДС. Направление ЭДС в активных сторонах рамки определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления ЭДС в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля
Т.к. рассмотренное ЭДС подходит к щетке А, то А – «+», а щетка В – « - ».
При определении направления ЭДС по правилу правой руки ладонь правой руки располагают в магнитном поле так, чтобы линии поля были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90°, располагают в направлении движения проводника; тогда остальные пальцы руки, вытянутые в плоскости ладони, покажут направление наведенной ЭДС.

Построим рисунок генератора для момента времени t1+Δt, когда рамка повернулась на 180элº.
При анализе представленных рисунков следует отметить:
При вращении рамки в постоянном магнитном поле с постоянной скоростью в рамке наводится переменное ЭДС, т.е. в момент времени t е направлено от «b» к «а»,
а во второй момент вращения t1+Δt e направлено от «d» к «с».
2. Временная диаграмма ЭДС имеет следующий вид.

В рассматриваемом случае мы получили генератор переменного тока. Чтобы получить генератор постоянного тока необходимо рамку подсоединить к двум полукольцам.
На представленной временной диаграмме видно, хотя ЭДС имеет одно и то же направление во внешней цепи, но мгновенное значение меняется от max до 0.
Если проанализировать представленные рисунки, то в момент времени t1 щетка А - «+», а В - « – ». во внешней цепи будет протекать ток одного и того же направления.

Чтобы уменьшить глубину пульсации ЭДС на щетках, необходимо взять еще одну рамку, плоскость которой относится плоскости 1-ой рамки сдвинута на 90 эл.градусов.
При сравнении ЭДС витка 11' и ЭДС 22' следует отметить, что ЭДС витка 11' много больше ЭДС витка 22', т.к. активные стороны витка 22' не пересекают силовые линии основного магнитного поля, а скользят вдоль силовых линий.
Если построить временную диаграмму е11' и е22', то следует отметить, что эти ЭДС за счет сдвига рамок в пространстве сдвинуты во времени на 90ºэл., т.к. р=1, а αэл=αгеом.
Как видно из временной диаграммы пульсация напряжения на щетках существенно снижается,
если отношение ( ), то пульсация < к.
к – количество коллекторных пластин.

Конструкция машины постоянного тока
Станина, предназначена для крепления электрической машины к фундаменту, для крепления ней других элементов конструкции, а также для замыкания магнитных полей главных и дополнительных полюсов.
Сердечник главных полюсов. Имеет характерный вид, набирается из листов электротехнической стали.
Главный полюс к сердечнику якоря имеет большее пространственное развитие для облегчения проведения основного магнитного потока через воздушный зазор.

3. Обмотка возбуждения. МДС этой обмотки создает основное магнитное поле
Сердечники дополнительных полюсов
Обмотка дополнительных полюсов. (включается последовательно с обмоткой якоря)
я
Медные пластины коллектора изолированных друг от друга миканитовыми пластинами. После сборки узла коллектора, этот узел напрессовывается на вал.
6. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали. В каждом листке штампуются отверстия для вала, пазы, вентиляционные отверстия.
7. Коллектор – набирается из медных пластин имеющих своеобразный вид
Дополнительные полюса служат для уменьшения искрения под щетками
8. Щетки. Количество щеток равно количеству главных полюсов.
9. Коммутирующая секция. Активная сторона для уменьшения искрения под щетками должны находится на геометрической нейтрали или близко к ней, чтобы ЭДС в этой секции от основного магнитного поля была минимальной.
10. Обмотка якоря в машине постоянного тока является важнейшими элементом конструкции т.к. с помощью обмотки происходит преобразование механической энергии в электрическую в генераторе и электрическую в механическую в двигателе. Обмотка якоря должна удовлетворять следующим требованиям:
- должна обладать достаточной механической прочностью. При конструировании обмотки необходимо обеспечить линейной потери чтобы увеличить кпд.

Реакция якоря машин постоянного тока
Под реакцией якоря понимают влияние магнитного потока якоря на основной магнитный поток якоря.
На щетках появляется напряжение и если цепь
щеток разомкнута, то генератор работает в режиме хх.
Изменяя величину тока возбуждения, мы можем снять
характеристику.
Ф0

Замкнем цепь щеток на нагрузку, т.е. обмотка якоря замкнута, и под действием ЭДС в обмотке якоря начинает протекать ток. Направление тока в обмотке якоря определяет ЭДС. Поэтому токи и ЭДС в обмотке сонаправлены.
МДС обмотки якоря создает свое магнитное поле. Напряжение силовой линии.
Будем считать, что магнитная цепь машины не насыщена, тогда воспользовавшись методом наложения магнитных полей построим картину результирующего магнитного поля.

Выводы:
1 ) т.к. магнитный поток якоря в сердечнике якоря направлен поперек основного магнитного потока, реакция якоря носит название поперечной
2 ) за счет влияния магнитного поля якоря результирующее магнитное поле искажается по форме, в генераторе результирующее поле усиливается на сбегающих краях главных полюсов, а на набегающих краях ослабляется. В двигателе наоборот.
3 ) усиление результирующего магнитного поля в генераторе под сбегающим краем главных полюсов приводит к насыщению зубцовой зоны сердечника якоря, тогда согласно закону Ома для магнитной цепи
.
тогда при насыщении магнитная проницаемость зубцовой зоны
↓,
↑ и
т.е. при насыщении зубцовой зоны сердечника якоря реакция якоря не только искажает результирующее поле по форме, но и уменьшит его по величине.
↓

Генератор постоянного тока
Энергетическая диаграмма и основное уравнение генератора.
Р1 – механическая мощность, подводиться к генератору от первичного двигателя.
ΔРст – потери в стали, обуславливаются:
1) за счет вращения якоря (вращается перемагниченный сердечник якоря)
2) продольная и поперечная пульсация магнитного потока, за счет зубчатого строения сердечника якоря
Р2 – полезная электрическая мощность, снимаемая со щеток.
Из диаграммы: Рэм= Р2 +ΔРм
Рэм= Еа ·Ia==U·Ia+ Ia2Ra
U= Еа -IaRa – основное уравнение генератора
Ra учитывает сопротивление обмотки якоря и щеточного контакта.
n - скорость вращения якоря.
Ф – магнитный поток
Се – электромагнитная постоянная, которая определяется
, где
N – число проводников обмотки якоря
а – число пар ветвей обмотки якоря
Р – число пар полюсов.
- ЭДС в обмотке якоря
- величина, вводимая в расчет форм для учета размагничивающего влияния поперечной реакции якоря

В зависимости от способов возбуждения генератора следует классифицировать:
Генераторы независимого возбуждения
2.Генераторы самовозбуждения
a – генератор параллельного возбуждения
б – генератор смешанного возбуждения
– генератор последовательного возбуждения
a
б
ОВш
ОВш
ОВс
– возбуждение постоянными магнитами

Характеристики генератора независимого возбуждения
Характеристика холостого хода
E0 = f (Iв)
n = nн = const
Ia = 0
(1,05÷1,1)Uн
(1,05÷1,1)Uн
Iв
E0
B
С помощью регулировочного реостата устанавливается в обмотке возбуждения такой же ток, при котором напряжение на щетках, составляет (1,05 ÷ 1,1) Uн, затем ток возбуждения уменьшается, что ведет к уменьшению магнитного потока и уменьшению Е0 до т. В.
В т. В ЭДС ≠0, а равна Еост=СеnФост.
В т. В изменяем подключение обмотки возбуждения и увеличивается ток возбуждения. Далее все повторяется в обратном порядке.
При дальнейшем исследовании обычно испытывают усредненную часть характеристики.

2. Нагрузочная характеристика.
U = f (Iв)
n = nн = const
Ia = const
U
IaRa
Iв
ΔE0=0
ΔE0≠0, Ia1
ΔE0≠0, Ia2
Iвк
μ=const
μ=Var
μ=const магнитная цепь, т.е. зубцовая зона насыщена. Как известно, из вышеизложенного при μ=const, реакция якоря только искажает результирующее магнитное поле по форме, тогда основное уравнение
U = Ea - IaRa
т.к. режим короткого замыкания основное уравнение:
0 = E0 - IaRa
E0 = IaRa
E0 = CenФ=Iвн
если бы зубцовая зона не насыщалась, то нагрузочная характеристика и при больших токах возбуждения шла бы параллельно характеристике холостого хода и ниже на величину IaRa

2) μ=Var
U=E0 – ΔE – IaRa
С учетом размагничивания реакция якоря нагрузочная характеристика пойдет несколько ниже характеристики изображенной штрихами. Если нагрузочная характеристика снимается при большем токе якоря, то нагрузочная характеристика смещается вправо.
3. Внешняя характеристика
μ=Var
μ=const
Iв
U
U+E0
к
U = f(Ia)
n = nн = const
Iв = const
1) холостой ход
Iа=0
U=E0
цепь якоря разомкнута
2) μ=const
ΔE=0
U=E0 – IaRa
напряжение уменьшается, но на небольшую величину (жесткий участок).
3) μ=Var
ΔE≠0
U=E0 – ΔE – IaRa
т.к. режим короткого замыкания, тогда ток якоря достигает (7÷10) Iан

Генератор параллельного возбуждения
ОВш
Условия самовозбуждения
1) Наличие в магнитной системе генератора остаточного магнитного потока.
2) Согласное направление остаточного магнитного потока и магнитного потока основного.
3) Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше некоторого критического сопротивления.
Я
Процесс самовозбуждения:
При вращении якоря генератора первичным двигателем в активных сторонах обмотки якоря будет наводится остаточное ЭДС. На щетках появляется разность потенциалов 2÷10 В, появляется ток
МДС обмотки возбуждения создает магнитное поле Ф1 и значит есть остаточное поле.

E=Uв=Iв(Rобв+Rрег)
Iв
Процесс самовозбуждения прекратиться в т. А, когда еL, будет равна 0, и когда ЭДС на щетках будет равна: E=Uв=Iв(Rобв+Rрег)
Увеличивая сопротивление регулирочного реостата можем получить характеристику Uв крит, когда еL на всем протяжении характеристики =0.
= сопротивление обмотки возбуждения, когда процесса самовозбуждения не будет

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения
Зависимость U = f(Ia) и n = nн = const, Rрег = const
1. холостой ход
Ia = 0; U = E0
2. μ = const; ΔE = 0
U = E0 - ↑IaRa
CenФ = Iв ↓
║
При увеличении тока нагрузки Ia растет падение напряжения в цепи обмотки якоря IaRa и напряжение на щетках падает, следовательно ток возбуждения при Rрег=const уменьшается и напряжение падает быстрее чем в генераторе независимого возбуждения.
μ=Var
μ=const
U=E0
U
Ia
Iкр
Гнв
3. μ = Var; ΔE ≠ 0
↓↓↓U = ↓E0 - ↑ΔE - ↑IaRa
Iв
Точка 1 внешней характеристики соответствует т.1 на кривой намагничивания (на колене).
a

Точка 1 постепенно, с увеличением нагрузки, сползает к началу координат, когда небольшому изменению тока возбуждения соответствует значительное изменение Е0.
Напряжение на щетках генератора за счет уменьшения ЭДС падает быстрее
т.к. – т. К.З.
Ток короткого замыкания мал т.к. при напряжении на щетках равном 0 в машине имеет место только остаточное магнитное поле. Такой вид внешней характеристики имеет место при медленном изменении сопротивления нагрузки. При внезапном коротком замыкании, за счет запаса электромагнитной мощности внешняя характеристика будет иметь вид а. Ток в точке 2 превышает Iн в 10 – 20 раз.
В дальнейшем, с затуханием переходных процессов, ток короткого замыкания падает до Iкз

Принцип обратимости машин постоянного тока
n
Г
Д
В двигателе сохраним прежнюю полярность главных полюсов и напряжение тока в обмотке якоря.
На проводники обмотки якоря с током находящиеся в магнитном поле главных полюсов будут действовать силы определенные по правилу левой руки. Под действием Мвр якорь начинает вращаться. При вращении якоря в активных проводниках обмотки якоря будет наводиться Е, направление которой определяется по правилу правой руки.
Любая электрическая машина может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя