Описать устройство и принцип действия двигателя постоянного тока

 

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, используют на транспорте, судах, самолетах, в схемах автоматики (в виде микродвигателей) и т. д. Генераторы постоянного тока применяют для питания двигателей постоянного тока, электролитических ванн, а также в качестве сварочных генераторов, в схемах автоматического управления в качестве усилителей электрических сигналов управления и тахогенераторов (датчиков частоты вращения) и др.

Основной недостаток машин постоянного тока — это более сложная, дорогая и менее надежная конструкция по сравнению с безколлекторными машинами переменного тока. Коэффициент полезного действия машин постоянного тока зависит от их номинальной мощности, и с ее возрастанием К. П. Д. увеличивается. Для микромашин обычно К. П. Д. ~ 60 %, для машин мощностью свыше 100 кВт к. п. д. превышает 90%.

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, устроены одинаково.

Их основными частями являются статор с магнитными полюсами (главными 2 и добавочными 5) и ротор. На главных полюсах статора расположена обмотка возбуждения 3, через которую проходит постоянный ток, создающий магнитное поле возбуждения. На роторе расположена обмотка, в которой при его вращении наводится э. д. е., поэтому ротор машины постоянного тока является якорем. Детали машины крепятся на станине 1.

На добавочные полюсы насажены обмотки 6. Главные полюсы изготовляют шихтованными, т. е. набирают из штампованных листов электротехнической стали, что позволяет уменьшить потери, возникающие от вихревых токов. Поверхность основного полюса, обращенная к якорю, расширяется и образует наконечник 4, форма которого подбирается таким образом, чтобы по большей части окружности якоря получался один и тот же воздушный зазор между основными полю-сами и сердечником якоря, в результате чего получается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, в результате чего получается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, а в проводниках якоря наводится постоянная э.д.с. Дополнительные полюсы устанавливают в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их располагают между основными полюсами по линии геометрической нейтрали. С помощью добавочных полюсов уменьшают искренне под щетками. Дополнительные полюсы выполняются массивными, т. е. из монолитного куска кованой стали, или шихтованными, Так как обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, то они имеют, как правило, небольшое число витков относительно большого сечения, что необходимо для уменьшения активного сопротивления. Между полюсами на валу машины 7 вращается барабанный якорь 8, представляющий собой цилиндр, обычно набранный из листов электротехнической стали (для уменьшения потерь мощности от гистерезиса и вихревых токов). Вдоль внешней поверхности цилиндра якоря имеются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря 9. Выводы обмотки якоря соединены с коллектором 11, который закреплен на валу. К коллектору с помощью пружин прижимаются щетки 10, которые расположены в щеткодержателях, способных смещать щетки на некоторый угол по окружности относительно основных полюсов. Щетки, применяемые в машинах постоянного тока, бывают графитными, угольно-графитными или медно-графитными.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря машины соединяется с внешней электрической цепью. Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со щетками, скользящими по его поверхности, представляют собой механический выпрямитель, т. е, они служат для преобразования переменного тока проводников обмотки якоря генератора в постоянный. В двигательном режиме с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование, т. е. коллектор со щетками можно рассматривать в качестве преобразователя частоты, связывающего сеть постоянного тока с обмоткой якоря, через которую проходит переменный ток.

Коллектор собирают из отдельных медных пластин 8 трапецеидального сечения (ламелей), изолированных друг от друга прокладками из твердого миканита.

 

После сборки с помощью нажимного фланца 6, «ласточкина хвоста» 7 и шпильки 5 пластины коллектора закрепляются на стальной втулке 3, от которой они изолируются специальными манжетами 2 из формовочного миканита. Стальная втулка насаживается на вал 4. Коллектор должен иметь строго цилиндрическую форму, причем миканитовые прокладки между его пластинами при срабатывании коллектора не должны выступать над пластинами, так как это будет вызывать вибрацию щетки. Поэтому прокладки между пластинами коллектора профрезеровывают на 0,8 − 1,5 мм ниже поверхности коллектора. Секции обмотки якоря впаиваются в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин 1 и называемые «петушками».

Щетки изготовляют в виде прямоугольных брусков 4, помещенных в обойму 3 щеткодержателя. Для соединения коллектора с внешней цепью щетки прижимаются к поверхности коллектора пружинами 2 и имеют щеточные канатики 1.

При вращении якоря щетки не меняют своего положения по отношению к полюсам машины за счет неизменного положения щеткодержателей. Щеткодержатели крепят к траверсе, которая, в свою очередь, связана со станиной или подшипниковым щитом. Траверсу можно поворачивать и, следовательно, изменять положение щеток по отношению к полюсам машины.

Машина постоянного тока функционально является обращённой синхронной машиной, т.е. синхронной машиной у которой функции статора и ротора поменялись местами. Статор возбуждает постоянное магнитное поле, а ротор вращается в этом поле и осуществляет преобразование энергии. Для создания машиной постоянного вращающего момента требуется, чтобы электромагнитная сила, создающая этот момент, была постоянной, что, в свою очередь, требует сохранения направления протекания тока по отношению к полюсам магнитного поля. Во вращающемся роторе функцию изменения направления тока при перемещении проводников обмотки к противоположному полюсу выполняет щёточно-коллекторный узел. На рисунке показан простейший двигатель постоянного тока.

Он представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки и подвешенный на оси OO′. Концы рамки abcd через полукольца и скользящие по ним щётки подключены к внешнему источнику постоянного тока. Взаимодействие протекающего в рамке тока с магнитным полем создаёт электромагнитную силу , действующую на рамку и вызывающую её вращение. Для сохранения направления действия этой силы ток в части рамки находящейся под северным полюсом должен протекать в направлении O-O′, а в находящейся под южным полюсом части рамки − в направлении O′-O. Поэтому через каждые пол-оборота ротора ток в сторонах ab и cd рамки должен менять направление на противоположное. Это происходит при переходе полуколец с одной щётки на другую. Полукольца рамки являются простейшим коллектором машины постоянного тока и вместе со щётками выполняют функцию преобразования постоянного тока в переменный с частотой вращения ротора. Ротор машины постоянного тока называется якорем. Его конструкция является развитием рамки и полуколец. Чтобы увеличить вращающий момент нужно увеличить количество «рамок» и заполнить ферромагнетиком воздушный промежуток между полюсами статора. Для этого из штампованных листов электротехнической стали собирается пакет якоря. Полукольца примитивного коллектора преобразуются в набор изолированных друг от друга медных пластин залитых в пластмассовую втулку. Пакет ротора и коллектор напрессовываются на вал якоря и в открытые пазы пакета укладывается обмотка (на рисунке не показана), концы секций (катушек) которой припаиваются к пластинам коллектора.

Обмотка возбуждения машины и обмотка якоря с последовательно включённой обмоткой дополнительных полюсов 8 образуют две электрические цепи, которые могут питаться от одного или от разных источников постоянного тока. По схеме питания этих цепей машины постоянного тока разделяют на машины:

а) с независимым (раздельным); б) параллельным; в) последовательным;

г) смешанным возбуждением. К машинам с независимым возбуждением относятся также машины с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением основного магнитного потока с помощью постоянных магнитов, рисунок д.

 

Задание 2.

 

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А работает от сети переменного тока с номинальным (линейным) напряжением частотой 50 Гц. Двигатель имеет следующие номинальные технические данные:

тип двигателя – 4АР220М;

мощность 55 кВт;

напряжение 380 В;

частота вращения 1480 об/мин;

КПД 92,5 %;

0,88

2,2

1,1

Определить:

§ номинальный ток двигателя ;

§ мощность, потребляемую двигателем при номинальной нагрузке ;

§ потери мощности в номинальном режиме;

§ номинальный вращающийся момент ;

§ критический момент двигателя ;

§ номинальное скольжение ;

Ø Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя .

Ø Определить пусковой момент двигателя при снижении напряжения сети на 10%. Возможен ли при этом пуск двигателя с номинальной нагрузкой на валу?

Ø Описать устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя.

Решение.

1. Определяем номинальную активную мощность, потребляемую двигателем по формуле:

55 / 0,925 = 59,46 кВт

2. Находим номинальный ток, потребляемый из сети:

	59,46∙10 3	= 102,66 А
∙ 380 ∙ 0,88

3. Определяем номинальное скольжение. Так как 1480 мин ^{– 1}, то ближайшая частота вращения магнитного поля 1500 мин ^{– 1}, тогда номинальное скольжение вычисляем по формуле:

(1500 – 1480) / 1500 = 0,0133 или 1,33 %

4. Потери активной мощности в двигателе в номинальном режиме составляют:

59,46 – 55 = 4,46 кВт

5. Номинальный момент на валу двигателя определяется по выражению:

9550 ∙ 55 / 1480 = 354,9 Н м

6. Критический момент двигателя находим по формуле:

2,2 ∙ 354,9 = 780,78 Н м

7. Построение механической характеристики.

Механическими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости и , при этом момент двигателя и частота вращения определяются через скольжение по формулам:

и

где критическое скольжение вычисляем по соотношению:

0,0133 ∙ (2,2 + 2,2 ² – 1) = 0,055

Для построения рабочего участка механической характеристики в пределах возьмем несколько значений скольжения, вычислим электромагнитный момент и соответствующую ему частоту вращения:

для 0,0133, получаем 1500 ∙ (1 – 0,0133) =1480 об/мин

 

	2 ∙ 780,78	= 356,752 Н∙м
0,055	+	0,0133
0,0133	0,055

 

для 0,055, получаем 1500 ∙ (1 – 0,055) = 1418 об/мин

	= 780,78 Н∙м

 

Остальные расчеты заносим в таблицу.

	0,00	0,033	0,1	0,18	0,268	0,35	0,52	0,68	0,85
, Н∙м	0,0	489,1	1320,7	1866,3	2016,1	1946,3	1642,0	1375,5	1156,4	1008,2
, об/мин

По вычисленным координатам строим механические характеристики и .

 

 

Рисунок 3.

Механические характеристики асинхронного двигателя

 

8. Определим пусковой момент двигателя при снижении на 10%.

Пусковой момент при номинальном напряжении сети составляет:

1,1 ∙ 354,9 = 390,39 Н м

Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, в случае уменьшения напряжения пусковой момент составит

0,9 ² ∙ 390,39 = 316,22 Н м

Условие пуска двигателя с нагрузкой на валу имеет вид:

где − электромагнитный момент сопротивления (в данном примере ).

Проверяем условие пуска при снижении напряжения, получаем:

316,22 Н м < 354,9 Н м

следовательно, пуск двигателя невозможен.