Стартовая >> Архив >> Электрификация сельскохозяйственного производства

Электрические машины постоянного тока - Электрификация сельскохозяйственного производства

Оглавление
Электрификация сельскохозяйственного производства
Электрические приборы и измерения
Электроснабжение сельскохозяйственных предприятий
Трансформаторные подстанции и ЛЭП
Внутренние электрические проводки
Электрические машины постоянного тока
Электрические машины переменного тока
Электропривод машин и оборудования
Предохранители
Реле
Автоматические выключатели и датчики
Монтаж электродвигателей и уход за ними
Использование оптического излучения
Светильники в сельском хозяйстве, облучение, электроловушки

Глава VI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока
Принцип действия машин постоянного тока — генераторов и двигателей — основан на явлении электромагнитной индукции и явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.
Схема машины постоянного тока с одним витком
Рис. 65. Схема машины постоянного тока с одним витком.
Следует заметить, что машины постоянного тока, как и электрические машины вообще, обладают свойством обратимости, то есть каждая машина может работать и в генераторном, и в двигательном режиме.
Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока. Между двумя магнитными полюсами N. и S (рис. 65) Помещен виток aecd, концы которого присоединены к двум изолированным полукольцам. Эти полукольца представляют собой простейший коллектор, предназначенный для выпрямления переменного тока. На полукольца наложены неподвижные щетки А и В, к которым присоединена внешняя цепь (нагрузка генератора).
При вращении витка вместе с полукольцами в его активных сторонах ав и cd индуктируется синусоидальный ток, но благодаря коллектору и щеткам ток во внешней части
цепи будет пульсирующим, то есть неизменным по направлению (рис. 66).


£
Рис. 66. График выпрямленного тока генератора с одним витком.

Принцип выпрямления переменного тока при помощи коллектора заключается в следующем. В момент, когда виток занимает вертикальное положение, как показано на рисунке 65, в верхней его стороне ав э.д.с. направлена от в к а, а в нижней стороне — от d к с. Во внешней части цепи будет протекать ток от щетки А к щетке В. Следовательно, щетка А имеет полярность «плюс», а щетка В — «минус».
После того как виток сделает четверть оборота и стороны витка ав и cd расположатся на нейтральной линии, э.д.с, витка станет равной нулю. При дальнейшем движении каждая из сторон витка окажется в магнитном поле другой полярности и э.д.с. в витке изменит направление на обратное. Однако направление тока во внешней части цепи останется прежним, потому что в тот же самый момент, когда стороны витка проходят в зону действия поля другого знака, меняются и полукольца (коллекторные пластины) под щетками, то есть щетки передвигаются с одного полукольца на другое.
Таким образом, под щеткой А всегда находится полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В —  полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под южным магнитным полюсом. Поэтому, полярность щеток остается неизменной, и ток во внешней цепи течет в одном направлении — от щетки А к щетке В. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы в момент перехода их с одной пластины на другую э.д.с. в витке была равной нулю.
С целью уменьшения пульсации тока применяют обмотку из нескольких витков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве, причем каждый из них присоединен к своей паре полуколец (коллекторных пластин). Так, например, даже для генератора с двумя витками (рис. 67), сдвинутыми в пространстве на 90°, пульсация тока заметно уменьшается (рис. 68). Предостаточно большом числе витков ток практически становится постоянным по величине и направлению.
Электродвижущая сила Ев генератора постоянного тока определяется по формуле
Е — спФ,                                       (151)
где с — постоянная машины;
п — частота вращения якоря, об/мин;
Ф — магнитный поток, Вб.
Модель машины постоянного тока
Рис. 67. Модель машины постоянного тока с двумя витками.
Следовательно, э.д.с. генератора зависит от частоты вращения и магнитного потока. Поэтому регулировать э.д.с. генератора можно, изменяя эти величины. На практике э.д.с. генератора регулируют, изменяя силу тока в цепи возбуждения.

Рис. 68. График выпрямленного тока генератора с двумя витками.
Рассмотрим устройство электрической машины постоянного тока (рис. 69). Она состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части —якоря.
Статор представляет собой станину 6, на внутренней поверхности которой укреплены сердечники главных полюсов 4 с полюсными катушками 5 и добавочные полюса.

Главные полюса служат для создания основного магнитного потока, а  добавочные —для создания дополнительного потока.
К бокам станины болтами прикреплены подшипниковые щиты 7 и 11, в которых установлены подшипники вала якоря.
Устройство электрической машины постоянного тока
Рис. 69. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4— сердечник главного полюса, 5— полюсная катушка; 6 — станина; 7 - подшипниковые щиты; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря) 10 — вал якоря.
Якорь состоит из вала 10, сердечника 3, обмотки 9 и коллектора 1.
Сердечник якоря (рис. 70) набирают из отдельных листов электротехнической стали (рис. 71), изолированных друг от друга для уменьшения потерь от вихревых токов, юты сердечника Плотно стянуты при помощи болтов 4 и нажимных шайб 1. В собранном состоянии по оси сердечника образуется цилиндрические отверстие для вала, а на поверхности сердечника — продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.           

Якорь без обмотки
Рис. 70. Якорь без обмотки:
1 — нажимная шайба; 2 — место для бандажа; 3 — место для коллектора, 4 — болт.
Обмотку якоря, изготовленную из изолированного медного провода, образуют секции, которые соединяются между собой последовательно, причем каждая секция двумя концами припаивается к пластинам коллектора, К каждой коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало другой. Обмотку в пазах укрепляют клиньями или бандажами.
Стальной лист якоря электрической машины
Рис. 71. Стальной лист якоря:
1— сталь; 2 — изоляция.

Секция состоит из нескольких, витков, стороны которых располагают так, чтобы одна из них лежала под северным полюсом, а другая — под южным.

Коллектор генератора постоянного тока служит для преобразования переменного тока в постоянный и для электрического соединения вращающейся обмотки якоря с внешней сетью при помощи неподвижных щеток 2 (см. рис. 69).
коллектор электрической машины

Рис. 72. Коллектор:1 — корпус коллектора; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция; 5 — «петушок»; 6 — ласточкин хвост; 7 — пластины.
Коллектор (рис. 72) изготовляют из медных пластин 7, которые изолируют друг от друга и от втулки миканитовой изоляцией 4. Выступающую часть 5 коллекторной пластины называют петушком, к ней припаивают концы секций обмотки якоря.
Вал якоря изготовляют из высокосортной стали. На нем укрепляют сердечник якоря с обмоткой, коллектор, опорные подшипники, вентилятор, шкив или соединительную муфту.
Вентилятор предназначен Для создания воздушного потока, охлаждающего машину.
При помощи шкива или муфты машину постоянного тока соединяют с первичным двигателем (если она служит выступ 6, напоминающий форму ласточкина хвоста. При сборке коллектора эти выступы зажимаются между корпусом коллектора 1 и нажимным кольцом 3 и закрепляются стяжными болтами 2.

Рис. 73. Щеткодержатель:
1— нажимные пластины; 1 — пружина; 3 — щетка; 4 — обойма; 5 - тросик.
Щеткодержатель

Щеточная траверса
Рис. 74. Щеточная траверса:
1 — щеточный палец; 2 — изоляция; 3 — стопорный болт.

Щетки создают электрический контакт с поверхностью коллектора. Их располагают и закрепляют в щеткодержателях (рис, 73). Щетки 3, установленные в обоймы щеткодержателей 4, прижимаются к коллектору нажимными пластинами 1 при помощи пружины 2. Ток от щетки отводится гибким медным тросиком 5.

Щеткодержатели укрепляют на пальцах траверсы t (рис. 74), которые изолируются от корпуса машины при помощи втулки 2. Траверса крепится к подшипниковому щиту стопорным болтом 3. Поворачивая траверсу на некоторый угол, изменяют положение щеток на коллекторе.
На станине или на переднем подшипниковом щите располагают панель (клеммный щиток), Куда выводят концы обмоток.
Выводы, согласно ГОСТ 183—66, маркируются следующим образом: обмотка якоря — Я1 и Я2, обмотка возбуждения параллельная — Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная — CI и С2, обмотка добавочных полюсов — Д1 и Д2. Цифрой 1 обозначают начала обмотки, а цифрой 2 — концы.
К станине машины прикрепляют табличку (паспорт), где указаны все необходимые номинальные данные машины.

§ 2. Классификация генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока, с электромагнитным возбуждением разделяют на генераторы независимого возбуждения (рис. 75, а), в которых обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока (аккумуляторной батареи или другой машины постоянного тока), и генераторы с самовозбуждением, в которых обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.
Схемы возбуждения генераторов
Рис. 75. Схемы возбуждения генераторов: а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — смешанное.
В свою очередь, среди генераторов с самовозбуждением, получивших преимущественное распространение, в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают:
1) генераторы с параллельным возбуждением (рис. 75, б): у них обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря; 2) генераторы с последовательным возбуждением (рис. 75, в) здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; 3) генераторы со смешанным возбуждением (рис. 75, г): у них две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно.

§ 3. Характеристики генераторов постоянного тока

При эксплуатации машин постоянного тока важно знать зависимость одних переменных величин от других. Графическое выражение этих зависимостей называют характеристиками.
К основным характеристикам генераторов постоянного тока относят следующие.

  1. Характеристика холостого хода отражает зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока возбуждения при токе нагрузки , равном нулю, и постоянной частоте вращения якоря, то есть

  1. Внешняя характеристика выражает зависимость напряжения U на зажимах генератора оттока нагрузки  при неизменном сопротивлении  цепи возбуждения и постоянной частоте вращения якоря, или

  1. Регулировочная характеристика отражает зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении V на зажимах генератора и постоянной частоте вращения якоря, то есть


Характеристики генератора независимого возбуждения.
Рис. 76. Характеристика холостого хода генератора независимого  возбуждения.
Характеристика холостого хода (рис. 76) показывает, что при увеличении тока возбуждения
напряжение U на зажимах генератора повышается. Вначале, при малых токах возбуждения, напряжение растет пропорционально увеличению тока возбуждения, а затем, по мере насыщения магнитной системы машины, эта линейная зависимость нарушается и характеристика приобретает криволинейный характер. Точка N, соответствующая номинальному напряжению генератора, обычно лежит на перегибе характеристики. Если точка располагается за перегибом характеристики, в зоне насыщения, то в этом случае ухудшается возможность регулировки напряжения генератора (для небольшого изменения напряжения требуется значительное изменение тока возбуждения). Наоборот, если точка N лежит на прямолинейной части характеристики (ниже перегиба), то небольшие изменения тока возбуждения вызовут значительные изменения напряжения генератора.
Рис. 77. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика (рис. 77) позволяет сделать вывод о том, что при увеличении тока нагрузки напряжение U  на зажимах генератора понижается, что объясняется падением напряжения в цепи якоря и размагничивающим влиянием реакции якоря.
Рис. 78. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения.
Регулировочная характеристика (рис. 78) показывает, что напряжение генератора остается постоянным тогда, когда с увеличением тока нагрузки увеличивают ток возбуждения (и наоборот).

Рис. 79. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.
Характеристика генератора параллельного возбуждения. Характеристики холостого хода и  регулировочная этого генератора такие же, как соответствующие характеристики генератора с независимым возбуждением.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 79) значительно отличается от аналогичной характеристики генератора независимого возбуждения. В генераторе параллельного возбуждения при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается быстрее. Это объясняется тем, что в данном генераторе напряжение уменьшается не только из-за падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря, но и следствие уменьшения тока возбуждения, вызванного снижением напряжения в результате действия этих двух причин.
С увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора снижается, а вместе с ним уменьшается и ток возбуждения. Ток нагрузки может возрастать до определенного, критического значения, превышающего номинальный ток примерно в два раза, а затем напряжение генератора резко уменьшается и в обмотке якоря протекает ток, обусловленный э.д.с. от потока остаточного магнетизма.
Характеристика генератора последовательного возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения весь ток нагрузки проходит через обмотку возбуждения, а поэтому свойства этого генератора в полной мере выражает внешняя характеристика (рис, 80).
В режиме холостого хода э.д.с. генератора невелика, ее значение определяется величиной остаточного магнетизма. По мере увеличения тока нагрузки возрастает магнитный поток и напряжение генератора повышается. Однако напряжение растет лишь до определенного предела, обусловленного магнитным насыщением стали генератора, когда магнитный поток полюсов уже почти не увеличивается.
Рис. 80. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.
При дальнейшем усилении тока нагрузки напряжение генератора уменьшается, так как основная составляющая магнитного потока генератора из-за насыщения стали почти перестает увеличиваться, а падение напряжения в цепи якоря и реакция якоря продолжают возрастать.
Генераторы последовательного возбуждения широкого применения не нашли, поскольку им присуща значительная зависимость напряжения от нагрузки.
Характеристики генератора смешанного возбуждения. Обычно обмотки возбуждения этого генератора, одна из которых соединена последовательно с обмоткой якоря, а другая параллельно ей, включаются согласно, то есть так, что магнитные потоки обеих обмоток складываются. Наличие двух обмоток возбуждения приводит к тому, что этот генератор сочетает в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждениями.
Характеристика холостого хода генератора со смешанным возбуждением не отличается от соответствующей характеристики генератора с параллельным возбуждением.
Рис, 81. Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением.

Особенность свойств генератора со смешанным возбуждением проявляется в его внешней характеристике {рис. 81), которая показывает, что в некотором диапазоне напряжение на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки остается почти неизменным. Это происходит благодаря тому, чтo снижение напряжения, характерное для машины параллельного возбуждения, компенсируется повышением напряжения в результате действия последовательной обмотки возбуждения. Постоянство напряжения на зажимах генератора при изменениях тока нагрузки и является основным достоинством генераторов со смешанным возбуждением.

4. Электродвигатели постоянного тока

Уже отмечалось, что электрические машины постоянного тока обратимы, то есть каждая машина может работать как генератором, так и двигателем. Поэтому устройство электродвигателей постоянного тока такое же, как генераторов.
Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.

Для регулирования скорости вращения электродвигателя служит регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения.
Чтобы изменить направление вращения якоря двигателя, достаточно изменить направление тока в обмотке возбуждения или в обмотке якоря.

Рис. 82. Включение пускового реостата в цепь обмотки якоря двигателя.
По способу возбуждения электродвигатели постоянного тока, так же как и генераторы, в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют па двигатели параллельного, последовательного и смешанного, возбуждения. Электрические схемы этих двигателей аналогичны схемам генераторов, приведенным на рисунке 75.
Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие характеристики.
Рис. 83. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения.Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения
Рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением (рис. 83) отражают зависимости частоты вращения тока, вращающего момента М и коэффициента полезного действия  от мощности Р2 на валу двигателя при постоянных значениях напряжения и тока возбуждения, то есть  при U—const.
Рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения показывают, что частота вращения якоря с увеличенном нагрузки несколько уменьшается; ток Iя якоря и вращающий момент М повышаются почти прямо пропорционально нагрузке; коэффициент полезного действия  вначале весьма быстро растет, достигая почти предельного значения примерно при половинном значении номинальной мощности, а затем изменяется очень мало, имея максимум в пределах 75—100% номинальной нагрузки, по при перегрузке двигателя уменьшается.
Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рисунке 84.
Рис. 84. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения

.Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения
В зоне малого насыщения стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря и вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока. Поэтому такой двигатель способен развивать большой вращающий момент, что имеет важное значение в случае перегрузок и особенно при тяжелых условиях пуска.
Эти двигатели широко применяются в подъемных устройствах, па транспорте, а также на тракторах и автомобилях в качестве стартеров.
Другой особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что с уменьшением нагрузки скорость вращения якоря резко увеличивается и при нагрузке ниже 25% номинальной возрастает до недопустимо большой величины. Это объясняется тем, что в соответствии с формулой
при снижении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается, а скорость вращения двигателя увеличивается. Поэтому работа и пуск двигателя при нагрузке меньше 25% номинальной недопустимы.

Двигателю смешанного возбуждения присущи положительные свойства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением, то есть для него характерны и большой вращающий момент, и постоянство скорости вращения. Благодаря этому двигатели смешанного возбуждения получили широкое применение.



 
« Экономические предпосылки управления электропотреблением на уровне энергообъединения   Электрооборудование внутризаводского транспорта »
электрические сети