Электрическая машина неизменного тока состоит из 2-ух главных частей: недвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины неизменного тока
Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, сделанной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения делает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться неизменными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих частей: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения утрат на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
Принцип деяния машины неизменного тока
Разглядим работу машины неизменного тока в режиме генератора на модели рис.2,
где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.
Проводники якорной обмотки размещены на поверхности якоря. Наружные поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены недвижные контактные щетки.
Контактные щетки расположены на полосы геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, обозначенном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.
На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, дабы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, размещенного в зоне 1-го полюса с концом проводника, размещенного в зоне полюса обратной полярности (рис. 3)
Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток либо одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне 1-го полюса, различны по величине. Большая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на полосы геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветки. В верхней параллельной ветки индуктируется ЭДС 1-го направления, в нижней параллельной ветки — обратного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.
В параллельных ветвях действуют однообразные ЭДС, направленные встречно друг дружке. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях появляются однообразные токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному сгустку индуктора Ф
где Се — константа.
В реальных электрических машинах неизменного тока применяется особое контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластинок. Любая из пластинок соединена с одним либо несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются недвижные контактные щетки. При помощи контактных щеток крутящаяся якорная обмотка соединяется с сетью неизменного тока либо с нагрузкой.
3. Работа электрической машины неизменного тока
в режиме генератора
Неважно какая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора либо мотора. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи появляется ток
где U — напряжение на зажимах генератора;
Rя — сопротивление обмотки якоря.
Уравнение (2) именуется главным уравнением генератора. С возникновением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор неизменного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.
Воспользовавшись правилом левой руки, лицезреем, что электромагнитные силы делают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.
Дабы машина работала в качестве генератора, нужно первичным движком крутить ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.
4. Генераторы с независящим возбуждением.
Свойства генераторов
Магнитное поле генератора с независящим возбуждением создается током, подаваемым от стороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независящим возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независящим возбуждением может создаваться
от неизменных магнитов (рис. 7).
Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения именуется чертой холостого хода E = Uхх = f (Iв).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой наружной цепи (Iя) и при неизменной частоте вращения (n2 = const)
Черта холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора поначалу увеличивается пропорционально.
Соответственная часть свойства холостого хода будет прямолинейна. Но при предстоящем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь извив. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора практически не изменяется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на наружных зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const именуют наружной чертой генератора.
Наружняя черта генератора изображена на рис. 9.
С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора миниатюризируется из-за роста падения напряжения в якорной обмотке.
5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением
Недочетом генератора с независящим возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных критериях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из 3-х схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.
Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Дабы генератор самовозбудился, нужно выполнение определенных критерий.
Первым из этих критерий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке маленькую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким макаром, дабы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к повышению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает стабильно работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.
Третьим условием будет то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критичного. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта черта представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ Rв).
Ток обмотки возбуждения наращивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, растет, что приводит к предстоящему повышению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11
Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке скрещения свойства холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения завершается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока увеличивается. Точка скрещения прямой с чертой холостого хода сдвигается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится неосуществимым. При критичном сопротивлении вольт — амперная черта цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части свойства холостого хода, а в якоре возникает маленькая ЭДС.
6. Работа электрической машины неизменного тока
в режиме мотора. Главные уравнения
Под действием напряжения, подведенного к якорю мотора, в обмотке якоря появится ток Iя. При содействии тока с магнитным полем индуктора появляется электромагнитный крутящий момент
где CM — коэффициент, зависящий от конструкции мотора.
На рис. 12 изображен схематично мотор неизменного тока, выделен проводник якорной обмотки.
Ток в проводнике ориентирован от нас. Направление электромагнитного крутящего момента обусловится по правилу левой руки. Якорь крутится против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС ориентирована встречно току якоря, ее именуют противо-ЭДС.
Рис. 12
В установившемся режиме электромагнитный крутящий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.
На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки мотора. ЭДС ориентирована встречно току якоря. В согласовании со вторым законом Кирхгофа , откуда
Рис.13 Уравнение (3) именуется главным уравнением мотора.
Из уравнения (3) можно получить формулы:
Магнитный поток Ф находится в зависимости от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения мотора неизменного тока n2 можно регулировать следующими методами:
- конфигурацией тока возбуждения при помощи реостата в цепи обмотки возбуждения;
- конфигурацией тока якоря при помощи реостата в цепи обмотки якоря;
- конфигурацией напряжения U на зажимах якорной обмотки.
Дабы поменять направление вращения мотора на оборотное (реверсировать мотор), нужно поменять направление тока в обмотке якоря либо индуктора.
7. Механические свойства электродвигателей
неизменного тока
Разглядим мотор с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.
Механической чертой мотора именуется зависимость частоты вращения якоря n2 от момента на валу M2 при U = const и Iв = const.
Уравнение (6) является уравнением механической свойства мотора с параллельным возбуждением.
Рис. 14
Эта черта является жесткой. С повышением нагрузки частота вращения такового мотора миниатюризируется в маленький степени (рис. 15).
На рисунке 16 изображен мотор последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.
| Рис. 15 | Рис. 16 |
Ток возбуждения мотора сразу является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.
где k — коэффициент пропорциональности.
Момент на валу мотора пропорционален квадрату тока якоря.
Механическая черта мотора последовательного возбуждения является мягенькой (рис. 17).
| Рис. 17 | Уравнение механической свойства мотора последовательного возбуждения смотрится следующим образом: |
С повышением нагрузки скорость мотора резко падает.
С уменьшением нагрузки на валу мотор развивает очень огромную частоту вращения. Молвят, что мотор идет вразнос. Работа мотора последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.
Мотор смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими чертами мотора параллельного и последовательного возбуждения.
Движки с параллельным возбуждением используются для привода станков и разных устройств, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.
Движки с последовательным возбуждением используются в качестве тяговых движков электровозов, трамваев и т.д., когда твердость, другими словами рывки момента недопустимы.
Мотор Неизменного ТОКА
Движки неизменного тока обширно нужны в бытовой аппаратуре, для питания которой применяется неизменное напряжение.
Есть трудности с их пуском, которые появляются из-за того, что работа электрических машин базирована на содействии подвижного ротора с вращающимся электромагнитным (э/м) полем статора.
В случае неизменного напряжения питания формирование вращающегося магнитного поля нереально без использования вспомогательных узлов и устройств, выбор которых определяет имеющееся обилие модификаций движков такового типа.
Разновидности движков неизменного тока.
- коллекторные;
- бесколлекторные;
- устройства с наружным возбуждением.
В первом случае для подачи питания на ламели ротора применяются особые графитовые щетки. Поменять полярность подаваемого напряжения, создавая аналог вращающегося магнитного поля, удается за счет разорванной конструкции токоподающего узла (слева на рисунке).
В бесколлекторном движке крутящееся э/м поле формируется особым коммутирующим узлом. Функцию последнего делают электронные схемы на полупроводниковых элементах, имеющие различное выполнение. Благодаря этому удается получить бесконтактное взаимодействие полей, без щеток и коллектора.
Обычный представитель такового электродвигателя – мотор-колесо, известное большинству любителей езды на компактных транспортных средствах. Очередной распространенный метод пуска мотора – включение в схему особых обмоток возбуждения.
Методы ВОЗБУЖДЕНИЯ Движков Неизменного ТОКА
Под возбуждением электродвигателей неизменного тока (ПТ) понимается эффект сотворения в них ЭДС, обеспечивающей вращение ротора. Их рабочие свойства зависят от того, каким образом включена обмотка возбуждения (ОВ) по отношению к цепи якоря.
- с независящим возбуждением (две обмотки не связаны одна с другой, а ОВ питается от отдельного источника);
- с параллельным возбуждением либо шунтируемого типа (в них ОВ включена параллельно якорной цепочке);
- с последовательным возбуждением (ОВ врубается последовательно с якорной обмоткой).
В ряде всевозможных случаев, связанных с особенностями эксплуатации движков неизменного тока, применяется комбинированная схема включения.
Время от времени ее именуют "смешанной" либо "компаундной" (в ней последовательное подключение совмещается с параллельным). Разглядим любой из перечисленных вариантов более тщательно.
Независящее возбуждение.
При этой схеме подключения обмотка возбуждения электрически не связана с катушкой якоря (рис.1). Для понижения теплопотерь и сотворения нужной величины ЭДС число витков в ней делается довольно огромным, что позволяет понизить ток возбуждения.
Регулировать ток в якоре можно средством резистора Rдоб, включенного последовательно. Частоту вращения можно поменять резистором Rрег. Возможность независящего управления параметрами мотора относят к плюсам этой схемы.
Ее минус – необходимость применения дополнительного источника питания, что приводит к повышению вещественных издержек. Использование схемы с независящим возбуждением определяется особенностями конструкции управляемого электропривода.
Параллельное возбуждение.
Электрическая схема подключения с параллельным возбуждением в целом припоминает рассмотренную выше. Ее особенность – наличие электрической связи ОВ с якорной цепью (рис.2).
Эффективность работы 2-ух рассмотренных схем фактически одинакова. Преимущество этого метода включения в том, что в данной ситуации отпадает необходимость в дополнительном источнике питания. Ее минус – невозможность раздельной регулировки характеристик электродвигателя.
Механизм работы электродвигателя с последовательным возбуждением.
Особенностью этой схемы является последовательное включение ОВ и якорной цепочки (рис.3). При таком варианте подключения ток якоря является сразу и током возбуждения (Iя =Iв). Это вынуждает производителей оборудования наматывать ОВ проводом такого же сечения, что и у якоря.
Недочет этой схемы – в том, что скорость мотора находится в зависимости от нагрузки на валу. При ее увеличении падение напряжения на обмотках и магнитный поток растут. А это приводит к сильному падению скорости вращения. При понижении нагрузки частота вращения мотора резко растет и может достигнуть небезопасных значений (он может начать работать "вразнос").
Данный вариант используют в случаях, когда нужно выдерживать огромное пусковое усилие (момент). Либо же когда движку предстоит работать в режиме краткосрочных перегрузок. Схемы с последовательным пуском применяются в тяговых движках (в метро, трамваях, электровозах и троллейбусах).
Принцип деяния мотора со смешанным возбуждением.
К каждому из полюсов системы со смешанным возбуждением подключено две обмотки: последовательная и параллельная (рис.4). Их допускается включать таким макаром, дабы магнитные потоки суммировались (согласное подключение), или вычитались один из другого (встречное включение).
Зависимо от того, как соотносятся части каждого из магнитных потоков, мотор неизменного тока со смешанным возбуждением приближаются по своим свойствам к одному из уже рассмотренных ранее вариантов.
Такие схемы используются в ситуациях, когда нужен большой по величине пусковой момент и сразу нереально обойтись без регулировки частоты вращения вала при переменных нагрузках.
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ Мотор Неизменного ТОКА
Бесколлекторным именуют мотор, ток в статорных обмотках которого коммутируется особенными электронными устройствами («драйверами» либо «инверторами»). Таковой коммутатор состоит из набора полупроводниковых частей, создающих вращающее поле методом подачи тока в подобающую обмотку.
Скорость вращения вала у агрегатов этого типа существенно выше, чем у коллекторных с неизменными магнитами. Это позволяет прирастить удельную мощность мотора и повысить его КПД.
Устройство и принцип деяния.
- статор с обмотками;
- крутящийся ротор с неизменными магнитами;
- контроллер, обеспечивающий формирование в статоре вращающегося э/м поля.
На статоре бесколлекторного мотора размещаются 3 обмотки, которые, как и у электродвигателей переменного тока именуются фазными.
Допустимость такового наименования разъясняется следующим. Невзирая на того, что эти агрегаты работают от источника неизменного напряжения (аккумов) – управляющий коммутацией обмоток контроллер включает ток попеременно.
Это приводит к формированию в них переменной составляющей в виде прямоугольных импульсов. Они и делают видимость трехфазного вращающегося э/м поля, соответствующего для коллекторных электродвигателей синхронного либо асинхронного типа.
Особенности конструкции.
Зависимо от того, по какой схеме врубаются обмотки статора ("звезда" либо "треугольник") система содержит соответственно четыре либо три рабочих шины. Катушки наматываются в пазах между зубьями сердечника статора, распределяясь умеренно по фазам.
В статор часто интегрируются датчики Холла, фиксирующие текущее положение ротора.
С помощью их удается передавать информацию контроллеру, который в каждый момент «знает», в какой точке находится ротор и подает питающий импульс на подходящую обмотку. Такая возможность увеличивает эффективность функционирования мотора с очень вероятной отдачей (мощностью).
© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы веб-сайта имеют ознакомительный нрав, могут выражать мировоззрение создателя и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.
