baranov_mashiny_postoyannogo_toka (Машины постоянного тока)

Московский государственный технический университетим. Н.Э. БауманаЕ.Н.БАРАНОВЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫЧ а с т ь 1, Машины постоянного токаКонспект лекций по курсу ТОЭПод редакцией С.С. НиколаеваИздательствоМГТУ ИМ. Н.Э. БАУМАНА1994ББК 31.261Б25Рецензенты: B.C.Семенов, О.И.МиссюкБ25 Баранов E.Н Электрические машины. Ч. 1.

Машиныдостоянного тока /Под ред. С.С.Николаева: Конспект лекцийпо курсу ТОЭ.М.: Изд-во МГТУ, 1994. — 28 с, ил.ISBN 5-7038-1214-3Рассмотрены принцип действия и конструкция машины постоянного тока; изло­жены основы теории, характеристики и способы регулирования и управления, а такжеперспективы развития этого класса машин — создание бесколлекторной машины посто­янного - тока (вентильного электродвигателя). Основное внимание удалено применениюмашины постоянного тока как элемента автоматизированного электропривода для ис­полнительного устройства систем регулирования и управления.Ид. 20. Библиограф, 6 назв.ББК 31.261Редакция заказной литературыЕвгений Николаевич БарановЭлектрические машины.Ч. 1.

Машины постоянного токаЗаведующая редакцией Н.Г.КовалевскаяРедактор Г.А.НиловаКорректор Л.И.МалютинаISBN 5-7038-1214-3© МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1994.Подписано в печать 10.04.94. Формат 50x84/16. Бумага тип. № 2.Печ. л. 1,75. Усл.

печ. 1,63. Уч.-изд. л. 1,62. Тираж 500 экз. .Изд. № 4. Заказ № 337Издательство МГТУ, типография МГТУ.107005, Москва Б-5, 2-я Бауманская, 5.ВВЕДЕНИЕЭлектрические машины относятся к обширному классу устройств,называемых в общем случае электромеханическими преобразователя­ми. Для таких устройств преобразование электромагнитной энергии вмеханическую и обратное преобразование — существенная и полезнаясторона изучаемого процесса.

В этом их основное отличие от электри­ческих цепей, в которых происходят преобразования энергии лишь всамой электромагнитной системе (взаимные преобразования электри­ческого и магнитного полей), а также необратимые процессы тепловыхпотерь энергии в активных сопротивлениях. Следует отметить, чтоэлектромеханические устройства обладают свойством обратимости,т.е.

без каких-либо принципиальных конструктивных изменений иможно использовать как в режиме преобразования электромагнитнойэнергии в механическую (в качестве электродвигателя), так и дляобратного преобразования энергии (в качестве электрогенератора).В практике современного инженера-приборостроителя количествоэлектромеханических устройств, с проектированием и применениемкоторых ему приходится иметь дело, весьма велико и имеет тенденциюк дальнейшему росту.

Это прежде всего электродвигатели различноготипа, используемые в качестве исполнительных устройств систем ав­томатического регулирования и управления. При этом возрастает по­требность в устройствах особых типов (линейные и волновые электро­двигатели, машины с вентильной коммутацией, двигатели-маховики,а также электромеханические устройства, используемые в качествеинформационных датчиков, например, датчики угловых перемеще­ний и скоростей датчики крутящего момента).Цель данного пособия — ознакомление студентов с работой реаль­но существующих устройств. Пособие в определенной степени служиттеоретической базой для новых разработок.31.

Простейшая модель машины постоянного тока.Принцип действияПростейшая модель машины постоянного тока представлена нарис. 1, Она состоит из системы возбуждения — индуктора, предслав­ленного постоянными магнитами N, S, между полюсами которыхсуществует неподвижное в пространстве и неизменное во временимагнитное поле, обмотки якоря (ротора), состоящей в простейшемслучае из одного витка с активными проводниками аа и bb, и такназываемого коллектора.

Последний состоит из двух изолированныхмежду собой полуколец, к каждому из которых припаян один изконцов обмотки якоря, и угольно-графитовых щеток, соединенныхпроводами с клеммами источника питания постоянного тока с выход­ным напряжением U. Между щетками и полукольцами в процессевращения ротора осуществляется скользящий электрический кон­такт, Таким образом обеспечивается замкнутый путь электрическогоока, причем I — ток, потребляемый от источника питания, i — сокобмотке якоряРиc.

1На рис.2 изображено поперечное сечение такой простейшеймашины при определенном пространственном положении обмотки4якоря относительно полюсоввозбуждения. Силовые линиимагнитного поля возбужденияпоказаны пунктиром. На актив­ные части проводников с токомв магнитном поле действуютэлектромагнитные силы Fэ , со­здающие крутящий момент, ко­торый приводит ротор во враще­ние. Направление действия силлегко определить, пользуясь из­вестным правилом левой руки.Рис, 2При повороте ротора с обмоткойна угол α = π/2 момент станетравным нулю, так как проводники с током находятся в очень слабоммагнитном поле, к тому же сила Fэ может иметь в этом случае толькорадиальную составляющую.Линию, проходящую через центр вращения ротора и перпенди­кулярную магнитной оси полюсов возбуждения, называют линиейгеометрической нейтрали машины.

Момент машины обращается внуль, когда плоскость обмотки (секции) якоря совмещается с линиейнейтрали машины.Если бы ток в секции обмот­ки якоря был постоянным, тонеизменным оставалось бы и на­правление сил Fэ при любом про­странственном положении об­мотки; это означало бы, что по­сле прохождения обмоткой ли­нии нейтрали ( α > π/2 ) на­правление крутящего моментаизменялось бы на обратное.

Вцелом закон изменения моментаРис.3от угла поворота M ( α ) соот­ветствовал бы кривой, представ­ленной на рис.3. Среднее значе­ние момента за каждый оборотротора было бы равно нулю, ирежим непрерывного вращениябыл бы невозможен.Для обеспечения режима не­прерывного вращения необходи­мо изменять направление дейст­Рис.

45вия силы Fэ каждый раз в момент прохождения плоскостью секциилинии нейтрали, тогда направление крутящею момента останетсянеизменным и будет соответствовать кривой на рис.4. Практическиэто означает необходимость изменения направления тока в обмоткев указанные моменты времени. Подобная искусственная коммутациятока и осуществляется коллектором. Через каждые пол-оборотаполукольцо коллектора начинает контактировать со щеткой, соеди­ненной с другой клеммой источника питания, что соответствуетизменению полярности напряжения, подводимого к концам секцииобмотки якоря, следовательно, и к изменению направления тока iв секции.Таким образом, устройство называют двигателем постоянноготока, имея в виду лишь тип источника питания: если ток I —постоянный по направлению, то ток i — переменный. Коллектормашины постоянного тока, используемой в режиме двигателя, вы­полняет функцию инвертора, т.е.

преобразователя постоянного токав переменный ток регулируемой частоты. Частота ω переменноготока в обмотке якоря равна угловой скорости ω ротора двигателя(которую часто называют частотой вращения).На рис.5 показан примерный характер кривой магнитной индук­ции В поля возбуждения в пределах каждого полюсного деления τ.Полюсное деление — дуга окружности ротора, соответствующая зоневлияния одного полюса τ = 2πr/2p = πr/p, где р — число пар полюсоввозбуждения. В данном случае р=1, полюсное деление равно половинеокружности ротора.

В расчетах часто заменяют реальное распреде­ление индукции под полюсом его средним значением Вcp.Рис.56Вследствие вращения обмотки ротора потокосцепление этой об­мотки с неподвижным в пространстве потоком возбуждения меняетсяпо закону, близкому к синусоидальному (рис.6):ψ = ψm sinα = ψm sinωt(1)Изменение во времени потокосцепления контура, согласно законуэлектромагнитной индукции, связано с наведением в нем ЭДС (см.рис.6):(2)e = -dψ/dt = -ωψmcosωt = -ωψmcosαВ отличие от ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, наводимых вконтуре переменным во времени магнитным потоком, существованиерассматриваемой ЭДС определяется механическим перемещениемконтура относительно силовых линий магнитного поля: поток во вре­мени постоянный, но потокосцепление контура с этим потоком пере­менное.

Такую ЭДС называют ЭДС вращения. Направление этой ЭДСлегко определить по правилу правой руки; в режиме двигателя ЭДСнаправлена против тока (см. рис. 1), и согласно общему правилу, элек­трическую мощность еi следует считать потребляемой от источника.Уравнение баланса мощностей для данного устройства имеет вид2Ui=i rя+ei(3)2Здесь Ui — мощность, потребляемая от источника питания; i rя —мощность нагрева активных сопротивлений цепи якоря (главным об­разом, нагрева обмотки); ei — электрическая мощность, потребляемаяот источника питания и целиком преобразующаяся в механическуюмощность на валу (т.е. полез­ная мощность).Наличие ЭДС вращенияозначает, что машина постоянного тока обладает обрати­мостью и ее можно использо­вать в качестве генератора, ес­ли обеспечить принудитель­ное вращение якоря, а вместоисточника с напряжением Uподключить к клеммам сопро­тивление нагрузки.

ЭДС e вэтом, случае единствен, ая вконтуре, ток i совпадает с нейРис 67по направлению. Мощность ei является генерируемзй электрическоймощностью (за счет затраты механической энергии на вращение вала).Электромагнитный момент, развиваемый машиной в режиме генера­тора, будет тормозным; его-то и преодолевает первичный двигатель,вращающий вал генератора.Интересно отметить, чтоесли ЭДС е в обмотке якоря —переменная, то ЭДС Е, изме­ренная на клеммах нагрузки,будет уже неизменной по на­правлению (рис.7). Следова­тельно, коллектор в режимегенератора выполняет функ­цию выпрямителя.Рассмотренная простей­шая модель машины постоян­ного тока обладает существен­ными недостатками.

Электро­магнитный момент имеетпульсирующий характер, приРис. 7некоторых пространственныхположениях ротора этот мо­мент равен нулю; запуск двигателя из такого положения невозможен.При использования в режиме генератора недостатком является пуль­сирующий характер ЭДС (рис. 7).2. Конструкция машины постоянного токаБолее совершенной является машина с многосекционной обмоткойякоря. В этом случае активные проводники секций равномерно распре­делены по окружности ротора (см. рис.