Брандина Электрические машины (529639), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Коллектор представляет собой набор медных пластин,изолированных друг от друга и от вала. В машинах малой и среднеймощности пластины коллектора часто запрессовывают в пластмассу. Наколлектор налегают щетки 2. Щетки располагаются в щеткодержателяхи прижимаются к коллектору пружинами. Щетки соединены с коробкойвыводов клеммной платой.В машинах специального назначения полюсные наконечники могутиметь пазы, в которых располагается компенсационная обмотка,питаемая от обмотки якоря.Помимо указанных частей машина имеет подшипниковые щиты:передний (со стороны коллектора) и задний 7 (с противоположнойстороны).
Подшипники обычно применяются шариковые и роликовые (состороны привода). Для охлаждения машины служит встроенныйвентилятор 8.4.1.2. Режим генератораРассмотрим простейший генератор, представляющий собой рамку ввиде двух проводников длиной l , соединенных в виток (рис.4. 3).Рис. 4.3Рис. 4.4Поместим рамку в магнитное поле с индукцией В. Предположим,что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке илинейная скорость проводников равна v. Тогда в проводниках обмоткиякоря индуктируется ЭДС вращения, величина которой определяется позакону Фарадеяе пр = B l v.(4.1)Направление ЭДС проводника показано на рис.
4.3 и может бытьопределено по мнемоническому правилу правой руки: силовые линиивходят в ладонь, большой палец показывает направление движенияпроводника, четыре пальца - направление ЭДС (рис.4. 4).Как видно из рис. 4.3, ЭДС двух проводников по контуру виткаскладываются и полная ЭДС данного витка: е в = 2 е пр.ЭДС обмотки якоря является переменной вовремени, так как проводники обмотки якоряпроходят попеременно под северным июжным полюсами, в результате чегонаправление ЭДС в проводниках меняется. Поформе кривая ЭДС проводника повторяеткривую распределения индукции вдольвоздушного зазора (рис. 4.5, а).Частота ЭДСРис. 4.5f = p n /60 ,(4.2)где р -число пар полюсов; n - частота вращения (об/мин).Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута на внешнюю цепь, товозникает ток. В обмотке якоря этот ток будет переменным и кривая егопо форме аналогична кривой ЭДС.
Однако во внешней цепинаправление ЭДС и тока (рис.4.5, б) будет постоянным, что объясняетсядействием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллекторана 180° и изменении направления ЭДС и тока в проводникаходновременно происходит смена коллекторных пластин под щетками.Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находитьсяпластина, соединенная с проводником, .расположенным под севернымполюсом, а под нижней щеткой - пластина, соединенная с проводником,расположенным под южным полюсом. В результате этого полярностьщеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.Таким образом, в генераторе коллектор является механическимвыпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря впостоянный ток внешней цепи.
Для получения тока и напряжения,практически свободных от пульсаций, применяют обмотку якоря сбольшим числом проводников и коллекторных пластин.Величина ЭДС обмотки якоря определяется общим числомпроводников N обмотки, их соединением в параллельные ветви 2а,числом полюсов 2р машины, магнитным потоком полюса в воздушномзазоре Ф, частотой вращения n [ 1 ](4.3)E = C E Фn ,где конструктивная постоянная машиныpN.(4.4)CE =60aЭДС обмотки якоря можно также выразить формулойE = C M Фω ,где угловая частота вращения(4.5)ω=2π n,60(4.6)конструктивная постояннаяpN(4.7)2π aВыходное напряжение (напряжение нагрузки) будет меньше, чемвеличина ЭДСU = Е - I R я - 2∆U щ,(4.8)CM =где падение напряжения в якорной цепи∆U Я = I R Я + 2∆U Щ ,(4.9)R я - сопротивление цепи якоря; 2∆U щ - падение напряжения вщеточном контакте.
Обычно применяются угольно-графитные щетки,для которых принимается 2∆U щ = 2В.Объединяя два последних члена, можно записать:U = Е - Iя R ,(4.10)где R - суммарное сопротивление якорной цепи с учетом сопротивлениящеточного контакта.При протекании тока по проводникам якоря, находящимся вмагнитном поле, на них будут действовать электромагнитная силаАмпера (рис. 4.3)Fпр = B l i пр.(4.11)Направление силы определяется по правилу левой руки(рис.4.6): силовые линии входят в ладонь, четыре пальцапоказывают направление тока,большой палец покажет направлениесилы. Эти электромагнитные силы,действующие на проводники с током,помещенные в магнитное поле,создают электромагнитный момент. Врежиме генератора электромагнитныймоментРис.4.6.является тормозным, так как ондействует против направлениявращения якоря.Величина момента определяется формулой [ 1 ]М = см Ф I я .Полезная мощность генератораP2=UI.4.1.3.
Режим двигателя(4.12)Электрическая машина может работать как в режиме генератора , таки в режиме двигателя (принцип обратимости). В режиме двигателя(рис.4.7) необходимо к обмотке якоря подвести постоянный ток отвнешнего источника. При этом коллекторпревращает потребляемый из внешней цепиN Iaпостоянный ток в переменный ток обмоткиEaFпр+якоря и работает в качестве механическогоnинвертора тока.На проводники с током обмотки якоряDaдействуют электромагнитные силы (4.11) ивозникает электромагнитный момент (4.12)FпрМ = с м Ф I я.+ EaIaSМомент двигателя является движущим иРис.4.7.приводит якорь вовращение. Если мы желаем,чтобы при той же полярности полюсовнаправления вращения генератора (рис.4.3) и двигателя (рис.4.7) былиодинаковы, то направление тока двигателя должно быть обратным посравнению с генератором.После того, как ротор якоря придет во вращение, впроводниках обмотки якоря будет индуктироваться ЭДС (4.3), (4.5)E = C E Фn ,E = C M Фω .В режиме двигателя направление ЭДС Е и направление тока якоряIя противоположны, поэтому ЭДС якоря двигателя называют противо ЭДС.
В режиме генератора направление ЭДС Е и тока I я якорясовпадают.Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешиваетсяЭДС Е и падением напряжения в обмотке якоря:U = E + IR Я + 2∆U щ(4.13)илиU = E + IR .(4.14)Из сравнения формул напряжения генератора и двигателявидно, что в генераторе U < Е , а в двигателе U > Е .Полезная мощность двигателяP 2 = ω M 2,(4.15)где M 2 - полезный момент на валу, угловая частота вращения (4.6).2π nω=604.1.4. Потери мощностиПреобразование энергии в электрических машинах связано спотерями. Полезная мощность Р2 , отдаваемая машиной, всегда меньшепотребляемой мощности P 1 , подводимой к машине, на величинупотерь ∆Р = Р1 - Р2 . Потери мощности снижают КПД, вызывают нагрев,ухудшают её эксплуатационные свойства.
Основные потери мощностиподразделяют на механические, магнитные и электрические .Механические потери складываются из потерь на трение вподшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей машины овоздух, а также из потерь на вентиляцию машины. Механические потеривозрастают с увеличением частоты вращения (часть потерь в квадрате,часть - в кубе).Магнитные (потери в стали) и электрические (потери в обмотках)составляют электромагнитные потери.Потери в стали подразделяются на два вида: на гистерезис(перемагничивание) и вихревые токи.
Можно принять, что потери встали пропорциональны квадрату индукции (квадрату подводимогонапряжения). Потери на гистерезис пропорциональны частоте f (4.2)пульсаций потока в первой степени, а потери на вихревые токипропорциональны квадрату частоты.Механические и магнитные потери не зависят от величины токаякоря и называются постоянными.Электрические потери - потери в обмотках пропорциональныквадрату тока, протекающего по обмотке, и ее сопротивлению (I2 r). Этипотери называются переменными, так как они зависят от величинынагрузки машины.Кроме основных потерь, в машине существуют добавочные потери,например в полюсных наконечниках; в сердечнике якоря, вызванныеискажением поля; в обмотке якоря от вихревых токов и т.п.
Величинаэтих потерь принимается равной 0,5 - 1% от полезной мощности(меньшая цифра относится к машинам, снабженным компенсационнойобмоткой).Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собойотношение полезной мощности к подведеннойPη= 2 .(4.16)P1Так как величина электрических потерь зависит от нагрузки машины,то с ее изменением меняется величина КПД . Максимум КПДсоответствует равенству постоянных и переменных потерь.4.1.5. Реакция якоря4.1.5.1. Поперечная реакция якоряВ режиме холостого хода машины имеется только магнитное поле,создаваемое обмоткой возбуждения. Картина этого поля изображена нарис.
4.8,а. Ось поля возбуждения и его МДС Fв направлена вдоль осиполюсов, называемой продольной осью машины d-d . При нагрузкемашины в обмотке якоря протекает ток I я, который создает собственноеФрезРис. 4.8магнитное поле якоря. Под действием поля якоря результирующее полемашины искажается. Это явление называется реакцией якоря.Рассмотрим реакцию якоря при установке щеток на геометрическойнейтрали 0-0, являющейся поперечной осью q-q. На рис.
4.8, б показанополе обмотки якоря. Ось поля и его МДС Fя направлены всегда полинии щеток и в данном случае совпадают с поперечной осью q-q.Направление силовых линий магнитного поля можно определить помнемоническому правилу "буравчика". При установке щеток нагеометрической нейтрали поле якоря направлено поперек полявозбуждения и в этом случае реакция якоря называется поперечной, аМДС якоря обозначается Fяq. Развиваемый в машине электромагнитныймомент можно рассматривать как результат взаимодействия полюсовполя якоря и полюсов поля возбуждения.Результирующее магнитное поле определяется наложением полейвозбуждения и якоря (рис.4.8,в).
Поле соответствует случаю, когда врежиме генератора якорь вращается по часовой стрелке, а в режимедвигателя - против часовой стрелки. Как следует из рис. 4.8,в ,поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краемполюса и его усиление под другим вследствие того, что полевозбуждения и поле якоря на одном крае полюса совпадают понаправлениям, а на другом крае направленывстречно. Подвоздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия наповерхности якоря, на которой индукция равна нулю (физическаянейтраль), поворачивается на некоторый угол β из положениягеометрической нейтрали О - О в положение О' - О`. В генераторефизическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе- в обратную сторону.Количественное влияние поперечной реакции якоря зависит отстепени насыщения магнитной цепи.
Если бы магнитная цепь машиныбыла не насыщена, то поперечная реакция якоря не приводила бы кколичественному изменению магнитного потока. Однако насыщениемагнитной цепи машины ограничивает рост магнитного потока, поэтомууменьшение поля на одном крае полюса не компенсируется егоувеличением на другом крае.
Действительно, рассмотрим магнитнуюхарактеристику машины В = f (F),представленную на рис. 4.9 . ПустьточкаАсоответствуетрежимухолостогоходаприМДСвозбуждения Fв При нагрузке подвоздействием тока I я возникает МДСякоря Fяq . На одном крае полюса МДСFВ и Fяq вычитаются, а на другом краеполюса складываются, что определяетвеличинысоответствующихиндукций :BB1 и CC1 на краях полюса.При этом магнитный поток под однимкраем полюсауменьшается на величину, пропорциональную площади криволинейноготреугольника АВД, а под другим краем полюса поток возрастаетпропорционально площади АСЕ. Площади этих треугольников не равныдруг другу, в результате произойдет уменьшение магнитного потокапропорционально разности площадей АВД и АСЕ.Таким образом, поперечная реакция якоря вызывает искажениемагнитного поля машины и уменьшение его величины вследствиенасыщения магнитной цепи.4.1.5.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
