Алехин электротехника

340

Алюминий

S

Рис.18.31

Это обеспечивает разное магнитное сопротивление ротора в радиальных направлениях. Стальные зоны имеют малое магнитное сопротивление, и ротор стремится занять положение, при котором магнитный поток ВМП проходит по оси полюсов с наименьшим магнитным сопротивлением. Реактивные двигатели имеют простую конструкцию, низкая стоимость, но малый вращающий момент.

18.18.4.Шаговый двигатель

Шаговый двигатель (ШД) это микродвигатель, у которого поворот ротора на фиксированный угол происходит после подачи на статорные обмотки управляющих импульсов прямоугольной формы. Управляющие импульсы формируются электронным коммутатором.

Рис.18.32

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

341

Шаговый двигатель (рис.18.32) имеет явнополюсный ротор с постоянными магнитами. Статор имеет обмотки W1 и W2 . Коммутатор пере-

ключает токи i1( t ) и i2 ( t ) в обмотках по определенной диаграмме. В

результате магнитное поле статора занимает определенные фиксированные положения (рис.15.33) и ротор поворачивается шагами на фиксированный

В современных ШД угол поворота на один шаг составляет от 1,8o до 15o .

18.19. Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока (МПТ) применяются в устройствах электроприводов с высокой частотой вращения. Входят в состав автомобильного, корабельного, самолетного оборудования. Двигатели имеют мощность от долей ватта до десятков киловатт. Мощные двигатели постоянного тока используется для вращения винтов больших судов, в прокатных станах.

У с т р о й с т в о м а ш и н п о с т о я н н о г о т о к а ( М П Т )

Устройство машины постоянного тока показано на рис.18.34.

Неподвижная часть МПТ – статор содержит полюсные наконечники с обмотками возбуждения.

Подвижная часть - якорь представляет собой цилиндр, на поверхности которого в пазах расположена якорная обмотка.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

Рис.18.34

Обмотка якоря состоит из витков, охватывающих якорь вдоль оси. Витки объединяются в секции. Секцией называется часть обмотки якоря, состоящая из одного или нескольких последовательно соединенных витков, присоединенных своими концами к медным коллекторным пластинам, которые следуют друг за другом по схеме обмотки и изолированы друг от друга. Коллектор это цилиндр, состоящий из изолированных медных пластин.

Секция (рис.18.35) состоит из двух активных сторон (ab,cd), которые располагаются вдоль оси машины под полюсами разной полярности.

На рис.18.36 показана линейная развертка полюсного наконечника. Под полюсным наконечником магнитная индукция Вn почти постоянна, а вне его равна нулю.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

343

Полюсный Геометрическая наконечник нейтраль

Bn

Bср

N

τ

Проводники

якоря

Рис.18.36

Геометрической нейтралью называют линию, проведенную между магнитными полюсами в точке, где Вn =0.

Электрический контакт с вращающимся коллектором осуществляется с помощью угольных щеток, причем щетки установлены на геометрических нейтралях.

Схематическое изображение МПТ показано на рис.18.37.

Рис.18.37

18.19.1 Принцип действия машин постоянного тока в генераторном и двигательном режиме

Г е н е р а то р п о с то я н н о г о то к а ( Г ПТ )

На рис.18.38 показан чертеж генератора постоянного тока.

Якорь ГПТ приведен во вращение с угловой скоростью . Обмотка возбуждения (не показана) подключена к источнику постоянного напряжения. Внешняя цепь отключена. Проводники якоря пересекают магнитное поле с индукцией В. Обмотка якоря является замкнутым контуром, так как все секции соединены через коллектор. Под каждым полюсом находится одинаковое число проводников, поэтому алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных проводников равна нулю (рис.15.39).

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

344

Рис.18.39

Щетки расположены на геометрической нейтрали и делят обмотку якоря на две параллельные ветви с равными алгебраическими суммами ЭДС. Поэтому ток в контуре обмоток якоря равен нулю при размыкании нагрузки.

Схема замещения цепи якоря генератора показана на рис.18.40, где Rя - эквивалентное сопротивление параллельно соединенных ветвей об-

мотки. Ток в проводниках якоря создает тормозящий электромагнитный момент равный вращающему моменту привода.

Уравнение электрического состояния ГПТ записывают так:

Умножаем на ток якоря I Я :

механической мощности привода.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

345

18.19.2. Принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ)

Обмотки возбуждения и якоря подключены к источнику постоянного

во - ЭДС E , противоположная направлению тока.

На рис.18.42 показана схема замещения якорной цепи ДПТ. Уравнение ДПТ имеет вид:

тромагнитная мощность, Pэя - мощность потерь в якоре.

Электромагнитная мощность равна механической мощности:

EIЯ Pэм Pмех = M .

Э Д С я к о р я и э л е к т р о м а г н и т н ы й м о м е н т

ЭДС якоря равна сумме мгновенных ЭДС проводников одной из параллельных ветвей обмотки якоря:

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

346

где:

p – число пар полюсов;

N – общее количество проводников якоря; 2а – количество параллельных ветвей;

а = p– количество щеточных узлов, равное числу пар полюсов ста-

тора;

Фп – магнитный поток в зазоре под полюсом.

тогда: E CE nФп , CE - электрическая константа, коэффициент двигателя.

ЭДС якоря Е пропорциональна скорости вращения и магнитному потоку.

Электромагнитный момент:

- механический коэффициент двигателя.

Электромагнитный момент MЭМ пропорционален магнитному по-

току полюса и току ротора. Он является тормозящим в генераторе и вращающим в двигателе.

Если указана номинальная мощность РНОМ (кВт), то:

И с к р е н и е в щ е т о ч н о м к о н т а к т е

На рис.18.43 изображен коллектор машины постоянного тока. При вращении якоря коллекторные пластины соприкасаются со щеткой, секции замыкаются щеткой и переходят из одной параллельной ветви в другую.

При коммутации может наблюдаться нежелательное искрение в ще-

точном контакте.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

347

Причины искрения

1.Механические причины: некачественное изготовление коллектора, загрязнение.

2.Электромагнитные причины: секция имеет индуктивность LS и

накапливает электромагнитную энергию. В момент разрыва тока происходит коммутация индуктивности и возникает искра.

Для уменьшения искрения в двигателе устанавливают дополнительные полюсы статора на геометрических нейтралях. Катушки возбуждения включают последовательно в цепь якоря. Магнитный поток дополнительных полюсов компенсирует реактивную ЭДС в номинальных режимах.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

348

18.19.3. Способы возбуждения машин постоянного тока

Используют четыре варианта питания обмотки возбуждения машин постоянного тока:

1.Независимое возбуждение (рис. 18.44), в котором катушка возбуждения питается от независимого источника постоянного напряжения.

2.Параллельное возбуждение (рис.18.45), в котором катушка возбуждения включена параллельно якорю МПТ и питается от обмотки якоря.

3.Последовательное возбуждение (рис.18.46), в котором через ка-

тушку возбуждения проходит ток якоря ( IВ IЯ ). Катушка возбуждения должна быть выполнена толстым проводом.

4. Смешанное возбуждение (рис.18.47), в котором используют одну параллельную катушку ОВ1 и одну последовательную ОВ2.

Способы возбуждения сильно влияют на электрические свойства генераторов и механические свойства двигателей постоянного тока.

18.19.4.Генераторы постоянного тока независимоговозбуждения

Схема генератора постоянного тока независимого возбуждения показана на рис.18.48. Ток возбуждения можно регулировать реостатом RВ .

Ток возбуждения и магнитный поток не зависят от нагрузки генера-

тора.

мость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при отклю-

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

чество оборотов постоянно n const .

Характеристика холостого хода E f IB подобна зависимости намагничивания B( H ). При IВ 0 возникает остаточная ЭДС E0 .

В н е ш н я я х а р а к т е р и с т и к а

Это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки:

U f ( I ) n const , RB const (рис.18.50).

Р е г у л и р о в о ч н а я х а р а к т е р и с т и к а

Это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора (рис.18.51):

IB f ( I ) ( n const ;U const )

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016