Принцип действия и элементы конструкции генератора постоянного тока смешанного возбуждения

Роль и значение машин постоянного тока В настоящее время преимущественное распространение имеют сети переменного тока, поэтому в промышленности находят применение главным образом машины переменного тока. Вместе с тем широко используются и машины постоянного тока, несмотря на то, что стоимость их выше, чем машин переменного тока. Это объясняется тем, что они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, реверса и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока. Широкое применение машин постоянного тока требует большого разнообразия их номинальных данных мощности, частоты вращения, напряжения и различных конструктивных исполнений соответственно условиям их установки и эксплуатации.

В настоящее время машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В и только иногда для крупных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором коллектором.Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока. Принцип работы машин постоянного тока На рис. 1 схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины статоре размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность N, S, N, S и т.д Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается так, как показано на рис. 40,1 штриховыми линиями.

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуцируется основная ЭДС, поэтому - в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка располагается на стальном сердечнике, закрепленном на валу на рисунке не показан. Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединяются между собой, образуя замкнутый контур.Сплошные линии показывают соединения проводников с переднего торца сердечника, а штрихпунктирные - с заднего.

Изображенные на рис. 1 сердечник и обмотка называются кольцевыми. В настоящее время они не имеют практического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность. От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора.Коллектор располагается на валу якоря и представлят собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин.

Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рис. 1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.При вращении якоря в проводниках его обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуцироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника.

В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника, являются активными, а на внутренней - пассивными.В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление.

Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью.Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максимальна, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка.

Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.Для момента времени, изображенного на рис. 1, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность.

При вращении якоря расположение проводников и коллекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в проводниках. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щетки всегда будут иметь определенную полярность.Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся.

Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим точкам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными.В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока. Для определенного момента времени такому распределению тока в якоре соответствует рис. 1, если принять на нем, что крестиками и точками обозначены направления тока. При таком распределении тока электромагнитные силы всех проводников будут направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель будет создавать наибольший вращающий момент.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви.

Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2. ЭДС на выводах машины будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети равен сумме токов параллельных ветвей.В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю см. рис. 1, поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

Конструкция машин постоянного тока На рис. 3 приведен чертеж современной машины постоянного тока с продольным и поперечным разрезами. Статор состоит из станины 1 и прикрепленных к ней главных 2 и дополнительных 3 полюсов.Станину машин относительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельнотянутых труб, а у более крупных машин выполняют сварной из толстолистового стального проката.

Для закрепления машины на фундаменте или исполнительном механизме к нижней части станины приваривают лапы 4, а для возможности транспортировки в станину ввертывают рым-болты 5. Сердечники главных полюсов рис. 4 собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы спрессовывают в пакет и скрепляют стальными заклепками 4, число которых принимают не менее четырех.Крайние листы 6 полюса выполняют из более толстой стали 4 - 10 мм во избежание распушения листов.

Для того чтобы получить необходимый характер распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полюс заканчивают полюсным наконечником определенной формы. Воздушный зазор между полюсами и якорем или выполняют одинаковым по всей ширине полюсного наконечника, или под краями наконечника вследствие его скоса делают больше.Иногда выполняют эксцентричный воздушный зазор, при котором центры радиусов якоря и наконечника полюса не совпадают.

Зазор при этом постепенно увеличивается от середины к краю полюса рис. 5. На сердечнике полюса размещают обмотку возбуждения 6 см. рис. 3. Обмотку возбуждения изготовляют в виде катушек из медных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Катушки изолируют лентой, после пропитки и сушки насаживают на сердечник полюса и закрепляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увеличения поверхности охлаждения катушку делят на две части.Полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами см. рис. 3. Болты ввертывают в полюс, в теле которого предусматривают отверстия с резьбой. Для более надежного крепления полюса у крупных машин и машин, работающих в условиях тряски, болты 3 вворачивают в специальный стержень 5, вставленный в полюс см. рис. 4, б. Якорь см. рис. 3 состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 9. Сердечник якоря выполняют из одного или нескольких пакетов, которые собирают из листов, вырубаемых из электротехнической стали.

После штамповки листы лакируют. При длине сердечника менее 25 см его изготовляют из одного пакета рис. 6, а при большей длине - из нескольких рис. 7. Между пакетами с помощью специальных распорок образуются вентиляционные каналы, предназначенные для лучшего охлаждения якоря.

В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор.

Форму пазов выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности рис. 8. Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоляцию пазовая изоляция.Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита рис. 8 или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря позиция 13 на рис. 3 и позиция 2 на рис. 6. Вне пазов в лобовых частях обмотку закрепляют бандажами позиция 12 на рис. 3 из проволоки или стеклоленты.

Станина, сердечники полюса и якоря являются участками магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указанные участки выполняют из стали, имеющей улучшенные магнитные характеристики.Для уменьшения магнитного сопротивления воздушный зазор между якорем и полюсами стараются брать меньше.

Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у машин большей мощности. При вращении якоря его сердечник будет перемагничиваться, в нем будут индуцироваться переменные вихревые токи, которые будут вызывать потери.Для снижения потерь от вихревых токов сердечник, как указывалось, собирают из отдельных листов. Из-за зубчатого строения якоря поток в зазоре будет пульсировать, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов.

Коллектор состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из профильной меди рис. 9. Изоляцию осуществляют тонкими прокладками, вырубленными из миканита прессованной слюды, которые закладывают между медными пластинами. Прокладки имеют форму пластин. Набор коллекторных пластин с прокладками должен быть прочно закреплен и иметь строго цилиндрическую форму.По способу крепления пластин существует большое многообразие конструкций коллекторов, две из которых показаны на рис. 10. На рис. 10, а коллекторные пластины зажимают между корпусом и нажимным фланцем.

Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. На рис. 10, б показано крепление пластин с помощью пластмассы. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее применение находят коллекторы на пластмассе.Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой.

К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для возможности подсоединения проводников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в которых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.По коллектору скользят щетки, которые размещаются в щеткодержателях рис. 11. Щеткодержатели выполнены с радиальным или наклонным по отношению к поверхности коллектора перемещением щетки.

Наиболее распространенными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Наклонные реактивные щеткодержатели применяют для машин с односторонним направлением вращения. Щетки прижимаются к коллектору пружинами.Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах 10 см. рис. 3, которые в свою очередь закрепляют на траверсе 11. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессованной пластмассой в месте сочленения с траверсой.

Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов. При работе машины может наблюдаться искрение щеток. Для улучшения работы щеточного узла в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы.Сердечники дополнительных полюсов 3 см. рис. 3 выполняют цельными из толстолистовой стали или собранными из листов электротехнической стали толщиной 1 мм. На сердечниках размещают катушки обмотки дополнительных полюсов 14 см. рис. 3. Дополнительные полюсы располагают между главными полюсами и прикрепляют к станине болтами.

Якорь вращается в подшипниках 15 см. рис. 3, которые размещаются в подшипниковых щитах 16. В последнее время наметилась тенденция собирать статор двигателей постоянного тока из отдельных листов электротехнической стали.Штамп в листе одновременно вырубает ярмо, пазы, главные и дополнительные полюсы, как показано на рис. 12. Характеристики генератора смешанного возбуждения Параллельная обмотка возбуждения может быть подключена к цепи якоря до последовательной обмотки или после нее. Характеристики генератора при той и другой схеме будут практически одинаковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока Iв также ничтожно из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока. Самовозбуждение генератора протекает так же, как и у генератора параллельного возбуждения. Ток якоря IаI Iв. Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения.

Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка.

Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря.В этом случае последовательная обмотка не только скомпенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки.

В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом тока I будет возрастать, как это видно по внешней характеристике UfI при еRвconst, изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки. Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на значение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю.

Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автоматически будет поддерживаться примерно постоянным. При слабой последовательной обмотке внешняя характеристика имеет падающий характер.Отметим, что эффективность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. МДС последовательной обмотки при сильном насыщении будет давать небольшое увеличение потока и ЭДС, поэтому даже при достаточно сильной обмотке или при больших нагрузках напряжение на выводах машины будет уменьшаться с ростом тока I. Характеристику холостого хода генератора смешанного возбуждения снимают так же, как и генератора параллельного возбуждения, и она имеет такой же характер.

Так же как и для генератора параллельного возбуждения, для генератора смешанного возбуждения снимают нагрузочную характеристику UfI при Iconst.В зависимости от соотношения МДС последовательной обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fqd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика 2 идет выше характеристики холостого хода 1 рис. 14. Если по этим характеристикам построить характеристический треугольник, то его горизонтальный катет будет пропорционален результирующей намагничивающей МДС, созданной током якоря по оси обмотки возбуждения.

Длина этого катета в масштабе тока возбуждения равна Fc-Fqd wв. Полученный таким образом треугольник используют для построения характеристик.

Регулировочная характеристика IвfI при Uconst у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики. При достаточно сильной последовательной обмотке возбуждения, когда напряжение генератора возрастает с ростом тока нагрузки, регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рис. 15. Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко.У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающим действием результирующий поток возбуждения машины с ростом тока нагрузки будет уменьшаться.

В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер рис. 16. Регулировочная характеристика этого генератора показана на рис. 17. Список литературы 1. Электрические машины и микромашины Учеб. для электротехн. спец. вузов Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. 3-е изд перераб. доп. М. Высш. шк 1990. 528 с. ил. 2. Электрические машины Учебник для сред. спец. учеб. заведений М. М. Кацман.

М. Высш. школа, 1983. 432 с. ил. 3. Электрические машины Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений А. И. Вольдек.Изд. 2-е, перераб. и доп. Л. Энергия, 1974. 840 с. ил. Рис. 1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря Рис. 2. Параллельные ветви обмотки якоря Рис. 3. Общий вид машины постоянного тока Рис. 4. Главный полюс машины постоянного тока с креплением его к станине болтами, ввернутыми в полюс а и в специальный стержень б 1 - полюсный наконечник 2 - сердечник полюса 3 - крепежный болт 4 - заклепки 5 - стержень 6 - нажимной лист 7 - обмотка Рис. 5. Главный полюс при эксцентричном воздушном зазоре Рис. 6. Якорь машины постоянного тока 1 - сердечник состоит из одного пакета 2 - бандажи 3 коллектор Рис. 7. Якорь машины постоянного тока сердечник состоит из трех пакетов 1 - пакеты сердечника 2 - аксиальные вентиляционные каналы 3 - бандажи 4 коллектор Рис. 8. Пазы машин постоянного тока а - овальный б - прямоугольный 1 - проводники 2 - изоляция 3 - клин Рис. 9. Коллекторная пластина а и изоляционная прокладка б Рис. 10. Коллектор машины постоянного тока с металлическим а и пластмассовым б корпусами 1 корпус 2 - нажимной фланец 3 - изоляционные манжеты 4 - коллекторные пластины 5 пластмасса 6 - запирающее кольцо 7 бандаж Рис. 11. Щеткодержатели радиальные а и наклонные б 1 - обойма щеткодержателя 2 щетка 3 - нажимная пружина 4 - гибкий канатик 5 - колодки для закрепления щеткодержателя на пальцах Рис. 12. Лист шихтованного статора машины постоянного тока 1 - главный полюс 2 - дополнительный полюс 3 - пазы для размещения распределенных обмоток статора возбуждения и компенсационной Рис. 13. Внешняя характеристика генератора смешанного согласного включения Рис. 14. Нагрузочная характеристика генератора смешанного согласного включения Рис. 15. Регулировочная характеристика генератора смешанного согласного включения Рис. 16. Внешняя характеристика смешанного встречного включения Рис. 17. Регулировочная характеристика генератора смешанного встречного включения.