Принцип действия электрических машин постоянного токаМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ
КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ
ЛЕКЦИЯ №3 по дисциплине
Электрические машины
для студентов специальности 160903
ТЕМА №3
Принцип действия, конструкция, магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе и при нагрузке, коммутация машин постоянного тока Иркутск, 2011 г.
Иркутский филиал МГТУ ГА Кафедра Авиационных электросистем и пилотажно- Навигационных комплексов
Лекция №3
По дисциплине: Электрические машины
Тема лекции : Принцип действия, конструкция, магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе и при нагрузке, коммутация машин постоянного тока (2 часа)
СОДЕРЖАНИЕ Принцип действия, элементы конструкции электрических машин постоянного тока. Магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе.
ЛИТЕРАТУРА 1. Копылов Б.В. Электрические машины. М., 1988 г. НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО 1. Мультимедийная установка
Принцип действия, элементы конструкции электрических машин постоянного тока
Принцип действия электрических машин постоянного тока
На рис. 1.1 приведена принципиальная схема простейшего генератора постоянного тока. Здесь N и S – неподвижные полюсы, соединенные внешним магнитопроводом, который на рисунке не показан. Эта часть машины создает магнитный поток и называется индуктором. Для создания потока могут использоваться постоянные магниты или электромагниты.
Рис. 1.1. Простейший генератор постоянного тока Рис. 1.2. Правило правой Руки
В пространстве между полюсами вращается стальной цилиндр. На цилиндре расположен виток abсd из проводникового материала. Концы витка присоединяются к коллектору, который в простейшем виде представляет собой две изолированные друг от друга медные пластины 1 и 4. Эта часть машины называется якорем. На пластины наложены неподвижные щетки 2 и 3, к которым присоединяется электрическая нагрузка Rн. Полюсы создают постоянный магнитный поток, линии которого направлены от северного полюса к южному и радиально к поверхности цилиндра. Если якорь привести во вращение (например, против вращения часовой стрелки), то в активных сторонах витка ab и сd будут индуцироваться электродвижущие силы ЭДС. Воспользовавшись правилом правой руки (рис. 1.2), можно определить направление этих ЭДС, а значит, и тока в проводниках ab и сd для момента времени, показанного на рис. 1.1. Это направление указано стрелками. При повороте якоря на 180º направление ЭДС в сторонах витка изменится на противоположное, так как они окажутся под полюсами обратной полярности. Следовательно, при вращении в витке будет действовать переменная ЭДС, период изменения которой соответствует одному обороту якоря. Согласно закону электромагнитной индукции, мгновенное значение ЭДС, наводимой в проводнике епр = B δ lV, где B δ – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами, в месте расположения проводника; l – активная длина проводника в зоне действия магнитной индукции; V – скорость движения проводника. Виток рассматриваемой машины состоит из двух проводников(ab и cd), расположенных в диаметральной плоскости, поэтому ЭДС витка ев = 2 B δ lV. Так как величина l – постоянная, а V можно считать неизменной, то ЭДСвитка можно записать в виде ев = кB δ, где к – коэффициент пропорциональности. Таким образом, в рассматриваемых условиях величина и характер изменения ЭДС, индуцируемой в проводнике (витке) во времени, определяется величиной и характером распределения магнитной индукции в пространстве. Условимся называть линию qq 1, проходящую через ось вращения якоря и посередине между полюсами, геометрической нейтралью, а часть окружности якоря (в нашем случае половина), соответствующую одному полюсу, – полюсным делением τ;, определяемым через диаметр якоря D и число пар полюсов p по формуле
В данном случае машина имеет одну пару полюсов, т.е. два полюсных деления. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре реальной машины вдоль полюсного деления при холостом ходе обычно имеет трапецеидальный характер, достигая максимального значения под полюсами и нулевого на геометрической нейтрали, а знак ее соответствует полярности полюсов N и S (рис. 1.3, а). Следовательно, такую же форму имеет кривая ЭДС в витке якоря машины (рис. 1.3, б). Время Т, в течение которого происходит полное изменение ЭДС, называется периодом ЭДС. Число периодов в одну секунду называется частотой и имеет размерность Гц. В общем случае, когда машина имеет р -пар полюсов, частота индуцируемой ЭДС определяется формулой f = pn/ 60 , где n – частота вращения якоря машины, об/мин.
Рис. 1.3. Кривые изменения: а – магнитной индукции в воздушном зазоре; б – ЭДС и тока в витке якоря; в – ЭДС и тока во внешней цепи
Если виток якоря при помощи щеток замкнуть на внешнее активное сопротивление Rн, то возникнет ток iя. В витке якоря iя будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС витка якоря (рис. 1.3, б). Однако во внешней цепи направление тока iя будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Щетки на коллекторе устанавливаются так, чтобы они переходили с одной коллекторной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС, индуцируемая в витке abсd равна нулю. В результате к каждой щетке подводится ЭДС одного направления. Например, щетка 2 соединяется всегда с коллекторной пластиной, связанной с проводником витка, находящимся под северным полюсом, щетка 3 – с проводником под южным полюсом (рис. 1.1). Таким образом, при помощи коллектора происходит выпрямление наводимой в витке abсd переменной ЭДС и, соответственно, переменного тока в пульсирующую ЭДС и пульсирующий ток на щетках, а, стало быть, постоянных по своему направлению во внешнем участке цепи (рис. 1.3, в). В реальных генераторах для уменьшения пульсаций укладывают на якоре обмотку, состоящую из большого количества витков (секций), равномерно распределенных по его окружности, что также увеличивает и результирующую ЭДС якоря ея. Если машина работает в режиме генератора, то щетка 2, от которой ток отводится во внешнюю цепь, считается положительной и обозначается знаком «+»", а щетка 3, через которую ток поступает обратно в машину, считается отрицательной и обозначается знаком «–». Для двигателя наоборот. При работе в режиме генератора подводимая к машине механическая мощность преобразуется в электрическую. При этом со стороны генератора на приводной двигатель, имеющий момент M1, действует момент сопротивления, возникающий в машине следующим образом (рис. 1.4, а). Ток якоря iя, имеющий то же направление, что и ЭДС, взаимодействует с магнитным полем полюсов. В результате создаются электромагнитные силы fпр, действующие на проводники. Эти силы обусловливают момент Мэм, называемый электромагнитным. В генераторном режиме этот момент направлен против вращения якоря, т.е. является тормозным для приводного двигателя (рис. 1.4, а). Машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем обычным типам электрических машин и называется их обратимостью. Чтобы электрическая машина работала двигателем, необходимо создать в машине магнитное поле и ток в обмотке якоря, подключив её к источнику электроэнергии постоянного тока. На рис. 1.4, б показана работа простейшей машины постоянного тока в режиме двигателя (щетки на рисунке не указаны). Магнитное поле полюсов N – S, действуя на проводники с током iя, вызывает электромагнитные силы fпр = B δ liя. Каждая из сил, действующих на проводник с током, создает электромагнитный момент, равный Мпр = fпр∙D/ 2 = B δ liяD/ 2 . Суммируя все моменты, действующие на проводники с токами, получаем суммарный электромагнитный момент двигателя
где N – число активных проводников, уложенных на якоре. Если момент Мэм,создаваемый двигателем, превысит моменты всех сил сопротивления М 1, то якорь придет во вращение в направлении действия электромагнитных сил. Момент двигателя, в отличие от момента генератора, является движущим и действует в направлении вращения (рис. 1.4, б). В режиме двигателя подводимая к машине электрическая мощность преобразуется в механическую. Коллектор двигателя по устройству аналогичен коллектору генератора, но назначение его противоположное – инвертировать подводимый от источника постоянный ток в переменный. В двигателе при любом положении витка якоря (кроме расположения на геометрической нейтрали) с положительной щеткой соприкасается коллекторная пластина, соединенная с проводником витка, находящимся, например, под полюсом северной полярности, а с минусовой щеткой – проводник витка, находящийся под южным полюсом, поэтому направление электромагнитного момента останется неизменным. Таким образом, коллектор в двигателе обеспечивает постоянное направление Мэм.
Рис. 1.4. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме:
|
.
,
