Машины постоянного тока

федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Вологодский  государственный технический университет»

 

«Электроэнергетический  факультет»

(наименование  факультета)

«Информатика и вычислительная техника»

(наименование  кафедры)

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина: «История автоматики и вычислительной техники»

Наименование темы: «Машины постоянного тока»

Шифр работы __________________230100.8.013________________

код специальности…..регистрационный номер по журналу…год

 

Руководитель	_____Колесниченко Дмитрий Александрович, ассистент____ (уч. степень, звание, должность. Ф.И.О)
Выполнил (а) студент	___________Трошичев Виктор Владимирович_____________ (Ф.И.О)
Группа, курс	___________________ЗЭВ-11у, 1 курс___________________
Дата сдачи	___________________01 марта 2013 г.___________________
Дата защиты	___________________01 марта 2013 г.___________________
Оценка по защите	_____________________________________________________ (подпись преподователя)

 

 

 

 

 

 

 

 

Вологда

2012 г.

 

Содержание

1. Введение           2
2. Основные элементы конструкции МПТ      4
3. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения 10
4. Заключение          15
5. Список использованных источников       16
 

1. Введение

Электрические машины постоянного тока широко применяются  в различных отраслях промышленности.

Значительное  распространение электродвигателей  постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты  вращения.

Электродвигатели  постоянного тока используют для  регулируемых приводов, например, для  приводов различных станков и  механизмов. Мощности этих электродвигателей  достигают сотен киловатт. В связи  с автоматизацией управления производственными  процессами и механизмами расширяется  область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы  постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку  значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели  и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования  летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в  качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается  более 200 различных электродвигателей  постоянного тока. Двигатели постоянного  тока широко используются в электрической  тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных  станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для  питания двигателей получается с  помощью генераторов постоянного  тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы  постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого  напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения  мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов  постоянного тока (возбудителей).

В зависимости  от схемы питания обмотки возбуждения, машины постоянного тока разделяются на несколько типов: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Ежегодный выпуск машин постоянного тока в  РФ значительно меньше выпуска машин  переменного тока, что обусловлено  дороговизной двигателей постоянного  тока.

 

2. Основные  элементы конструкции МПТ

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной  обмоткой обычно называется якорем. Якорь  машины постоянного тока вращается  в магнитном поле, создаваемом  обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1). По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений  сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2).

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока: 1 — обмотка возбуждения; 2 — полюсы; 3 — ярмо; 4 — полюсный  наконечник; 5 — якорь; 6 — проводники якорной обмотки; 7 — зубец якорного сердечника; 8 — воздушный зазор машины

Рис. 2. Полюс   машины постоянного тока: 1 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения; 5 — болт для крепления полюса; 6 — ярмо

Одна сторона полюса прикрепляется  к станине, часто при помощи болтов, другая — располагается вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

Рис. 3. Кривые изменения магнитной  индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени

а — пространственное распределение индукции под полюсом; б — изменение э.д.с. проводника во времени; в — выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках.

На рис. 3, а представлено распределение  магнитной индукции в воздушном  зазоре двухполюсной машины в функции  геометрического угла α.

Начало координат и выбрано  посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному  наконечнику индукция возрастает, сначала  медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4). В теории электрических машин, кроме угла α_г, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла α_э, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол α_э=360 эл. град или 2π эл. рад. Поэтому 

α_э=ρα_г  (1)

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника:

e=B_αlν  (2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;

v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

Рис. 4. Распределение  потока в четырехполюсной машине:

а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e≡B_α.  (3)

Из выражения (3) следует, что при  равномерном вращении якорной обмотки  изменение э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре В_α, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной  обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е.

   (4)

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w, выраженное через механическую скорость вращения

  

имеем

   (5)

В машинах постоянного тока для  выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая — отрицательной.

Рис. 5. Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:

1— медные пластины; 2 — виток обмотки якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет  две изолированные между собой  медные пластины, выполненные в форме  полуколец (рис. 5), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются  с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3, в).

Рис. 6. Устройство коллектора:

1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 — «петушок» — часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой  один или несколько последовательно  соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация  напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница  между максимальной и минимальной  величиной напряжения, отнесенная к  среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим  устройством, требующим тщательного  ухода. Его повреждения нередко  служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки  создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами  разной  полярности,  в любом случае  наводится переменная э.д.с., для  выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 7. Пульсация  напряжения на щетках   генератора постоянного тока:

а — при двух витках  на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у  которых преобразование энергии  происходит вследствие вращения якорной  обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного  тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности  плавного и экономичного регулирования  скорости вращения двигатели постоянного  тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных  усилителей. Генераторы постоянного  тока применяются главным образом  для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических  низковольтных установок.