Электрические машины - Вольдек

Название: Электрические машины.

Автор: Вольдек А. И

Формат: djvu

Страниц: 832

Издатель: Энергия

Описание

Принцип действия машины постоянного тока

Рис. 1-1. Простейшая машина постоянного тока

Рис. 1-2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Устройство простейшей машины. На рис. 1-1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рис. 1-2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины называется индуктором, состоит из полюсов и ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначение индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис.1-1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 1-1 и 1-2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к каждому полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов. Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Предположим, что якорь машины (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Значение индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

Епр=ВlV

где В — магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; V — линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. c., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Ea=2eпр=2BlV

Э. д. с. Е„ является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э, д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 1-4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f = pn.

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Iа. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рис. 1-4 а) постоянным, что объясняется действием коллектора. действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 1-1) на 90° и изменение направления Э.Д.С. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Рис. 1-4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машнны в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 1-4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 1-4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор (см. гл. 3). Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа:

Проводники обмотки якоря с током Iа находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 1-2, а)

направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1-3, б). Эти силы создают механический момент Мш, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен

где Da — диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, а, в режиме генератора этот момент действует против направлений вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника: При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F„p и возникнет электромагнитный момент Мт. Величины F„p и MSil, как и для генератора, определяются равенствами (1-4) и (1-5). При достаточном значении Мж якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мш при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 1-2, а) и двигателя (рис. 1-2, б) были одинаковы, то направление действия Мвш а следовательно, и направление тока Ia у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 1-2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Еа, значение которой определяется равенством (1-1). Направление этой э. д. е., в двигателе (рис. 1-2, б) такое же, как и в генераторе (рис. 1-2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Еа направлена против тока Iа и приложенного |к зажимам якоря напряжения Ua. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Еа и падением напряжения в обмотке якоря:

Ua = Ea+Iara.

Из сравнения равенств видно, что в генераторе Uа < Ea а в двигателе Uа > Еа.

Принцип обратимости.

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин называется

Обратимостью для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизвестной полярности полюсов и щеток и при неизвестном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически. Аналогичным способом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии.

Нa рис. 1-5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора двигателя постоянного тока.

Рис. 1-5. Направления э. д. е., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Мэм=Мв+Мтр+Мс

где Мв — момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателей, Мтр — момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Мс - тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

где Мв — тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Мэм является тормозным, а в двигателе — вращающим моментом, причем в обоих случаях Ма и Мэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Мэм мощность Рэм называется электромагнитной мощностью и равна

Где

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (1-8) значения Мэм и О из равенств (1-5) и (1-9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим

или

В обмотке якоря под действием э. д. с. Е, и тока Ia развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно последним равенствам, Pэм = Ра, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения на Iа. Тогда для генератора будем иметь и для двигателя

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитную мощность якоря и последние члены — электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рис. 1-1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдастся во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя - в механическую мощность, которая за вычетом потерь в стали якоря передается к рабочей машине

Установленные выше применительно к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.