Раздел 2. Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ)
2.1. Устройство КДПТ [5]
К основным элементам КДПТ (в общем случае) относятся.
1) Статор (индуктор).
Неподвижная часть ДПТ. Включает в себя полюса и ярмо, к которому прикрепляются полюса.
Ярмо (станина) выполняет две функции:
- механической детали (корпуса);
- активной части (участка магнитопровода), т. е. должна быть выполнена из ферромагнитной стали.
Через станину (ярмо) проходит постоянный магнитный поток, не индуктирующий в ней вихревых токов, то есть она может выполняться монолитной.
2) Полюса.
Полюса равномерно распределены на внутренней поверхности станины.
2-1) Главные полюса.
Два варианта:
- на главных полюсах располагаются катушки возбуждения.
- главные полюса представляют собой постоянные магниты.
Хотя через сердечники главных полюсов проходит постоянный поток, они чаще всего выполняются все же шихтованными – состоящими из отдельных пластин, стянутых заклепками, шпильками или др. Такое решение диктуется скорее удобством изготовления полюса, чем стремлением ограничить вихревые токи.
Ось, проходящая ровно посередине между главными полюсами (поперечная ось), называется геометрической нейтралью.
2-2) Добавочные полюса (могут и отсутствовать).
Добавочные полюса предназначены для обеспечения безыскровой коммутации (компенсирования реактивной ЭДС). Обмотки, устанавливаемые на добавочных полюсах, включаются последовательно в цепь якоря.
3) Ротор (чаще называется якорем).
3-1) Сердечник, набранный из листов электротехнической стали.
3-2) Обмотка якоря, по которой течет переменный ток.
Обмотка якоря располагается в пазах сердечника ротора.
Обмотка якоря состоит из секций, каждая из которых присоединяется своими концами к двум коллекторным пластинам и содержит один или несколько витков [32].
В зависимости от числа секций, расположенных в одном пазу ротора, обмотка якоря может выполняться:
- однослойной (при Pном < 0,5 кВт [32]);
- двуслойной.
Во втором случае в каждом пазу ротора обмотка располагается в два слоя: одна сторона каждой секции — в верхнем слое соответствующих пазов, а другая сторона — в нижнем слое другого паза. При этом обеспечивается более удобное расположение выходящих из пазов лобовых частей обмотки якоря. При двуслойной обмотке якоря число пазов якоря Z равно числу секций S [32].
Рис.1. Секция волновой обмотки | В ДПТ с номинальной мощностью до Рном = 80 ÷ 100 кВт используется простая волновая обмотка (рис.1); при мощностях Рном < 50 кВт – с числом витков в секции wc > 1 [32]. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь, т. е к каждой коллекторной пластине присоединены два вывода от двух соседних секций [32]. |
4) Коллектор.
Коллектор предназначен для изменения направления тока в проводах обмотки, при переходе проводников из зоны действия одного полюса в зону действия другого полюса (т. е. через геометрическую нейтраль) [42].
Коллектор размещается на общем с якорем валу и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала.
Поскольку каждая секция обмотки имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S [32].
Число коллекторных пластин (и секций) должно быть таким, чтобы:
- пульсации электромагнитного момента были невелики;
- напряжение между соседними коллекторными пластинами не превышало 18—22 В (актуально при высоком напряжении питания) [32].
5) Щетки коллектора
Щетки коллектора служат для обеспечения контакта между цепью источника питания и пластинами коллектора (секциями обмотки якоря).
Число щеток равно числу главных полюсов [37].
Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное называется коммутацией [25].
Щетки могут быть угольными, графитовыми, композитными и др.
Щетки ДПТ устанавливаются в щеткодержатели, которые ориентируют и прижимают с помощью пружин щетку к пластинам коллектора. Отметим, что со временем щетки изнашиваются, и сила их нажатия на коллектор ослабевает.
Щеткодержатели размещают на специальных пальцах траверсы, смонтированной на внутренней стороне подшипникового щита. Траверса имеет возможность поворота вокруг оси машины и фиксации её в любом выбранном положении. Это позволяет при необходимости регулировать положение щеток на коллекторе из условия минимального искрения в щеточном контакте.
Щетки должны быть расположены в пространстве таким образом, чтобы коммутация происходила в моменты периода ЭДС через ноль [12].
Направление потока реакции якоря совпадает с линией, на которой размещены щетки машины. При установке щеток на геометрической нейтрали поток, создаваемый током якоря (поле якоря), направлен поперек оси полюсов. Отсюда название - поле поперечной реакции якоря [32].
Поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля и нейтральная линия на поверхности якоря, на которой индукция В = 0, поворачивается из положения геометрической нейтрали на некоторый угол β против направления вращения (для двигателя) в положение, которое называется линией физической нейтрали [32].
Чем больше нагружена машина, тем больше ток якоря, происходит большее искажение поля и увеличение угла β.
Большинство ДПТ на ЛА выполняется цилиндрической формы. Отношение длины к внешнему диаметру составляет от 1,0 до 2,5 [7].
2.2. Принцип действия КДПТ
Коллектор ДПТ с помощью щеток инвертирует постоянный ток внешнего источника (сети) в переменный ток в секциях якорной обмотки. Форма тока якоря близка к прямоугольной (если пренебречь временем коммутации) [19].
ОВ (на которую также подается напряжение постоянного тока либо от того же источника, либо от отдельного источника в случае независимого возбуждения) или постоянный магнит создает магнитного поле возбуждение.
Рис.2. Правило левой руки [32]. | Согласно закону Био-Савара на каждый проводник ОЯ, находящийся в магнитном поле с магнитной индукцией В, будет действовать электромагнитная сила (сила Ампера) F=BIя1l, (1) где В — величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; Iя1 – ток в проводнике якоря, l — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле. Направление действия этой силы определяется правилом левой руки (рис.2). |
Электромагнитный момент, вращающий ротор КДПТ, представляет собой произведение силы, действующей на все N проводников обмотки якоря, на плечо (половину диаметра якоря).
2.3. Выражение для электромагнитного момента КДПТ
Среднее значение магнитной индукции определяется как отношение суммарного потока всех полюсов на поверхность расточки якоря:
В=2рФ/(πDl). (2)
С учетом параллельных ветвей ток, протекающий по проводнику, соотносится с током якоря Iя следующим образом: Iя1=Iя/(2a).
Подставим введенные соотношения в выражение для электромагнитного момента, который, как известно, является произведением силы, действующей на все N проводников обмотки якоря двигателя, на плечо (половину диаметра якоря). В результате получим:
(3)
Угловая частота основной гармоники тока якоря всегда равна электрической угловой частоте вращения ротора, что обеспечивает взаимную неподвижность полей возбуждения и якоря и, следовательно, создание одинаково направленного момента при любой скорости ротора [19].
Мгновенное значение электромагнитного момента также может быть записано в виде выражения:
(4)
В машинах переменного тока изменение потокосцепления происходит вследствие изменения магнитной индукции, а в машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления секции якоря с полем возбуждения из-за вращения ротора [12].
2.4. Уравнение движения (применимо ко всем двигателям)
При вращении якоря ДПТ преодолевает момент собственного сопротивления вращению M0 (момент холостого хода) и статический момент сопротивления внешней нагрузки Мс.
Момент M0 расходуется на покрытие:
- механических потерь (трение в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины)
- потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.
Таким образом, на вал (к нагрузке) поступает электромагнитный момент двигателя за вычетом момента M0
Мв=М-М0 (5)
Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, движущие и тормозящие вращающие моменты, действующие на это тело, уравновешивают друг друга. Поэтому в ДПТ при установившемся режиме работы (когда двигатель вращается с постоянной скоростью) электромагнитный момент
Мв =Мс М=Мс+М0 | (6) |
В переходных режимах в системе действует также динамический момент Мдин и наблюдается следующее равенство моментов: М=Мс+М0+Мдин.
Зависимость угловой скорости двигателя от времени определяется уравнением движения:
Мв-Мс = JdW/dt. (7)
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
