Модуль 4: «Машины постоянного тока»
(Конспект лекций)
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО
МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1. Принцип действия машин постоянного тока
Режим генератора. На рис. 1.1, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.1, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.
Магнитный поток проходит от северного полюса к южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.1) и замыкается по спинке статора (индуктора) машины (на рис. 1.1 не показано).
Якорь набран из пластин электротехнической стали, и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка (в рассматриваемом случае, состоящая из одного витка).
Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Если якорь машины привести во вращение по часовой стрелке, то в проводниках обмотки якоря наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС наводится только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции
, (1.1)
где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; u – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.
Наводимые ЭДС по контуру витка складываются и ЭДС витка
(1.2)
ЭДС 
является переменной, так как проводники обмотки проходят попеременно под северным и южным полюсами, следовательно, форма кривой ЭДС повторяет кривую индукции в зазоре машины. Частота ЭДС равна:
(1.3)
Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток
(1.4)
Этот ток будет переменным, и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.2, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда будет находиться пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.2, б.
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи. Ток обмотки якоря:
а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:
; (1.5)
б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности.
 |
Уравнение мощностей получим умножив 
(1.5) на ток
(1.6)
или
, (1.7)
где 
- электромагнитная мощность генератора; р - мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора; Р2 - мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.
Из (1.7) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.
Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы (см. рис.1.1, б)
, (1.8)
направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент 
, который называется электромагнитным моментом (см. рис.1.1, б):
, (1.9)
где 
диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.
Режим двигателя. Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.1, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.8) и (1.9). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение, и машина будет развивать механическую мощность. 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.
В проводниках обмотки вращающегося якоря, в соответствии, с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, определяемая по формуле (1.1) и направленная против тока.
На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:
(1.10)
или
. (1.11)
Умножив (1.11) на ток, получим
, (1.12)
или
(1.1З)
Из (1.13) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р1, а остальная покрывает потери.
Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электромагнитной индукции 
, сформулированном Фарадеем (
- в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электромагнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.5), (1.11) следует: в двигательном режиме 
> 
, генераторном 
> .
Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при 
В
,
соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.3, а. При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой показано на рис. 1.3, б.
Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.
В половине обмотки ( в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.3, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.
Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.
Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.
1.2. Устройство машины постоянного тока
Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.4). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника.
В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора. Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо в современных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из листового проката или стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют.
В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т. е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. В поле полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 - стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.
В сердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы в зависимости от выбранной системы вентиляции.
Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 - механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре, в постоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя). Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изоли-рованных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины в цилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14. В щеткодержателях помещены щетки (графитные или медно-графитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).
Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.
Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает в машину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.
Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1000 В (для электрифицированных железных дорог до 1500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации в дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.
2. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО
ТОКА ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ
2.1. Магнитная цепь машины и метод ее расчета
Целью магнитных расчетов является установление количественной зависимости магнитного потока от тока возбуждения, а также определение магнитной индукции в отдельных частях машины, что необходимо для анализа свойств машины.
Магнитный поток в электрических машинах постоянного тока возникает из-за наличия тока в обмотке возбуждения. Для улучшения магнитной связи между обмотками и увеличения магнитного потока магнитную систему машин выполняют из ферромагнитных материалов, обладающих хорошей магнитной проводимостью. В большинстве случаев применяют электротехническую сталь, легированную кремнием (1 – 5,0 %) и другими присадками, уменьшающими потери в переменном магни-тном поле. Иногда применяют литую сталь, чугун, пермаллой и феррит.
Магнитное поле двухполюсной машины можно представить одним потоком, пронизывающим якорь и разветвляющимся надвое в ярме.
В многополюсных машинах создается 2p магнитных потоков, замыкающихся через соседние пары полюсов (рис. 2.1).
Магнитный поток 
, пронизывающий воздушный зазор, меньше потока полюсов 
. Некоторая часть замыкается по более коротким путям, образуя поток рассеяния 
(рис. 2.1). Магнитный поток в зазоре машины, определяющий ее ЭДС и электромагнитный момент:
, (2.1)
называют основным магнитным потоком.
Поток полюсов, необходимый для создания в зазоре заданного значения 
:
(2.2)
где Кs - коэффициент рассеяния основных полюсов. Обычно Кs = 1,12 - 1,25.
Магнитодвижущую силу (МДС) 
, необходимую для создания основного магнитного потока , называют основной МДС.
Каждая линия основного магнитного потока последовательно проходит по ряду участков, образующих в совокупности магнитную цепь машины и отличающихся друг от друга, как своими геометрическими размерами, так и физическими свойствами (см. рис.2.2). Для определения искомой МДС исходят из закона полного тока:
(2.3)
Интегральной характеристикой магнитного поля, служащей мерой энергии, затраченной на установление магнитного поля (т. е. причиной образования этого поля) является магнитодвижущая сила, равная значению электрического тока, обусловливающего данное магнитное поле
(2.4)
Практически магнитную цепь машины делят на такие участки, вдоль которых напряженность поля одинакова, т. е. на участки с одинаковыми площадями сечения. Основных участков магнитной цепи пять: 1) сердечники полюсов 
; 2) воздушный зазор d; 3) зубцовая зона 
; 4) спинка якоря 
; 5) ярмо станины 
. При постоянстве напряженностей магнитного поля на участках магнитной цепи заме-
няют интеграл 
суммой интегралов:
(2.4)
а сумму токов 
произведением тока возбуждения на число витков. Тогда вместо равенства (2.4) с учетом прохождения силовой линии дважды по одинаковым участкам получим:
, (2.6)
где d, , 
, , 
показанные на рис. 2.2 геометрические размеры, равные длинам отрезков средней магнитной линии участка; 
, 
, 
, 
, 
напряженности магнитного поля на соответствующих участках; 
число витков обмотки возбуждения на полюс; 
– ток возбуждения.
Отдельные члены соотношения (2.6) представляют магнитодвижущие силы отдельных участков магнитной цепи, а их сумма - полную магнитодвижущую силу машины на пару полюсов:
. (2.7)
Здесь 
полная МДС на один полюс.
При расчете магнитной цепи, исходя из заданной величины ЭДС 
и пропорциональной величины индукция в зазоре Вd , определяют значения H на отдельных участках цепи, (по таблицам или кривым зависимости 
для выбранных марок стали). При заданных геометрических размерах и величине магнитного потока магнитная индукция
, (2.8)
где 
площадь поперечного сечения магнитопровода.
Магнитное напряжение любого из последовательно включенных участков
, (2.9)
где 
среднее значение напряженности на данном участке; 
средняя длина магнитной линии данного участка.
Так как 
, а 
, где 
площадь расчет-
ного сечения участка магнитопровода, то
. (2.10)
Введя понятие магнитного сопротивления
, (2.11)
из выражения (2.11) получим формулу закона Ома магнитной цепи
(2.12)
Формула (2.12) показывает, что при малом значении магнитной проницаемости 
(например, прохождении магнитного потока через воздушный зазор при 
Гн/м) требуется большой величины магнитодвижущая сила. Для проведения магнитного потока по стальным участкам магнитной цепи с 
Гн/м магнитодвижущая сила значительно ниже.
2.2 Магнитное поле и МДС воздушного зазора
Наиболее сложный характер имеет магнитное поле в воздушном зазоре, на который приходится до 60 - 80%) полной МДС (см. формулу 2.12).
Характер магнитного поля в зазоре вдоль окружности якоря (при гладкой поверхности) показан на рис. 2.3, а, а на рис. 2.3, б - кривая распределения магнитной индукции 
на поверхности глад-кого якоря на протяжении полюсного деления
(2.13)
Здесь 
- внешний диаметр якоря; 2р - число полюсов.
Для расчетных целей кривую 1 заменяют прямоугольнком 2 (штриховая кривая на рис. 2.3, б), равновеликим по площади фигуре, ограниченной кривой 1 и осью абсцисс. Это означает равенство потоков, соответствующих кривым 1 и 2.
Величина 
называется расчетной полюсной дугой. Она отличается от реальной полюсной дуги 
на некоторую величину, зависящую от формы полюсного наконечника. Значение 
устанавливается графоаналитически. Однако ввиду большой трудоемкости метода пользуются приближенными соотношениями
(2.14)
где 
- расчетный коэффициент полюсной дуги.
Для машин с дополнительными полюсами 
= 0,6 – 0,75, для машин без дополнительных полюсов 
0,7 – 0,85.
Построением равновеликого прямоугольника находят длину якоря:
. (2.15)
Здесь 
длина сердечника якоря; 
длина сердечника полюса, принимаемая часто на 5-10 мм меньше длины якоря. Магнитный поток машины на пару полюсов
(2.16)
Индукцию в зазоре принимают в пределах 0.4 – 1,15 Тл (высшие пределы относятся к машинам большой мощности). Повышение индукции сокращает расход материалов на машину, но увеличивает потери в стали и расход энергии на возбуждение.
При наличии на якоре пазов поле над ними ослабляется (рис. 2.4, а) и кривая 
вдоль зазора принимает зубчатый вид (рис. 2.4, б).
Увеличение магнитного сопротивления зазора, вызванное зубчатостью якоря, учитывает коэффициент воздушного зазора Этот коэффициент колеблется в пределах 1,05-1,2, определяют его пo формуле, предложенной Картером:
(2.17)
где 
зубцовое деление (см. рис. 2.4); 
ширина зубца на поверхности якоря.
где зубцовое деление (см. рис. 2.4); ширина зубца на поверхности якоря.
Обычно 
; он больше у машин с малым воздушным зазором. В этих машинах часто делают полузакрытые пазы (рис. 2.5) для уменьшения 
и, следовательно, магнитного сопротивления воздушного зазора. В машинах большой мощности пазы делают открытыми (рис. 2.4, а); это позволяет упростить технологию изготовления обмотки якоря.
МДС воздушного зазора с учетом зубчатости якоря
(2.18)
где 
магнитная проницаемость пустоты в системе СИ, Гн/м, m0 = 4p×10-7.
Иногда пазы делают и в полюсных наконечниках. В них размещается компенсационная обмотка. В этом случае рассчитывают также коэффициент зазора для полюсов. Аналогично учитывают увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора при наличии радиальных вентиляционных каналов, бандажных канавок, скоса пазов и т. д.
2.3. Магнитная характеристика машины
Определив МДС отдельных участков и всей цепи для различных значений основного магнитного потока или его индукции, можно построить зависимости 
или 
, которые отличаются друг от друга только масштабом по оси абсцисс. Такие зависимости называются кривыми намагничивания или магнитными характеристиками машины (рис.2.6, кривая 1).
Начальная, прямолинейная часть магнитной характеристики соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи, когда МДС ферромагнитных участков этой цепи весьма малы по сравнению с Fd . Поэтому если провести касательную 2 к начальной части кривой 1 (рис.2.6), то она представит зависимость 
.
Разность абсцисс кривой 1 и прямой 2 равна сумме МДС ферромагнитных участков магнитной цепи.
Степень насыщения магнитной цепи характеризуется коэффициентом насыщения
, (2.19)
который можно определить также по магнитной характеристике машины:
. (2.20)
Строить машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно, так как при этом материалы будут недоиспользованы и машина получится тяжелой. Нецелесообразно также выполнять машину с чрезвычайно насыщенной магнитной цепью, потому что в этом случае велико и необходимо выполнить мощную обмотку возбуждения с большим расходом меди и с большими потерями мощности на возбуждение. По этим причинам электрические машины изготавливают с умеренным насыщением магнитной цепи в номинальном режиме, а рабочая точка лежит несколько выше колена магнитной характеристики (около точки С на рис. 2.6). Обычно при номинальном магнитном потоке Кm = 1,2 – 1,35, а в некоторых случаях Кm = 1,7 – 2,0.
Тест для самопроверки СМ 1 раздел
1 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА МОЖЕТ РАБОТАТЬ:
а) только двигателем;
б) генератором, двигателем;
в) генераторами, двигателями, компенсаторами.
(Эталон: б).
2. НЕПОДВИЖНОЙ ЧАСТЬЮ МПТ НАЗЫВАЕТСЯ ____
(Эталон: индуктор).
3. ПОДВИЖНАЯ ЧАСТЬ МПТ - ЭТО ____
(Эталон: якорь).
4 НАЗНАЧЕНИЕ КОЛЛЕКТОРА МПТ ПРИ РАБОТЕ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА…
а) соединение обмотки возбуждения с сетью;
б) преобразование переменного тока в постоянный;
в) преобразование постоянного тока в переменный;
г) уменьшение искрения в узле токосъема;
д) соединение секций обмотки якоря между собой.
(Эталон: б).
5 СООТВЕТСТВИЕ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ЧАСТЕЙ МПТ:
¨ 1; а) станина;
¨ 2; б) якорь;
¨ 3; в) ротор;
¨ 4; г) главный полюс;
¨ 5. д) обмотка возбуждения;
е) дополнительный полюс;
ж) статор.
(Эталон: 1-а, 2-г, 3-д, 4-е, 5-б).
6 ЧАСТЬ МАГНИТОПРОВОДА МПТ, В КОТОРОЙ ПРОХОДИТ ГЛАВНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОТОК И ПОТОК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОЛЮСОВ – ЭТО….
(Эталон: станина)
7 ЧИСЛО ГЛАВНЫХ ПОЛЮСОВ ВСЕГДА…
а) дробное;
б) четное;
в) не четное.
(Эталон: б)
8 МОЩНОСТЬ, ЗАТРАЧИВАЕМАЯ НА ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРИМЕРНО СОСТАВЛЯЕТ ___ ОТ НОМИНАЛЬНОЙ.
а) 5%;
б) 15%;
в) 25%;
г) 40%.
(Эталон: а)
9 КОЛЛЕКТОР МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ИЗГОТАВЛИВАЮТ В ВИДЕ ….
а) сплошных колец;
б) медных изолированных пластин.
(Эталон: а)
Тест для самопроверки СМ раздел 2
1. ОСНОВНОЙ МАГНИТНЫЙ ПОТОК – ЭТО ПОТОК ….
а) полюса;
б) воздушного зазора;
в) рассеяния.
(Эталон: б)
2. ОСНОВНЫЕ УЧАСТКИ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА:
а) полюс;
б) ярмо;
в) воздушный зазор;
г) зубцы якоря;
д) зубцы статора;
е) спинка якоря.
(Эталон: а, б, в, г, е)
3. ФОРМА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ГЛАДКОГО ЯКОРЯ – ЭТО ….
а) синусоида;
б) гипербола;
в) приближенная к прямоугольнику.
(Эталон: в)
4. РАСЧЕТНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЮСНОЙ ДУГИ – ОТНОШЕНИЕ …
а) расчетной полюсной дуги к окружности;
б) ширины полюса к полюсному делению;
в) ширины полюса к окружности;
г) расчетной полюсной дуги к полюсному делению.
(Эталон: г)
5. ВЫРАЖЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ МДС ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА С УЧЕТОМ ЗУБЧАТОСТИ ЯКОРЯ:
а) 
;
б) 
;
в) 
;
г) 
.
(Эталон: б)
6. НЕДОСТАТКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИНЫ С НЕНАСЫЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПЬЮ:
а) мощная обмотка возбуждения;
б) большие потери мощности на возбуждения;
в) утяжеление конструкции машины.
(Эталон: в)
7. СООТВЕТСТВИЕ УЧАСТКОВ КРИВОЙ И НАСЫЩЕНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ:
¨ 1. 1; а) перенасыщение;
¨ 2. 2; б) не насыщение;
¨ 3. 3. в) насыщение.
(Эталон: 1-б, 2-в, 3-а)
