Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Машины постоянного тока: что это?

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

1. индуктор: неподвижная часть;
2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

• Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
• Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
• Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
• Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
• Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

• К первым относят магнитные, электрические и механические.
• Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
• Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
• Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
• Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

• Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
• КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
• Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

• Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
• Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
• Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

В двигателях с параллельным возбуждением на индуктор подается то же напряжение и от того же источника питания, что и на якорь.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

• при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой ниже 25% номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим: частота вращения окажется чересчур высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

10.8. Единые серии машин постоянного тока

В настоящее время основными сериями машин общего назначения являются серии 2П— мощностью от 0,37 до 200 кВт и П2 — мощностью от 315

до 10 МВт. Выпускаются также серии генераторов и двигателей специального назначения: крановые, тяговые, судовые, для привода прокатных станов и т. д.

Выпускаемые двигатели должны соответствовать паспортным данным. Они проходят специальные испытания:

измерение сопротивления обмоток при постоянном токе; сопротивление не должно отличаться более чем на ±10% от номинального;

измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками;

испытание изоляции обмоток относительно корпуса и между обмоток повышенным напряжением — обычно испытательное напряжение (Уисп=2(/Ном+ + 1000 В;

испытание при повышенной частоте вращения, которая должна быть на 20% больше максимальной, указанной в паспорте, или на 20% больше номинальной, если максимальная частота вращения не указана; исключение составляют двигатели с последовательным возбуждением, испытательная частота вращения которых должка не менее чем на 50% превышать номинальную (если максимальная не указана);

проверка номинальных данных машины: частоты вращения, напряжения холостого хода и т. д.;

проверка коммутации при номинальной нагрузке и при кратковременной перегрузке по току в 1,5 раза в течение 1 мин.

Могут проводиться и дополнительные испытания, которые предусмотрены ГОСТом и

специальными техническими условиями.

Единая серия

2П. Она охватывает двигатели в диапазоне мощностей 0,37… 200 кВт при высотах оси вращения 90… 315 мм. Высоты вращения, установочные и присоединительные размеры соответствуют рекомендациям МЭК.

Двигатели серии 2П являются низковольтными: номинальные напряжения

якоря ПО, 220, 340 и 440 В. Все двигатели имеют независимое возбуждение с номинальным напряжением ПО или 220 В.

Все двигатели имеют компенсационную обмотку, применение которой позволяет уменьшить габариты и получить машины с хорошей коммутацией и не склонные к возникновению кругового огня.

Станина имеет цилиндрическую форму с вырезанными окнами для выхода охлаждающего воздуха со стороны свободного конца вала и для обслуживания коллектора и щеточного аппарата — с другой стороны. Станины двигателей малых габаритов (с высотой оси вращения до 200 мм) изготовляются из стальных стандартных бесшовных труб. Станина двигателей больших габаритов — из толстолистовой стали методом вальцовки с последующей сваркой.

Подшипниковые щиты плоские, литые из чугуна, с ребрами жесткости. Для двигателей малых габаритов (с высотой оси вращения до 100 мм), они изготавливаются и из алюминиевого сплава.

Подшипники со стороны коллектора применены шариковые средней серии, упорные. Со стороны привода в двигателях больших габаритов ставятся роликовые подшипники, при малых габаритах — шариковые.

Сердечник якоря набирается из штампованных листов холоднокатаной изотропной стали толщиной 0,5 мм.

Обмотка якоря двигателей с высотой оси вращения до 200 мм — всыпная, укладывается в полузакрытые пазы. Обмотка якоря двигателей больших габаритов — катушечная, из прямоугольного провода, укладывается в открытые пазы. Изоляция провода ПЭТВ. Корпусная изоляция из композиционного материала на основе слюдопласта, типа «простынка».

Двигатели серии 2П выпускают в защищенном (1Р22) или закрытом (1Р44) исполнении.

Третья буква в обозначении марки машины (вначале пишется 2П) указывает на вид защиты и вентиляции.

Защищенные машины выполняются с самовентиляцией (буква Н) или с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (буква Ф).

При частоте вращения га=1500 об/мин двигатели одного габарита имеют примерно одинаковую мощность. При меньшей частоте вращения двигатели с самовентиляцией (Н) имеют меньшую мощность, чем двигатели с независимой вентиляцией (Ф), так как при малых скоростях эффективность встроенного в двигатель вентилятора уменьшается. При п>1500 об/мин мощность больше у двигателей с самовентиляцией; при га=3000 об/мин эта разница в мощностях составляет примерно 30%. Достоинством двигателей с независимой вентиляцией является то, что они допускают работу при малых скоростях без снижения вращающего момента (т. е. тока якоря и возбуждения).

Стоимость двигателя 2ПФ больше, чем двигателя 2ПН того же типоразмера (с одинаковыми высотой оси вращения и длиной), на 8%- Примерно на 8… 12% больше и масса двигателя.

Закрытые двигатели с естественным охлаждением 2ПБ имеют мощность в 1,5… 3,0 раза меньшую, чем двигатели 2ПН того же типоразмера, так как условия охлаждения обмоток в закрытых двигателях значительно хуже, чем в защищенных. Стоимость двигателей 2ПБ на 10% выше, чем у 2ПН.

Закрытые двигатели с наружным обдувом от постороннего вентилятора 2ПО имеют мощность примерно в 1,5 раза большую, чем двигатели 2ПБ одинакового типоразмера. Стоимость двигателей 2ПО на 18% выше, чем у двигателей 2ПН, масса примерно на 10% больше. При одной и той же высоте оси вращения двигатели выпускаются одного диаметра якоря и статора, но с якорями двух разных длин и, естественно, с разными мощностями.

Характер зависимости мощности двигателей от частоты вращения и высоты оси вращения показан на рис. 10.19. При одной и той же высоте оси вращения мощность пропорциональна скорости вращения, т. е. определяется вращающим моментом. Следовательно, в данной серии масса машины определяется высотой оси вращения (рис. 10.19 кривая 1).

На том же рисунке (кривая
2)
показана цена машины
Ц,
прямо зависящая от массы
М.
Отношение
Ц/М=6,0 …
2,5 руб/кг. Меньшие значения
ЩМ
соответствуют большей высоте оси вращения, т. е. большей мощности двигателя. Тем самым еще раз доказывается, что
эконо-
Рис. 10.18. Зависимость массы и цены машины серии 2П от высоты оси вращения

Рис. 10.19. Зависимость номинальной мощности машины серии 2П от высоты оси вращения

мически целесообразно применять одну крупную машину вместо нескольких машин той же суммарной мощности.

Стандартные величины высоты оси вращения для машин серии 2П: 90,
112,
132, 160, 180, 200, 215, 250, 280 и 315 мм. Значения мощности, массы и цены соответствующих двигателей (при длине
L)
показаны на графиках рис. 10.18 и 10.19 звездочками.

Серия 4П.

Разработана и внедряется новая серия 4П с широким диапазоном регулирования скорости.

Магнитопровод в поперечном сечении имеет форму многогранника, что дает возможность более компактно разместить главные и добавочные полюсы и их обмотки, чем в машине с круглой станиной. Благодаря этому многогранная машина имеет мощность на 15 … 20% большую, чем машина с круглой станиной тех же габаритов, так как при той же высоте вращения диаметр якоря больше.

Для увеличения мощности в двигателях серии 4П при заданной высоте оси вращения длина якоря больше, чем в двигателях серии 2П.

Изоляция обмоток якоря и статора имеет нагревостойкость классов Н и F.

Улучшено охлаждение, особенно статора.

Применена компенсационная обмотка и полностью расслоенный магнитопровод статора для повышения диапазона регулирования скорости путем ослабления магнитного поля и чтобы обеспечить удовлетворительную коммутацию при переходных процессах.

Все перечисленные улучшения привели к тому, что при одной и той же высоте оси вращения двигатели серии 4П имеют мощность, в 1,5… 2,0 раза большую, чем двигатели серии 2П.

Серия ПИ.

В настоящее время в рамках международной организации по научно-техническому и экономическому сотрудничеству Интерэлектро разрабатывается унифицированная серия двигателей постоянного тока ПИ. В разработке двигателей этой серии участвуют НРБ, ВНР, ПНР, СРР, СССР, ЧССР и СФРЮ.

При разработке этой серии должна быть обеспечена унификация главных выходных параметров двигателей, их характеристик, установочно-присоедини-тельных размеров.

В рамках серии ПИ установлены единые требования к технико-экономическим параметрам, а также к системам защиты, индикаторных устройств и т. д Рекомендации МЭК являются обязательными.

В то же время не ставится задача создания однозначной конструкции деталей и сборочных единиц. Конкретные решения по конструкции двигателей унифицированной серии ПИ могут приниматься странами индивидуально, в зависимости от специфики их технико-экономических условий

Серия ПИ включает в себя двигатели постоянного тока с высотами оси вращения от 71 до 355 мм, с тремя длинами в габарите

Диапазон номинальных мощностей при га = 1500 об/мин от 0,25 до 250 кВт.

Двигатели четырехполюсные, с шихтованным статором Изоляция нагрево-стойкости класса F Возбуждение электромагнитное, независимое

Двигатели серии ПИ предназначены для питания от полупроводниковых преобразователей при коэффициенте пульсации тока якоря не более 15%

Диапазон регулирования частоты вращения путем ослабления поля (уменьшением тока возбуждения) у двигателей с компенсационной обмоткой — до 1 5, причем мощность сохраняется постоянной в диапазоне 1 3

У двигателей без компенсационной обмотки диапазон 1 2

Двигатели выдерживают нагрузку двукратным током в течение 15 с и скорости изменения тока якоря при переходных режимах до 200 1т„/с

Основные данные двигателей серии ПИ при /1=1500 об/мин приведены в табл 10 1

Таблица 10 1

Серия Д. Металлургические и крановые двигатели постоянного тока мощностью 2,5… 185 кВт предназначены для работы в подъемно транспортных механизмах и электроприводе металлургических агрегатов в условиях повышенной влажности, запыленности и вибрации

Двигатели мощностью 2,5 37 кВт выполняются с цилиндрической неразъемной станиной При мощности 55 кВт и выше станина делается граненой разъемной, что позволяет извлекать для ремонта якорь, не снимая двигателя с механизма, в который он встроен Это ускоряет и удешевляет ремонт

Двигатели серии Д изготавливаются на напряжения 220 и 440 В, они четырехполюсные, изоляция нагревостойкости класса Н

Компенсационной обмотки двигатели не имеют.

Основные данные двигателей серии Д приведены в табл. 10 2

Серия П2. Двигатели этой серии имеют мощность от 315 до 10 000 кВт. Они выполняются закрытыми с принудительной вентиляцией Эта серия менее распространена, наряду с ней выпускаются в большом количестве специализированные машины большой мощности

Двигатели для приводов прокатных станов. Выпускаются специальные двигатели мощностью до 10 000 кВт в одноякорном исполнении и до 16 000 кВт — в двухъякорном Это закрытые машины с принудительной вентиляцией, напряжение на якоре — 600 и 930 В, возбуждение независимое

Балансирные машины (МПБ) Предназначены для испытания других электрических машин, для них характерен широкий диапазон изменения скорости Они работают в качестве тормозного генератора или приводного двигателя Имеют тахогенератор и устройство для измерения момента

Таблица 10.2

Содержание Предыдущий § Следующий