Презентация на тему Принцип действия машины постоянного тока

можно показать на примере модели, состоящей из одного витка

обмотки якоря с коллекторными пластинами, помещенного в поле постоянного магнита.

Рис.5.5а

Рис.5.5б

Рис.5.5в

вращение внешним моментом с угловой скоростью, к щеткам подключен

приемник электрической энергии – сопротивление нагрузки. Щетки расположены на коллекторе таким образом, чтобы их переход с одной коллекторной пластины на другую происходил в тот момент, когда виток проходит положение геометрической нейтрали. При вращении витка в каждом его проводнике в результате электромагнитной индукции появляется ЭДС вращения , направление которой может быть определено по мнемоническому правилу правой руки, а значение – по формуле
e = Blv    ( 5.1 )

l– активная длина проводника ( находящегося в магнитном поле

); v – линейная скорость проводника.    Как видно из (5.1), характер изменения ЭДС во времени при постоянной угловой скорости целиком определяется законом распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. При законе, близком к синусоидальному (рис.5.5.б), ЭДС витка также будет переменной и изменяться по аналогичному закону с частотой ƒ=αPм/2 π . Каждая из щеток соприкасается только с той коллекторной пластиной и соответственно с тем проводником, который находится под полюсом определенной полярности. При переходе в зону противоположного полюса проводник подключается к противоположной щетке (катушка переходит из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую ). Поэтому полярность щеток в пределах оборота не меняется и происходит выпрямление переменной ЭДС витка в постоянное по знаку пульсирующее напряжение U на щетках. На сопротивлении выделяется электрическая энергия постоянного тока.    В реальной обмотке якоря с большим количеством катушек пульсация значительно сглаживается за счет последовательного соединения катушек, в каждой из которых создается пульсирующее напряжение, сдвинутое по фазе относительно остальных. Пульсация тем меньше, чем больше число катушек. На рис. 5.5в в качестве примера показаны временные диаграммы выходного напряжения каждой из катушек и обмотки в целом U при числе катушек в ветви, равном 3.    При замкнутой внешней цепи по катушке протекает ток (рис. 5.5а), направление которого совпадает с направлением ЭДС. Направление электромагнитных сил , действующих на проводники с током, определяется законом Ампера (мнемоническое правило левой руки). Как видно, электромагнитный момент , создаваемый силами ,направлен навстречу , т.е. происходит потребление механической энергии от внешнего источника.

U от источника постоянного тока, по катушке протекает ток

и потребляется электрическая энергия от источника. На проводники с током действуют электромагнитные силы, значение которых определяется законом Ампера:
f эм =Bil   (5.2 )
Силы создают электромагнитный момент, и виток начинает поворачиваться. При переходе проводников из зоны одного полюса в зону другого полюса коллектор со щетками изменяет направление тока в витке (рис. 5.6б ). Одновременное изменение знака индукции и направления тока обеспечивает неизменность направления вращающего момента в пределах оборота. На валу якоря появляется механическая энергия, которая может быть передана внешнему устройству.

одной катушкой, пульсирует в пределах оборота. В реальной машине

моменты отдельных катушек суммируются и результирующий момент практически не зависит от углового положения ротора; чем больше катушек якоря, тем меньше пульсация момента. На рис. 5.6, в в качестве примера показаны временные диаграммы момента каждой из катушек mки обмотки в целом mэмпри числе катушек в ветви, равном 3.    В проводниках вращающегося витка находится ЭДС е; направление этой ЭДС, определяемое по правилу Ленца, противоположно направлению тока, что характерно для режима потребления электрической энергии.

при холостом ходе машины ( ток якоря равен нулю

). Примем, что шаг катушек диаметральный, щетки установлены на геометрической нейтрали, число полюсов 2рм, число параллельных ветвей 2а, число проводников обмотки N. Магнитная индукция поля возбуждения распределена в воздушном зазоре по закону, близкому к криволинейной трапеции (рис. 5.7).

потока Ф под полюсом сохраняется неизменным:
BCP= Ф /τl   ( 5.3

)
Тогда в соответствии с ( 5.1 ) ЭДС одного проводника
eCP=BCP·lν   ( 5.4 )
а ЭДС параллельной ветви и якоря
EЯ= eCP·N /2a   ( 5.5 )
Преобразуя ( 5.5 ) с учетом ( 5.4 ) и ( 5.3 ), получим
EЯ = кωФ   ( 5.6 ) где - конструктивный коэффициент машины.
 Как видно, ЭДС якоря прямо пропорциональна основному магнитному потоку и угловой скорости якоря.

Рис.5.7

на проводник обмотки якоря с током, определяется на основании

( 5.2 ) и ( 5.3 ):
Fэм= BCP · il = Фi /τ.    ( 5.7 )
Ток проводника может быть выражен через результирующий ток якоря :
i = Iя /2a.    ( 5.8 )
Электромагнитный момент ( среднее значение ), создаваемый силами, действующими на все проводники якоря,
Mэм= NFэмD /2.    ( 5.9 )
Преобразуя ( 5.9 ) с учетом ( 5.7 ) и ( 5.8 ), получаем
Mэм= кФIя.    ( 5.10 )

это совокупность участков, по которым проходит магнитный поток возбуждения.

В магнитной цепи можно выделить две группы участков, существенно отличающихся по магнитным свойствам: воздушные зазоры и участки из ферромагнитного материала, например стали (полюса, якорь, ярмо ). МДС, необходимая для проведения потока по каждому из участков, Fi= ФвRmi, где Rmi - магнитное сопротивление i-го участка. Значение сопротивления зависит от магнитной проницаемости μ, длины l и сечения S участка: Rmi= li /μiSi. Результирующая МДС возбуждения, необходимая для проведения потока по всей цепи, .     Характеристики электрических машин существенно зависят от параметров воздушного зазора, в частности, от его высоты и равномерности. Объясняется это тем, что магнитная проницаемость воздуха на 3 – 4 порядка меньше, чем стали, и на преодоление магнитного сопротивления воздушного зазора в машине с ненасыщенным магнитопроводом тратится основная часть результирующей МДС . Распределение индукции вдоль окружности машины, зависящее от равномерности зазора, определяет форму кривой ЭДС и тока в обмотке якоря.

f(Fв) (рис. 5.8), определяющая закон изменения потока возбуждения при

изменении тока возбуждения (МДС) обмотки главных полюсов. На этой кривой можно условно выделить три участка. Участок 1 линейный, т.к. поток мал, сталь не насыщена, её магнитное сопротивление невелико и практически вся МДС тратится на преодоление воздушных зазоров с постоянной магнитной проницаемостью. С ростом Фв магнитопровод начинает постепенно насыщаться, магнитная проницаемость стали уменьшается, а магнитное сопротивление увеличивается по нелинейному закону. Темп роста замедляется и появляется нелинейный участок 2 (колено). На участке 3 происходит полное насыщение магнитопровода, и поток Фв практически не возрастает.

машины создается МДС обмотки возбуждения главных полюсов и распределяется

в пределах полюсного деления симметрично относительно продольной оси машины (график индукции В на рис. 5.7). При нагрузке по обмотке якоря течет ток , создающий МДС и поток якоря. Воздействие МДС якоря на результирующее магнитное поле машины называется реакцией якоря.





Рис.5.9
Рассмотрим явление реакции якоря в машине с щетками, установленными на геометрической нейтрали ГН (рис. 5.9,а). Поскольку обмотки якоря разбиваются на параллельные ветви с одинаковым направлением тока щетками, направление результирующего потока якоря совпадает с линией щеток. В данном случае поток якоря направлен по линии геометрической нейтрали, т.е. по поперечной оси машины; такая реакция якоря называется поперечной. Так как в межполюсном пространстве в области геометрической нейтрали воздушный зазор значительно больше, чем под полюсами, то на внешнем для якоря участке поток замыкается через сердечники главных полюсов. При этом под одним краем полюса поток направлен встречно потоку возбуждения , под другим – согласно. Происходит искажение распределения магнитного поля под полюсом: под одним краем полюса индукция уменьшается, под другим – увеличивается.

и физическая нейтраль – линия, соединяющая точки окружности якоря

с нулевой индукцией, - сдвигается относительно геометрической. В машине с ненасыщенной магнитной системой уменьшение потока под одним краем полюса компенсируется увеличением под другим, и результирующий поток машины Ф остается равным потоку . В машине с насыщенной магнитной системой уменьшение потока под одним краем полюса не может быть скомпенсировано увеличением под другим и результирующий поток несколько уменьшается.     В некоторых машинах щетки специально или в результате технологических погрешностей оказываются сдвинутыми с геометрической нейтрали (рис. 5.9,б). При этом поток якоря имеет две составляющие: поперечную и продольную . Воздействие поперечной составляющей потока якоря уже было рассмотрено. Продольная составляющая в зависимости от направления тока в якоре является либо размагничивающей, либо подмагничивающей.     Реакция якоря может вызвать некоторые отрицательные явления в работе машины. Появление потока на геометрической нейтрали приводит, как будет показано ниже, к усилению искрения под щетками. Изменение результирующего потока машины в зависимости от значения тока якоря отрицательно сказывается на ряде выходных характеристик машин.

времени в одной из параллельных ветвей ток течет по

катушкам от начала к концу, то в другой – от конца к началу (рис. 5.4). Поскольку катушки вращаются с ротором, они по очереди переходят из одной параллельной ветви в другую. Направление тока в катушке меняется при этом на противоположное; изменение направления тока происходит в тот момент, когда катушка оказывается замкнутой накоротко через щетки. Процесс перехода катушки, замкнутой накоротко щетками, из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую, сопровождающийся изменением направления тока в катушке, называется коммутацией.     Внешним проявлением неудовлетворительного протекания процесса коммутации служит искрение в скользящем контакте коллектор – щетки. Если искрение превосходит допустимые пределы (при плохой коммутации), то происходит ускоренный износ коллектора и щеток, снижается надежность машины. При определенных условиях искрение может привести к образованию электрической дуги на коллекторе и его разрушению. Искрение создает радиопомехи и ограничивает применение машин во взрывоопасных условиях.    Коммутация катушки происходит в течение времени перехода щетки с одной коллекторной пластины на другую; направление тока катушки меняется при этом на противоположное ( катушка ас, рис. 5.10,а, б, в ). В течение отрезка времени, называемого периодом коммутации , катушка замкнута щетками накоротко (рис. 5.10, б) и по ней протекает ток . Если бы в коммутирующей катушке не наводились ЭДС, то под набегающим краем щетки ток возрастал бы по линейному закону от 0 до 2i, а под сбегающим – убывал по линейному закону от 2i до 0. Следовательно, замыкание коммутирующей катушки под набегающим краем ветки и размыкание под сбегающим происходили бы без тока. Такая линейная коммутация является оптимальным вариантом коммутации, обеспечивающим при правильном выборе средней плотности тока под щетками отсутствие искрения в скользящем контакте.