Электрические машины постоянного тока

Введение

Электрическая машина - электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.
В электрической машине постоянного тока (МПТ) осуществляется преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию (двигатель постоянного тока), или наоборот (генератор постоянного тока).
Актуальность темы реферата заключается в том, что электрическая энергия обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами энергии. Это определяет ее повсеместное использование. Одно из основных преимуществ – возможность эффективного преобразования в механическую энергию, а также возможность преобразования механической энергии в электрическую. Это осуществляется посредством электромеханических преобразователей, среди которых наиболее важное место занимают электрические машины.
Цель работы – более полное изучение электрических машин постоянного тока.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть основные понятия об электрических машинах, конструкции машин постоянного тока, их принцип работы, способы возбуждения, электромагнитный момент машин постоянного тока, потери мощности в машине, а также применение изучаемых электрических машин и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из шести источников литературы.
1. Основные понятия об электрических машинах
Электрические машины – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.
В первом случае такая электрическая машина называется электрическим двигателем, во втором – генератором электроэнергии (Рисунок 1.1).1
Рисунок 1.1 - Преобразование энергии в электрической машине
Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает, что одна и та же машина может работать как электродвигателем, так и генератором. Если вращать вал электрической машины, то на зажимах ее электрической обмотки создается разность электрических потенциалов, а при подключенном электроприемнике возникает электрический ток. Таким образом эта машина преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. является генератором электроэнергии. С другой стороны, если электрическую обмотку этой машины подключить к источнику электроэнергии, то в результате происходящих в ней процессов создается электромагнитный вращающий момент, под действием которого вал машины вращается и вращает приводной механизм. В этом случае машина преобразует электрическую энергию в механическую, т.е. является электрическим двигателем.
В основе работы электрических машин лежат проявления магнитного поля. В частности электромагнитный вращающий момент возникает при взаимо- действии магнитного поля, создаваемого в электрической машине, с электрической обмоткой, в которой замыкается ток (силовое действие магнитного поля). При работе электрической машины ее обмотки перемещаются относительно магнитного поля. При этом в обмотках индуцируется ЭДС (индукционное действие магнитного поля).
Таким образом, в основе конструкции электрических машин лежит магнитная цепь, в которой формируется магнитное поле определенной интенсивности и необходимым образом распределенное в пространстве.
Характер магнитного поля, создаваемого в электрической машине, может быть разным. Магнитное поле может быть постоянным, создаваться постоянным магнитом или электрической обмоткой с постоянным током. Магнитное поле может быть переменным, создаваться неподвижной электрической обмоткой с переменным током, либо обмоткой с постоянным током, расположенной на вращающейся части электрической машины. Ток в электрической обмотке, которая взаимодействует с магнитным полем, также может быть постоянным либо переменным. В зависимости от характера магнитного поля, конфигурации магнитопровода магнитной цепи машины, характера электрического тока в ее обмотках все электрические машины можно разделить на типы:
• Электрические машины постоянного тока;
• Асинхронные электрические машины;
• Синхронные электрические машины;
• Специальные электрические машины.
В следующей главе будет рассмотрены электрические машины постоянного тока.
2. Электрические машины постоянного тока
2.1 Конструкция машин постоянного тока
На Рисунке 2.1 показа типичная конструкция машины постоянного тока общепромышленного применения.
Рисунок 2.1 - Конструкция электрической машины постоянного тока.
1-станина; 2-полюс; 3-обмотка возбуждения; 4-дополнительный полюс; 5-якорь; 6-обмотка якоря; 7-коллектор; 8-обмотка дополнительных полюсов; 9-щетки; 11-щеткодержатель; 12-подшипниковый щит; 13-подшипник; 14-вал; 15-вентилятор; 16-рым-болт; 17-клеммная коробка
Основными частями машины постоянного тока являются статор и ротор

. Статор – неподвижная часть машины, ротор – вращающаяся. Схематичное изображение машины постоянного тока показано на Рисунке 2.2. Статор состоит из станины 1, представляющий собой стальной полый цилиндр, являющейся механическим остовом машины и одновременно служащей частью магнитопровода. К внутренней поверхности станины крепятся главные полюсы 2 с обмоткой возбуждения (ОВ) 3 Катушки обмотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, включаются так, чтобы северные и южные полюсы чередовались. Между главными полюсами могут располагаться дополнительные полюсы 4, служащие для улучшения характеристик машины. Обмотка дополнительных полюсов включается в цепь ротора (якоря) МПТ. 2
Рисунок 2.2 - Электрическая машина постоянного тока
Ротор машины постоянного тока называется якорем. Якорь 5 (Рисунок 2.2) представляет из себя цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности якоря имеются продольные пазы с уложенной в них обмоткой якоря (ОЯ) 6. Якорь помещается внутри статора и отделен от него небольшим воздушным зазором. Станина, полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь, по которой замыкается магнитный поток машины. На Рисунке 2.2 показаны две силовые линии магнитного поля. Для соединения обмотки вращающегося якоря с внешней электрической цепью и коммутации тока якоря служит щеточно-коллекторный узел 7. Как показано на Рисунке 2.3, цилиндрический коллектор состоит из отдельных медных коллекторных пластин 1, изолированных друг от друга. Каждая пластина коллектора соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Коллектор крепится на валу машины и вращается вместе с якорем.
Рисунок 2.3 - Коллектор машины постоянного тока
Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей показано на Рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей
2.2 Принцип действия двигателя постоянного тока
Схема включения двигателя постоянного тока показана на Рисунке 2.5. Здесь РМ – рабочий механизм, приводимый в движение электрическим двигателем.
Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к источнику постоянного напряжения Uв. Постоянный ток обмотки возбуждения Iв создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным на Рисунке 2.2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря двигателя постоянного тока.3
Рисунок 2.5 - Схема включения двигателя постоянного тока
Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря Iя. Через скользящий щеточный контакт ток якоря подается в его обмотку таким образом, что его направление в проводниках, расположенных в зоне одного полюса, оказывается всегда постоянным (под северным полюсом – одного направления, под южным – другого). В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила. Направление действия силы определяется правилом левой руки.
На Рисунке 2.6 схематично показана верхняя часть якоря, находящаяся в магнитном поле возбуждения под северным полюсом. Обмотка якоря упрощенно представлена несколькими проводниками круглого сечения.
Рисунок 2.6 - Принцип действия двигателя постоянного тока
Направление тока в проводниках обмотки якоря определяется полярностью подключения ее к источнику постоянного напряжения. На Рисунке 2.6 ток обмотки якоря обозначен крестиком, что соответствует направлению за плоскость рисунка. Направление магнитного потока определяется направлением тока в обмотке возбуждения (полярностью подключения обмотки возбуждения).
При указанных на Рисунке 2.6 направлениях магнитного потока возбуждения и тока якоря на проводники обмотки якоря действует электромагнитная сила, направленная влево. Силы, действующие на каждый проводник обмотки якоря, складываются и создают электромагнитный вращающий момент МЭМ, приводящий якорь во вращение с частотой вращения n. При этом якорь, вращая рабочий механизм, совершает механическую работу. Таким образом, энергия электрического тока, подведенная к двигателю, преобразуется в механическую энергию.
Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменит полярность подключения обмотки якоря или обмотки возбуждения.
При вращении якоря ДПТ проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле возбуждения. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. В двигателе эта ЭДС направлена противоположно току и напряжению якоря (Рисунок 2.6) и компенсирует приложенное напряжение.
2.3 Способы возбуждения машин постоянного тока
Важным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, от которого зависят все основные характеристики как двигателей, так и генераторов