DC електрически машини: предназначение, дизайн, устройство и принцип на работа

машини постоянен ток (MPT) е общ термин, който комбинира генератори (GPT) и двигатели (DPT). Като правило, когато става дума за МАТ, те означават биполярни машини, които имат редуващи се "северни" и "южни" магнитни полюси и механично или електронно табло на тока на въртящата се арматура с една единствена пръстена (за разлика от униполярните машини). Ние също така ще се придържаме към този принцип.

Класификация на MAT

В електротехниката и теорията на електрическите машини е обичайно MPT да се разделя на устройства с явни и неявно изразени възбуждащи полюси с цилиндрично или многостранно легло, с възбуждане чрез постоянен или постоянен магнит, с механичен комутационен колектор, закотвен или безконтактен. Назначаването на DC машини ги разделя на общопромишлени и специализирани. Сред последните могат да се нарекат, например, тяговите DPT, използвани в железопътния транспорт. Съществуват и металургични ДПТ, по-специално двигатели за валцовъчни машини и др.

Както е известно, DC намотките са разделени на полеви намотки (OM) и арматура (OH). Първият служи за възбуждане на магнитното поле на устройството, а второто - за захранване от захранващата мрежа в режим на двигателя или за захранване на електрическия товар в режим генератор. Има и намотки на допълнителни полюси, използвани за улесняване на процеса на превключване.

Електрическите машини за постоянен ток, независимо дали са генератори или двигатели, могат да бъдат класифицирани въз основа на диаграмите на свързване на техните възбудителни и котвени намотки. Те могат да представляват единична електрическа верига или изобщо да нямат никаква електрическа връзка (независимо възбуждане). Този принцип на класификация разделя МАТ на два основни типа. Ще разберете по-нататъшното им класифициране от диаграмата по-долу.

DC машинно устройство

GPT може да се използва като DPT без никакви промени в дизайна. Разбира се, индустрията произвежда машини, предназначени да работят като двигатели и машини, които са генератори. Разликите между тях обаче се състоят в изграждането на отделни части, а на етапа на общо запознаване може да се пренебрегне. Следователно, ние ще разгледаме допълнително устройството на DC машина като цяло, без позоваване на режима на неговата работа.

Фигурата по-долу показва напречно сечение на обикновен МРТ с два чифта различни полюси. Конструкцията му се състои от две основни части: статора и котвата. Помислете от какви части се състоят.

Статорът съдържа рамка, както и главните и допълнителните полюси между тях (не са показани на фигурата).

Леглото е външно конструктивно покритие на МРТ. Тя може да бъде формована от чугун (на машини от стари конструкции) или заварена от дебели стоманени листове. Леглото механично здраво задържа цялата конструкция на МРТ. В допълнение, той служи като магнитен проводник за магнитния поток, произвеждан от главните полюси.

Последните са прикрепени към рамката с винтове или заваряване. Тяхната основна цел е да пренесат намотките на намотката за възбуждане и да се свържат последователно една с друга по такъв начин, че магнитната полярност на полюсите да се редува, т.е. след "северния" полюс да следва "юг" и т.н.

Върховете (обувките), които са удължение на основните полюси, служат на две цели: да предпазят от плъзгане на рулоните и равномерно разпределят полето на възбуждане по по-голямата част от обиколката на въздушната междина.

Котвата на DC машината се състои от сърцевина с намотка, ръкав и вал. Сърцевината е стоманена рамка с цилиндрична форма, изработена от тънки стоманени листове, покрити от двете страни с изолиращ лак. Това се прави, за да се предотврати появата на вихрови токове, които се стремят да се затворят в дебелината на сърцевината. В своите канали са положени участъци от веригата или вълновата намотка на котвата, колектора на DC машината и четките. Намотката на котвата трябва да бъде свързана към външно DC захранване. Но не можете директно да свържете навиващите щифтове към мрежовия вход, защото се върти. Следователно, между мрежата и намотката на котвата е монтиран превключвател-колектор, който е комплект от медни плочи, изолирани един от друг, образувайки външна цилиндрична повърхност, разделена от изолиращи пътеки. Фиксираните контактни четки се плъзгат по него, когато котвата с колектора се върти. Така фиксираните четки физически влизат в контакт с въртящата се намотка на котвата и с тяхна помощ вече можете да се свържете към външната мрежа на DC машината.

Разработване на структури на МТС

Първият индустриален дизайн MPT се появи през 70-те години. 19 век Първоначално те имаха пръстено котва с тороидална (Грам) намотка. След изобретяването на барабанната котва те придобиха завършен вид, приблизително съответстващ на горната фигура. Въпреки това, проектирането на DC машини през втората половина на 20-ти век. е претърпял доста драматични промени. Преди всичко те докоснаха статора. Вместо ясно изразените основни полюси, те започнаха да използват имплицитна конструкция на полюсите. В него, концентрираната възбуждаща бобина на всеки главен полюс беше заменена с малко по-малки намотки, разположени в процепите на ламинирания статор, която има правоъгълна или многостранна форма, както е показано на фигурата по-долу. В същите жлебове на статора се поставя и компенсационната намотка, която ще бъде обсъдена по-късно. В резултат на това проектирането на DC машини стана много по-лесно.

Във връзка с разработването на контролирано асинхронно електрическо задвижване, някои експерти изразяват мнение относно предстоящото преместване асинхронни двигатели ДПТ от техните традиционни приложения, като например теглително задвижване или задвижване на металургични механизми. Въпреки това е твърде рано да се говори за това като свършен факт.

Общият принцип на формиране на намотката на котвата

Всяка от котвените намотки е непрекъсната електрическа верига, затворена сама по себе си, състояща се от последователно свързани секции (бобини). В най-простия случай, един участък може да представлява само един завой с два проводника със слот или може да бъде многооборотен. Страните на отвора на участъка винаги са разделени от разстояние, малко по-малко от делението на полюса - частта от обиколката на котвата, падаща върху един главен полюс. Следователно, във всяка от секциите те винаги са под основните полюси с противоположна полярност. В един затворен кръг секциите са свързани към колекторните плочи. Начинът, по който тази връзка определя вида на намотката. Фигурата по-долу обяснява принципа на формиране на котвената намотка на DC машина от шест многооборотни секции, свързани към колекторни плочи.

В позицията, показана на фигурата, четките разделят котвената намотка на две паралелни клони: горната, която се състои от секции L1 _, L2, L3 и долната, състояща се от секции L4 _, L5, L6. Броят на тези разклонения зависи от вида на намотката на котвата, но винаги е равен и не може да бъде по-малък от два.

Намотки на контурната и вълновата арматура

Това са двата основни вида намотки, всяка от които има няколко разновидности. Ще разгледаме най-простите им възможности. Фигурата в ляво по-долу показва формата на секциите, които съставляват простата намотка на контура на машините с постоянен ток. Както можете да видите, една и съща форма на участъците е характерна за вълновата намотка.

В първия вариант един (начален, стартов) изход на всяка двойна завойна част е свързан към i-тата колекторна плоча, а вторият (краен, краен) изход е свързан към съседната (i + 1) -та колекторна плоча с първоначалния изход на следващия раздел (виж фигурата) по-горе). По този начин заключенията на всяка секция са прикрепени към две съседни плочи, а самата секция, състояща се от два канала и две челни части, е оформена като примка (оттук и името на намотката).

Секцията на вълновата намотка има заключения, свързани не към съседните колекторни плочи, а към тези, разделени от определена стъпка, наречена стъпка на намотката по дължината на колектора. За проста намотка на бримката, yk = 1, а за проста вълнова намотка, yk = (K ± 1) / p, където K е броят на колекторните плочи, p е броят на двойките главни полюси. Както може да се види от фигурата, в резултат на този метод на съединяване, участъците придобиват форма, подобна на половин вълната на синусова вълна, която причинява името на намотката.

Принципът на работа в режим генератор

Според оригиналната интерпретация на явлението електромагнитна индукция в движещ се проводник, даден от Фарадей, когато пресича линиите на магнитното поле по време на движение, в него се предизвиква ЕМП. Следвайки този принцип, е възможно да се обясни причината за насочването на ЕМП в активните проводници (тези, които са положени в жлебовете) на намотката на котвата MPT. Всъщност те се движат под главните стълбове, пресичайки линиите на полето. Тъй като последните са непрекъснати, всеки проводник на котвата, независимо дали е разположен на неговата повърхност (както беше в първите конструкции на МРТ) или в процепите, преминаващи под полюса, ще пресичат всички линии на полето, излизащи от върха му. Посоката на действие, предизвикана в ЕДС на проводника, може да се определи чрез прилагане на правилото за дясната страна, което илюстрира фигурата по-долу.

Проводниците на отворите на котвата по двойки са включени в завоите на намотките му. Сумата от ЕМП на намотките дава ЕМП на бобината. Фиксираните четки разделят цялата намотка на котвата на няколко (поне две) паралелни клона. Сумата от ЕДС на всички намотки, включени в паралелния клон, дава ЕМП на цялата намотка на котвата МРТ. По този начин принципът на работа на машините с постоянен ток при работа с генератор може да бъде формулиран по следния начин: котвата на възбудена машина се завърта от задвижващ двигател, в неговата намотка се предизвиква електромоторно напрежение, което причинява протичане на постоянен ток на котвата в затворена верига, включваща намотка, колектор, четки и външна мрежа с товар.

При наличие на ток на котвата върху него започва да действа спирачен електромагнитен момент. Той създава товар за задвижващия мотор. Колкото по-голяма е електрическата мощност на натоварването на генератора, толкова по-бързо се забавя котвата и колкото по-голям е товарът на задвижващия двигател. В този случай, според закон за запазване на енергията последният консумира толкова много гориво, за да задвижва котвата на генератора, така че химическата енергия, отделена при неговото изгаряне минус енергийните загуби в двигателя и генератора, да бъде равна на енергията, взета от електрическия товар от машината за постоянен ток.

Устройството и принципът на работа в режим двигател

В този режим токът на котвата се подава към неговата намотка от захранващата мрежа по време на пускане. Амперните сили действат върху жиците на арматурата с ток, които са под основните полюси. Посоката им се определя от правилото на лявата ръка, което е илюстрирано на фигурата по-долу. Тяхната сума създава въртящ се електромагнитен момент на арматурата (за разлика от спирането в генераторния режим) и той се върти.

Но при въртящи се шлицови проводници, както и в генераторния режим, се индуцира ЕДС, което дава общата ЕДС на намотката на котвата. Той действа в противовес на захранващото напрежение, частично балансирайки го. Това е принципът на работа на машините с постоянен ток, когато двигателят работи. В този случай, според закона за запазване на енергията, от електрозахранващата мрежа се взема толкова електрическа енергия, колкото е необходимо механична енергия за задвижване на прикачения механизъм, като се отчитат енергийните загуби (електрически и механични). С други думи, колкото по-механично е натоварено двигателя, т.е. по-голямото тегло и моментът на инерцията на механизмите, задвижвани от тях, или колкото по-голям е моментът на съпротивление на средата, която затруднява тяхното движение, толкова по-голямо е количеството електроенергия, консумирана от двигателя от мрежата.

На физичния механизъм на насочване на ЕМП в проводниците на намотката на котвата MPT

Трябва да се отбележи, че теоретичните физици не харесват горния (и популярен в техническата литература) физически механизъм на насочване на ЕМП, тъй като магнитното поле е просто спекулативен образ, изобретен от Фарадей, за да го опише. Няма доказателства за тяхното действително съществуване като реални физически обекти.

Алтернативен механизъм за насочване на електродвижещите сили в движещ се прорезен проводник в намотката на котвата на МРТ е ефектът върху електроните вътре в нея на сила на Лоренц, която е пропорционална на магнитната индукция в мястото на проводника. Тук обаче съществува противоречие, което се състои във факта, че в котвените слотове магнитната индукция е изчезващо малка и това не влияе върху стойността на ЕДС на проводниците. Следователно, вместо индукция в жлеба, индукцията във въздушната междина се заменя във формулата, което, разбира се, е погрешно, но дава резултат, близък до този, наблюдаван на практика.

Изходът от този сблъсък е да преминем към описанието на магнитно поле не чрез вектор на магнитна индукция, а с помощта на векторния магнитен потенциал. Активен поддръжник на този подход беше изтъкнат руски електроинженер К. М. Поливанов. По-подробно с този проблем може да се намери в творбите на автора.

MPT магнитно поле при натоварване

В натоварено магнитно поле съществуват два вида магнитен поток: потокът на OM и потокът на RH, генериран от токовете на тези намотки. Силовите линии на първия от тях са насочени по осите на двойката полюси, през които тя се затваря, както е показано на фигура 1 на фигурата по-долу. Такъв поток на възбуждане се нарича надлъжен. Ако в МРТ има повече от два полюса, то това поле също е надлъжно във въздушната междина под върха на всяка от тях.

Линиите на силовите потоци на OHA са затворени по оста на полюсите, следователно, както се прилагат към MPT, те говорят за напречното поле на котвата, което е показано на фигура 2 в същата фигура.

Потокът на котвата се сумира с потока на възбуждане, образувайки получения поток. Това показва реакцията на котвата на машината с постоянен ток, която се състои в ефекта на напречното поле върху надлъжното поле на възбуждане, чиито силови линии са изкривени, удебелявайки се в близост до единия ръб на полюса и изтънявайки близо до другия. В GPT удебеляването на силовите линии на полето, т.е. неговото усилване спрямо областта на възбуждане, се осъществява под ръба на полюса, движещ се към котвата, а в DPT - под изтичащия ръб, както е показано на фигура 3.

Странични ефекти от реакцията на котвата

Поради феномена на магнитно насищане на стоманата, полученото поле под ръба на полюса, където той се увеличава, не може да се увеличи до същата степен, че да е отслабено под противоположния край. Следователно резултатът от този ефект е общо намаляване на магнитното поле на заредената машина. В случай на генератор, отслабването на полето намалява генерираното напрежение.

Реакцията на DC арматурата нарушава пространствената структура на силовите линии на полето, следователно положението на магнитната неутралност (MN) се променя - в биполярен MPT е перпендикулярно на силовите линии на възбуждащия поток и съвпада с геометричното неутрално GN. Четките трябва да бъдат поставени върху MN, в противен случай ще предизвика искри под тях. Така, поради реакцията на котвата, е трудно да се определи точното положение на MN. Въпреки това, за това съществуват доказани методи на практика.

Второто отрицателно следствие от този ефект, което значително намалява експлоатационните характеристики на DC машината, е увеличаването на максималното напрежение между съседните плочи. Погледнете отново на простата диаграма на навиване. Ако страните на някои от неговите секции са едновременно под краищата на два съседни противоположни главни полюса с повишено поле, дължащо се на реакцията на котвата, тогава напрежението, индуцирано в този участък и следователно, напрежението между двойка съседни колекторни плочи може значително да надвиши неговата стойност, когато реакцията на котвата липсва на празен ход. Освен това, такъв излишък обикновено се появява наведнъж в няколко участъка на колектора, разположени в зони на увеличено поле. В резултат на това може да има такова явление като кръгъл огън на колектора, който може напълно да го унищожи. Следователно, без специални конструктивни методи за потискане на реакцията на арматурата, действието на DC машината със средна и висока мощност е практически невъзможно.

Начини за справяне с реакцията на котвата

Най-простият и първият от появилите се методи е увеличаване на въздушната междина от средата до краищата на върховете на полюсите, т.е. В същото време магнитното съпротивление на потока на реакцията на котвата се увеличава и ефектът му върху полето на възбуждане намалява. Но съпротивлението нарастваше за възбуждащия поток, който принуждаваше да се увеличават размерите на намотките при основните полюси.

За отслабване на потока на арматурата при производството на основните полюси се използва електрическа стомана с магнитна анизотропия на нейните свойства (магнитна пропускливост) по протежение на оста на полюсите. Полюсите на тази стомана имат добър надлъжен поток на възбуждане и слабо - напречния поток на арматурата. Такава стомана обаче е много скъпа и нейните свойства са силно зависими от температурата и се променят с времето.

Накрая, беше намерен радикален начин за справяне с реакцията на арматурата на DC машината. Устройството и принципът на неговото действие не се променят много по едно и също време, но е добавена още една намотка - компенсаторна. Той се поставя в процепите, направени в върховете на главните полюси (или в статорните прорези заедно с възбуждащата намотка с неявна полюсна структура), както е показано на фигурата по-долу, и е свързан последователно към намотката на котвата, т.е.

Посоката на потока около извивките на компенсационната намотка е избрана по такъв начин, че възбуденият от него магнитен поток да е насочен към потока на реакцията на котвата и да го компенсира.

Всички съвременни DC електрически машини, имащи средна и висока мощност, са оборудвани с такава намотка.