Области применения машин постоянного тока

Хотя современная электрификация осуществляется в основном трехфазным переменным током, машины постоянного тока, особенно в режиме двигателя, имеют достаточно широкое применение.

Генераторы чаще всего применяются в преобразовательных установках двигатель-генератор для получения постоянного тока из переменного с целью питания двигателей постоянного тока и для других нужд в заводских и лабораторных условия.

Генераторы также применяются на тепловозах магистральных железных дорог, на судах, для электросварки на постоянном токе, для освещения поездов, в качестве возбудителей синхронных машин и т.д.

Малогабаритные низковольтные генераторы (6-12 и 28 Вольт) широко применяются для освещения и зарядки аккумуляторов на самолетах и автомашинах всех типов.

В ряде случаев для специальных нужд применяются машины постоянного тока с постоянными магнитами весьма малой мощности в качестве тахогенераторов (для измерения скорости вращения машин), в качестве индуктора для испытания изоляции, в запальных машинах во взрывном деле и т.п.

Двигатели постоянного тока имеют хорошие рабочие характеристики, обладают легкой возможностью регулирования скорости вращения в широких пределах, но по сравнению с двигателями переменного тока имеют и серьезные недостатки: потребность в источнике постоянного тока, конструктивную сложность и более высокую стоимость, потребность в постоянном присмотре из-за наличия коллектора.

Двигатели с последовательным возбуждением применяются более широко, чем шунтовые. Двигатель последовательного возбуждения – основной тип тягового двигателя. Он имеет большой пусковой момент (пропорциональный квадрату силы тока). Двигатель автоматически приспосабливается к профилю пути, меняя соответственно скорость, что существенно для тягового двигателя. Трамваи во всем мире работают на сериесных двигателях постоянного тока.

Двигатели последовательного возбуждения широко применяются на пригородных и магистральных электрифицированных железных дорогах, в метро, в электрифицированном заводском и шахтном транспорте, в электрокарах и т. п.

Двигатели со смешанным возбуждением (с преобладанием последовательной обмотки) применяются в троллейбусах и на магистральных электрифицированных железных дорогах с рекуперативным торможением, то есть с отдачей энергии в сеть на спусках.

Двигатели с параллельным возбуждением применяются взамен асинхронных и синхронных там, где требуется плавное регулирование оборотов в широких пределах, например в мощных прокатных станах, в текстильной промышленности и т. д.

Электромашиностроительные заводы выпускают много типов машин постоянного тока с большим диапазоном по мощности, напряжению и скорости вращения, в открытом, защищенном, закрытом и взрывобезопасном исполнении.

Область применения. Устройство и принцип действия, области применения электрических машин постоянного тока(МПТ)

Принцип действия

Устройство и принцип действия, области применения электрических машин постоянного тока(МПТ)

МПТ состоит из неподвижной части, в которой возбуждается главное магнитное поле, и вращающейся части, в которой индуктируется э.д.с. Токи от этой э.д.с., взаимодействуя с главным магнитным полем, создают момент (в двигательном режиме он является вращающим, в генераторном – тормозным).

Неподвижная часть состоит из станины и полюсов, которые к ней крепятся. Полюса подразделяются на главные, в которых возбуждаются основной магнитный поток, и добавочные, которые устанавливаются в целях улучшения коммутации машины.

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.

Электрические Машины постоянного тока используют как в качестве генератора, так и вкачестве двигателя. Наибольшее применение получили двигатели постоянного тока:

— Они широко используются для привода подъёмных средств в качестве крановых двигателей.

— Приводом транспортных средств в качестве тяговых двигателей.

— Для привода устройств автоматики.

— Для привода прокатных станов.

— Для привода штатных подъёмников.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники Электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением был создан в России акад. Б. С. Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера. Принцип обратимости электрических машин был также впервые сформулирован русским физиком акад. Э. X. Ленцем. В дальнейшем ряд коллекторных машин постоянного тока был созданГ. Феррарисом, В. Сименсом и др. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжалось развитие теории и совершенствование конструкции машин постоянного тока. Большое внимание обращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновения искрения под щетками (улучшения коммутации) и образования кругового огня на коллекторе.

Важное значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгер-ского электротехника О. В. Бенедикта и др.

В настоящее время в рамках Интерэлектро разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Принцип действия. Машина постоянного тока (рис. 8.1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток I_в , который создает магнитное поле возбуждения Ф_в . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС на рис. 8.1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 8.1,б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки R_н через обмотку якоря проходит постоянный ток I_а , направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток I_а разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи i_a ).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

Устройство машины постоянного тока и область применения

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором.

На одном валу с якорем жестко закрепляется коллектор электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор — характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору.

Статор машины постоянного тока состоит из цилиндрической станины, полюсов с обмоткой возбуждения и подшипниковых щитов. Станина – это литый либо сварной цилиндр изготовленный из стали. Она является магнитопроводом и основой для крепления основных и дополнительных полюсов, подшипников, щеткодержателей, выводных клемм, а также на ней располагается паспорт машины, где указываются номинальные параметры.

Основные полюсы с током в катушках обмотки создают в машине магнитное поле. Обмотка основных полюсов составляет обмотку возбуждения машины. Сердечник полюса для уменьшения потерь на вихревые токи набирается в виде пакета из листовой электротехнической стали толщиной 0,5-2 мм и стягивается шпильками. Полюсы крепятся к станине болтами или шпильками.

Добавочные полюсы устроены аналогично, но их сердечники чаще делаются из литой стали и имеют малую магнитную индукцию. Они устанавливаются симметрично между основными полюсами, содержат обмотку из толстого изолированного провода (включается последовательно с якорем) и предназначаются для устранения искрения щеток .

Якорь машины постоянного тока состоит из стального вала, стального сердечника, обмотки и коллектора.

Сердечник якоря представляет собой цилиндрический барабан, в продольных наружных пазах которого размещается обмотка якоря. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник набирается из изолированных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Коллектор набирается из клинообразных медных пластин, которые изолируются друг от друга миканитом. В прорезь выступа коллекторной пластины впаиваются два конца соседних секций обмотки якоря. Обмотка якоря составляется из отдельных секций, концы которых припаиваются к пластинам коллектора. Секции обмотки укладываются в пазах барабана якоря в два слоя и в определенном порядке, чтобы при вращении якоря их участки всегда находились под разными полюсами статора, т. е. чтобы индуцированные в них э. д. с. действовали согласно и складывались.

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

2. Принцип действия машины постоянного тока.

Принцип действия машины постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (ЭДС). Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Если проводник, в котором индуктируется ЭДС, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием ЭДС по цепи потечет ток, называемый индуктированным током. Индуктированная ЭДС возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий ЭДС в нем не индуктируется.

Имея общее представление об электромагнитной индукции, рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока:

Рисунок 1 – Устройство генератора постоянного тока

Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полуколец, называют коллектором, а каждое полукольцо — пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда ЭДС, индуктируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.

С помощью коллектора переменная ЭДС, индуктируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток.

Существует два режима работы машины постоянного тока:

А) режим генератора

Б) режим двигателя

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем, эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь.