Принцип действия простейшего ГПТ

Лекция №21 Классификация, устройство, характеристики и принцип действия машин постоянного тока.

Общие сведения.

Машины постоянного тока (МПТ) широко используются в электрических установках в качестве двигателей и генераторов.

· Их мощность колеблется в пределах от долей кВт до 10 МВт и выше.

· Напряжение машин постоянного тока не превосходит обычно нескольких тысяч вольт. Наибольшее распространение имеют машины, напряжение которых не превышает 1 кВ.

· Скорость вращения машин постоянного тока колеблется в весьма широких пределах: от нескольких десятков до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Применение двигателей постоянного тока (ДПТ)

ДПТ широко применяются в качестве тяговых на электровозах, тепловозах, в пригородных электропоездах, метрополитене, трамвае, троллейбусе, электрокарах, морских и речных судах.

Крановые двигатели постоянного тока часто применяются в приводе различных подъемных устройств.

С помощью мощных двигателей постоянного тока (до 12 МВт) приводятся в действие прокатные станы.

Крупные двигатели постоянного тока приводят во вращение гребные винты на судах.

В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов, имеющих систему электропитания на постоянном токе, все вспомогательные устройства приводятся в действие двигателями постоянного тока.

Основное преимущество ДПТ по сравнению с асинхронными и синхронными – возможность плавного и экономичного регулирования их скорости вращения в широких пределах и отсутствие ограничивающего верхнего предела 3000 об/мин, существующего в бесколлекторных двигателях переменного тока при 50 Гц.

Применение генераторов постоянного тока (ГПТ)

ГПТ находят применение в промышленности для питания электропривода постоянного тока, в установках проводной и радиосвязи, авто- и авиатранспорте.

Питание обмоток возбуждения синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

Широко также распространены ГПТ специального исполнения, обладающие особыми свойствами (сварочные, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока и пр.).

Основные недостатки машин постоянного тока:

· относительно высокая стоимость (ДПТ в 2…3 раза дороже, чем асинхронные короткозамкнутые двигатели);

· более сложная технология их изготовления из-за наличия коллектора;

· несколько меньшая надежность из-за применения в основной рабочей цепи скользящих щеточных контактов, имеющих склонность к искрению;

· сравнительно быстрый износ скользящих щеточных контактов, требующих специального наблюдения в процессе эксплуатации машины.

Устройство МПТ

Машины постоянного тока – обратимые, они могут работать в качестве генератора или двигателя без изменения схемы.

Основные части МПТ статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм). Часть машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, а часть машины, создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором. В машинах постоянного тока якорем является ротор, а индуктором – статор.

Статор — это стальной цилиндр 1, внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод машины.

Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря.

На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Ф в машины.

Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины

Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором).

Якорь (подвижная часть машины) - цилиндр 5, набранный из листов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11. Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6, расположенного на валу 7.

Коллектор представляет собой цилиндр из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка.

Принцип действия простейшего ГПТ

Простейший генератор переменного тока имеет следующие компоненты: два неподвижных полюса (N и S), один виток, концы которого подсоединены к двум контактным кольцам, которые изолированы друг от друга и от вала. На кольца наложены неподвижные щетки, к которым подсоединяется нагрузка.

При вращении витка в пространстве между двумя полюсами с частотой n в витке индуцируется переменная ЭДС.

 

При n=const изменение ЭДС во времени повторяет распределение магнитного поля под полюсом, то есть в пространстве. При наличии нагрузки и в витке, и в нагрузке протекает переменный ток.

Для выпрямления i(t), протекающего в нагрузке (то есть для реализации ГПТ), на валу вместо контактных колец устанавливается коллектор, который является механическим выпрямителем переменных ЭДС и тока обмотки якоря. В простейшем случае коллектор состоит из двух коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга и от вала. Коллекторные пластины образуют цилиндр. К пластинам подсоединены концы витка якоря. На пластины наложены неподвижные щетки, к которым подсоединена нагрузка. При вращении витка (якоря) щетки скользят по поверхности цилиндра.

Для полного выпрямления i(t), протекающего в нагрузке, необходимо щетки установить так, чтобы наводимая в витке переменная ЭДС была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую (в этот момент виток занимает горизонтальное положение). Тогда при вращении якоря в витке будет по-прежнему наводиться переменная ЭДС, но каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно будет соединена только с тем проводником, которые находятся под полюсом данной (одной и той же) полярности.

В нагрузке при этом ток будет протекать только в одном направлении от щетки В к щетке А; другими словами, происходит выпрямление переменных ЭДС и тока витка в пульсирующие ЭДС и ток в нагрузке.

Для сглаживания пульсаций необходимо разместить на якоре несколько витков, равномерно распределенных по окружности и соответственно увеличить число коллекторных пластин.

То же устройство может работать в режиме электрического двигателя, если к щеткам подвести постоянное напряжение.

U → i → F_ЭМ (направление F_ЭМ по правилу левой руки: на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево) → эта пара сил →М_ВР.

При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил F_ЭМ, момента М_ВР и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).