ДЦ електричне машине: намена, дизајн, уређај и принцип рада

Мацхинес директна струја (МПТ) је општи термин који комбинује генераторе (ГПТ) и моторе (ДПТ). По правилу, када је реч о МАТ-у, подразумевају биполарне машине, које имају наизменичне "северне" и "јужне" магнетне узбудне полове и механичку или електронску таблу струје ротирајућег намотаја арматуре са једним прстенастим полом (за разлику од униполарних машина). Такође ћемо се придржавати овог принципа.

Класификација МАТ

У електротехници и теорији електричних машина, уобичајено је подијелити МПТ на уређаје с експлицитним и имплицитно експримираним половима узбуде, са цилиндричним или вишеструким лежиштем, уз побуђивање истосмјерном струјом или перманентним магнетима, са механичким колектором који је усидрен или бесконтактан. Именовање ДЦ машина их дели на опште индустријске и специјализоване. Међу потоњим се може назвати, на пример, вучни ДПТ који се користи у железничком саобраћају. Постоје и металуршки ДПТ, посебно мотори за ваљаонице, итд.

Као што је познато, ДЦ намотаји су подељени на поља намотаја (ОМ) и арматуру (ОХ). Први служе за побуђивање магнетног поља уређаја, а други - за напајање из напојне мреже у режиму мотора или за напајање електричног оптерећења у режиму генератора. Ту су и намоти додатних полова, који се користе за олакшавање процеса пребацивања.

Електричне једносмерне машине, без обзира да ли су то генератори или мотори, могу се класификовати на основу дијаграма повезивања њихових узбудних и арматурних намотаја. Они могу да чине један електрични круг или да уопште немају никакву електричну везу (независна побуда). Овај принцип класификације дијели МАТ на два главна типа. Разумјет ћете њихову даљњу класификацију на доњем дијаграму.

Уређај за ДЦ машину

ГПТ се може користити као ДПТ без икаквих промена у дизајну. Наравно, индустрија производи машине дизајниране да раде као мотори и машине које су генератори. Међутим, разлике између њих се састоје у конструкцији појединих делова, ау фази општег упознавања може се занемарити. Сходно томе, даље ћемо размотрити уређај ДЦ машине уопште, без позивања на начин рада.

На доњој слици је приказан попречни пресек једноставног МПТ-а са два пара различитих полова. Дизајн садржи два главна дела: статор и сидро. Узмите у обзир које делове чине.

Статор садржи оквир, као и главне и додатне полове између њих (није приказано на слици).

Кревет је вањски конструктивни поклопац МПТ-а. Може се обликовати од ливеног гвожђа (на машинама старих конструкција) или заваривати од дебелих челичних лимова. Лежиште механички чврсто држи читав склоп МПТ-а. Осим тога, служи као магнетни водич за магнетни ток који стварају главни полови.

Потоњи су причвршћени на оквир вијцима или заваривањем. Њихова главна сврха је да преносе завојнице намотаја намотаја узбуде и да буду повезане једна са другом на такав начин да се магнетни поларитет полова наизменично, тј. Да након "северног" пола следи "југ", итд.

Врхови ципела (ципела), који су продужетак главних полова, служе у две сврхе: да спрече клизне завојнице и да равномерно расподеле поље побуде над већим делом обима ваздушног отвора.

Сидро ДЦ машине се састоји од језгра са намотом, рукавца и осовине. Језгро је челични оквир цилиндричног облика, израђен од танких челичних елемената, обострано обложених изолационим лаком. То се ради како би се спријечило појављивање вртложних струја, настојећи се затворити у дебљини језгре. У својим жлебовима постављени су делови петље или таласасти навој арматуре, колектор ДЦ машине и четке. Навијање арматуре мора бити спојено на вањско напајање истосмјерном струјом. Али не можете директно спојити пинове намотаја на мрежни улаз, јер се он ротира. Стога је између мреже и намота арматуре уграђен прекидач-колектор, који је скуп бакарних плоча изолираних једна од друге, формирајући вањску цилиндричну површину одвојену изолацијским стазама. Фиксне контактне четкице клизе по њој када се сидро са колектором ротира. Тако, фиксне четке физички додирују ротирајући намот арматуре, и уз њихову помоћ, већ можете да се повежете на спољну мрежу ДЦ машине.

Развој МТФ структура

Први индустријски дизајн МПТ појавио се 70-их година. 19. век У почетку су имали прстенасто сидро са тороидалним (Грам) намотом. Након проналаска сидра бубња, они су добили готов изглед, отприлике одговарајући на горњу слику. Међутим, дизајн ДЦ машина у другој половини 20. века. је доживјела прилично драматичне промјене. Прво, дотакли су статор. Уместо јасно изражених главних полова, почели су да користе имплицитну конструкцију полова. У њему је концентрирани узбудни завојник сваког главног стуба замијењен мало мањим завојницама које се налазе у прорезима ламинираног статора, који има правокутни или вишеструки облик, као на слици испод. У истим жљебовима статора је постављен и компензациони намот, о чему ће касније бити речи. Као резултат тога, дизајн ДЦ машина је постао много лакши.

У вези са развојем контролисаног асинхроног електричног погона, неки стручњаци изражавају мишљење о предстојећем расељавању асинхрони мотори ДПТ из њихових традиционалних примена, као што су погонске или погонске металуршке механизме. Међутим, сувише је рано говорити о томе као о свршеном чину.

Општи принцип формирања намотаја арматуре

Било који од арматурних намотаја је континуирани струјни круг затворен у себи, који се састоји од серијски спојених секција (завојница). У најједноставнијем случају, секција може представљати само један окрет са два проводника или може бити вишеокретан. Странице утора одељка увек су раздвојене растојањем мало мањим од полне деонице - делом опсега арматуре која пада на један главни стуб. Према томе, у свакој од секција увек су испод главних полова супротног поларитета. У једном затвореном кругу секције су повезане на колекторске плоче. Начин на који ова веза одређује врсту намотаја. На доњој слици објашњен је принцип формирања арматурног намота ДЦ машине са шест вишеструких окретних дијелова повезаних на колекторске плоче.

У позицији приказаној на слици, четке дијеле намотај арматуре на двије паралелне гране: горњу, која се састоји од секција Л1 _, Л2, Л3 и доње, која се састоји од секција Л4 _, Л5, Л6. Број таквих грана зависи од типа намотаја арматуре, али је увек раван и не може бити мањи од два.

Намотај арматуре петље и таласа

То су два главна типа намотаја, од којих сваки има неколико варијанти. Размотрићемо њихове најједноставније опције. Слика на левој страни показује облик секција које чине једноставни навој петље арматуре ДЦ машина. Као што можете видети, исти облик секција је карактеристичан за талас валова.

У првој верзији, један (почетни, стартни) излаз сваке секције двоструког окретаја је повезан са и-том плочом колектора, а други (завршни, коначни) излаз је спојен на сусједну (и + 1) -ну колекторску плочу са почетним излазом наредне секције (види слику) горе). Тако су закључци сваке секције причвршћени на двије сусједне плоче, а сам дио, који се састоји од два жљеба и два фронтална дијела, обликован је као петља (отуда и назив намота).

Секција таласастог намотаја има закључке који нису повезани са сусједним плочама колектора, већ онима који су одијељени одређеним кораком, названим кораком намотавања дуж колектора на. За једноставно навијање петље, ик = 1, и за једноставни талас валова, ик = (К ± 1) / п, где је К број плоча колектора, п је број парова главних полова. Као што се може видети на слици, као резултат ове методе спајања, делови добијају облик сличан полу-таласу синусног таласа, који је проузроковао назив намотаја.

Принцип рада у режиму генератора

Према оригиналној интерпретацији феномена електромагнетна индукција у покретном проводнику, датом од Фарадаиа, када прелази линије магнетног поља док се креће, у њему се индукује ЕМФ. Пратећи овај принцип, могуће је објаснити разлог за ЕМФ вођење у активним водичима (онима који су положени у прорезе) намотаја арматуре МПТ. Заиста, они се крећу испод главних полова, прелазећи линије поља. Будући да су потоњи континуирани, сваки проводник арматуре, без обзира да ли се налази на његовој површини (као што је био у првим МПТ конструкцијама) или у прорезима, пролазећи испод пола, прећи ће све линије поља које потичу из његовог врха. Смјер дјеловања индукованог у ЕМФ-у водича може се одредити примјеном правила десне руке, што илустрира доњу слику.

Проводници утора арматуре у паровима су укључени у завојима свитака његовог намота. Збир ЕМФ завојница даје ЕМФ свитка. Фиксне четке дијеле цијели намот арматуре на неколико (најмање двије) паралелне гране. Збир ЕМФ свих завојница укључених у паралелну грану даје ЕМФ читавог намотаја арматуре МПТ. Тако се принцип рада ДЦ машина при раду са генератором може формулисати на следећи начин: арматура побуђене машине се ротира помоћу погонског мотора, индукује се електромоторни напон у његовом намоту, који узрокује проток једносмерне струје арматуре у затвореном кругу, укључујући намот, колектор, четке и спољну мрежу са оптерећењем.

У присуству струје арматуре, на њега почиње да делује електромагнетни момент кочења. То ствара оптерећење за погонски мотор. Што је већа електрична снага оптерећења генератора, то се његова арматура више успорава и то је веће оптерећење погонског мотора. У овом случају, према закон о очувању енергије потоњи троши толико горива да погони арматуру генератора тако да хемијска енергија која се ослобађа током сагоревања умањена за губитке енергије у мотору и генератору била би једнака енергији коју је електрично оптерећење добило од ДЦ машине.

Уређај и принцип рада у режиму мотора

У овом режиму, струја арматуре се доводи до њеног намота из напојне мреже током покретања. Амперне силе дјелују на проводнике утора арматуре са струјама, које су испод главних полова. Њихов смјер одређује се правилом лијеве руке, што је приказано на слици испод. Њихова сума ствара ротирајући електромагнетни моменат арматуре (за разлику од кочења у режиму генератора), и она долази у ротацију.

Али код ротирајућих проводника са прорезима, као у режиму генератора, емф је индукован, што даје укупну емф намота арматуре. Он дјелује супротно напону напајања, дјеломично га балансирајући. Ово је принцип рада једносмерне машине када мотор ради. У овом случају, према закону о очувању енергије, онолико електричне енергије се узима из мреже за напајање од стране мотора према потреби механичка енергија за погон причвршћеног механизма узимајући у обзир губитке енергије (електричне и механичке). Другим речима, што је мотор више механички оптерећен, тј. Што је већа тежина и момент инерције механизама који су покренути од њих, или што је већи тренутак отпора медијума који омета њихово кретање, то је већа количина електричне енергије коју троши мотор из мреже.

На физичком механизму ЕМФ вођења у водичима намотаја арматуре МПТ

Треба напоменути да се теоретски физичари не свиђају горе наведеном (и популарном у техничкој литератури) физичком механизму ЕМФ навођења, будући да су линије магнетног поља само спекулативна слика коју је Фарадаи изумио да га опише. Нема доказа о њиховом стварном постојању као стварних физичких објеката.

Алтернативни механизам за циљање електромоторних сила у покретном пролазном проводнику у арматурном намоту МПТ је ефекат на електроне унутар њега Лорентзове силе, која је пропорционална магнетној индукцији на локацији водича. Међутим, постоји контрадикција, која се састоји у чињеници да је у унутрашњости арматурних отвора магнетска индукција нестала, и то не утиче на вредност ЕМФ проводника. Дакле, уместо индукције у жлебу, индукција у ваздушном распору се замењује у формулу, што је, наравно, погрешно, али даје резултат близак ономе који је примећен у пракси.

Излаз из овог судара је прелазак на опис магнетног поља не помоћу вектора магнетне индукције, већ путем векторског магнетног потенцијала. Истакнути руски инжењер електротехнике КМ Поливанов био је активни заговорник овог приступа. Детаљније о овом проблему може се наћи у ауторским дјелима.

МПТ магнетно поље под оптерећењем

У оптерећеном магнетном пољу постоје два типа магнетног флукса: ток ОМ и ток РХ генерисан струјама ових намотаја. Линије силе првог од њих су усмерене дуж оса пара полова, кроз које се затварају, као што је приказано на слици 1 на слици испод. Такав ток ексцитације назива се уздужни. Ако постоји више од два пола у МПТ, онда је ово поље такође уздужно у ваздушном простору испод врха сваке од њих.

Енергетски водови ОХА протока су затворени преко оси полова, тако да, како се примењује на МПТ, они говоре о попречном пољу арматуре, који је приказан на слици 2 на истој слици.

Проток арматуре се сабира са протоком ексцитације, формирајући резултујући проток. Ово показује реакцију арматуре једносмерне струје, која се састоји у ефекту попречног поља на уздужном пољу побуде, чије су линије силе тако искривљене, задебљања у близини једног руба пола и стањивање у близини другог. У ГПТ, задебљање поља силе, тј. Његово појачање у односу на поље ексцитације, дешава се испод ивице пола који се креће према сидру, а у ДПТ - испод спуштене ивице, као што је приказано на слици 3.

Нуспојаве реакције сидра

Услед феномена магнетног засићења челика, резултујуће поље испод ивице пола, где се повећава, не може се повећати у истој мери да је ослабљено испод супротне ивице. Због тога је резултат овог ефекта опште смањење магнетног поља оптерећене машине. У случају генератора, слабљење поља смањује генерисани напон.

Реакција ДЦ арматуре искривљује просторну структуру водова поља, па се положај магнетне неутралне (МН) мења - у биполарном МПТ је окомит на водове струје узбуде и поклапа се са геометријским неутралним ГН. Четке треба ставити на МН, иначе ће изазвати искрење испод њих. Дакле, због реакције сидра, тешко је одредити тачну позицију МН. Међутим, за то постоје доказане методе у пракси.

Друга негативна последица овог ефекта, која значајно нарушава радне карактеристике ДЦ машине, је повећање максималног напона између суседних плоча. Погледајте поново дијаграм једноставног навијања петље. Ако су странице неких његових секција истовремено под рубовима два сусједна супротна главна пола с повећаним пољем услијед реакције арматуре, тада се напон индукован у овом дијелу и, према томе, напон између пара сусједних колекторских плоча може значајно премашити његову вриједност када је реакција арматуре одсутна на идле. Штавише, такав вишак се обично јавља у више делова колектора који се налазе у подручју повећаног поља. Као резултат, може постојати такав феномен као што је кружни пожар на колектору, који га може потпуно уништити. Стога, без посебних конструктивних метода сузбијања реакције арматуре, рад ДЦ машине која има средњу и велику снагу је практично немогуће.

Начини бављења реакцијом сидра

Најједноставнији и први од приказаних метода је повећање зрачног распора од средине до ивица врхова полова, тј. Истовремено, магнетна отпорност на проток реакције арматуре се повећала, а њен ефекат на поље ексцитације се смањио. Али отпор је порастао за струју узбуде, која је приморала да повећа димензије завојница на главним половима.

Да би се ослабио проток арматуре у производњи главних стубова, користи се електрични челик са магнетном анизотропијом својих својстава (магнетна пермеабилност) дуж и преко оси полова. Полови овог челика имају добар уздужни ток побуде и слабо - попречни ток арматуре. Међутим, такав челик је веома скуп, а његова својства снажно зависе од температуре и промене током времена.

Коначно, нађено је да се радикални начин бави реакцијом арматуре ДЦ машине. Уређај и принцип његовог дјеловања нису се значајно мијењали у исто вријеме, али је додан још један намотај - компензацијски. Он се поставља у прорезе направљене у врховима главних полова (или у отворима статора заједно са узбудним намотом са имплицитном полном структуром), као што је приказано на слици испод, и спојен је серијски на намотај арматуре, тј.

Међутим, правац струјања око завоја компензационог намота је изабран на такав начин да је магнетни ток који је он побуђен усмерен ка току реакције арматуре и компензује га.

Све модерне ДЦ електричне машине, средње и велике снаге, опремљене су таквим намотом.