Maszyny elektryczne prądu stałego: cel, konstrukcja, urządzenie i zasada działania

Maszyny prąd stały (MPT) to ogólny termin, który łączy generatory (GPT) i silniki (DPT). Zasadniczo, mówiąc o MAT, mają na myśli maszyny bipolarne, które mają naprzemienne "północne" i "południowe" bieguny magnetyczne i mechaniczną lub elektroniczną tablicę rozdzielczą prądu obrotowego uzwojenia twornika z jednym pojedynczym biegunem pierścieniowym (w przeciwieństwie do maszyn jednobiegunowych). Będziemy również stosować się do tej zasady.

Klasyfikacja MAT

W elektrotechnice i teorii maszyn elektrycznych zwyczajowo dzieli się MPT na urządzenia z wyraźnymi i niejawnie wyrażonymi biegunami wzbudzenia, z cylindrycznym lub wieloaspektowym łóżkiem, z wzbudzeniem za pomocą prądu stałego lub magnesów stałych, z mechanicznym kolektorem komutatora zakotwiczonym lub bezdotykowym. Powołanie maszyn prądu stałego dzieli je na ogólne przemysłowe i specjalistyczne. Wśród tych ostatnich można wymienić na przykład trakcję DPT stosowaną w transporcie kolejowym. Istnieją również metalurgiczne DPT, w szczególności silniki do walcowni itp.

Jak wiadomo, uzwojenia DC są podzielone na uzwojenia wzbudzenia (OM) i armaturę (OH). Pierwszy służy do wzbudzenia pola magnetycznego urządzenia, a drugi - do zasilania z sieci zasilającej w trybie silnika lub do zasilania elektrycznego w trybie generatorowym. Istnieją również uzwojenia dodatkowych biegunów, stosowane w celu ułatwienia procesu przełączania.

Elektryczne maszyny prądu stałego, niezależnie od tego, czy są to generatory czy silniki, mogą być klasyfikowane na podstawie schematów połączeń ich wzbudzenia i uzwojenia twornika. Mogą one stanowić pojedynczy obwód elektryczny lub nie mogą mieć żadnego połączenia elektrycznego (niezależne wzbudzenie). Ta zasada klasyfikacji dzieli MAT na dwa główne typy. Ich kolejną klasyfikację można zrozumieć na podstawie poniższego diagramu.

Urządzenie maszyny DC

GPT może być używany jako DPT bez żadnych zmian w projekcie. Oczywiście, przemysł produkuje maszyny zaprojektowane do pracy jako silniki i maszyny, które są generatorami. Różnice między nimi polegają jednak na konstruowaniu poszczególnych części, a na etapie ogólnego zaznajamiania można je zignorować. W konsekwencji, będziemy dalej rozważać urządzenie maszyny prądu stałego w ogóle, bez odniesienia do trybu jego działania.

Poniższy rysunek przedstawia przekrój prostego MPT z dwiema parami wyraźnych biegunów. Jego konstrukcja zawiera dwie główne części: stojan i kotwicę. Zastanów się, z których części składają się.

Stojan zawiera ramę, a także główny i dodatkowy biegun między nimi (nie pokazany na rysunku).

Łóżko jest zewnętrzną konstrukcyjną pokrywą MPT. Może być formowany z żeliwa (na maszynach ze starej konstrukcji) lub spawany z grubych blach stalowych. Łóżko mechanicznie mocno trzyma cały zespół MPT. Ponadto służy jako przewodnik magnetyczny dla strumienia magnetycznego wytwarzanego przez główne bieguny.

Te ostatnie są mocowane do ramy za pomocą śrub lub spawania. Ich głównym przeznaczeniem jest przenoszenie cewek uzwojenia wzbudzenia na siebie nawiniętego i połączonych szeregowo ze sobą w taki sposób, aby biegunowość magnetyczna biegunów zmieniała się, tj. Po tym, jak biegun "północny" podążałby za "południowym" itp.

Końcówki biegunów (obuwie), które są przedłużeniem głównych biegunów, służą dwóm celom: aby zapobiec zsuwaniu się cewek i równomiernemu rozprowadzaniu pola wzbudzenia na większości obwodu szczeliny powietrznej.

Kotwica maszyny prądu stałego składa się z rdzenia z uzwojeniem, tulei i wału. Rdzeń jest stalową ramą o cylindrycznym kształcie, wykonaną z cienkich blach elektrotechnicznych ze stali, pokrytą obustronnie lakierem izolacyjnym. Ma to na celu zapobieganie pojawianiu się prądy wirowe, starając się zamknąć w grubości rdzenia. W swoich rowkach ułożono sekcje pętli lub uzwojenia falowego armatury, kolektor maszyny prądu stałego i szczotki. Uzwojenie twornika musi być podłączone do zewnętrznego źródła prądu stałego. Ale nie można bezpośrednio podłączyć kołków uzwojenia do wejścia sieciowego, ponieważ obraca się. Dlatego między siecią a uzwojeniem twornika jest zainstalowany kolektor przełączający, który jest zestawem izolowanych od siebie płytek miedzianych, tworzących zewnętrzną cylindryczną powierzchnię oddzieloną ścieżkami izolacyjnymi. Stałe szczotki stykowe przesuwają się po niej, gdy kotwa z kolektorem obraca się. W ten sposób ustalone szczotki fizycznie stykają się z obrotowym uzwojeniem twornika, a dzięki ich pomocy można już połączyć się z zewnętrzną siecią maszyny prądu stałego.

Rozwój struktur MTF

Pierwszy projekt przemysłowy MPT pojawił się w latach 70-tych. XIX wiek Na początku mieli kotwicę pierścieniową z uzwojeniem toroidalnym (Gram). Po wynalezieniu kotwy bębnowej uzyskano wykończony wygląd, w przybliżeniu odpowiadający powyższej figurze. Jednak projektowanie maszyn prądu stałego w drugiej połowie 20 wieku. przeszedł dość radykalne zmiany. Najpierw dotknęły stojana. Zamiast jasno wyrażonych głównych biegunów, zaczęli używać niejawnej konstrukcji biegunów. W nim skoncentrowana cewka wzbudzenia każdego głównego bieguna została zastąpiona nieco mniejszymi cewkami umieszczonymi w szczelinach laminowanego stojana, który ma kształt prostokątny lub wielopłaszczyznowy, jak na poniższym rysunku. W tych samych rowkach stojana znajduje się uzwojenie kompensacyjne, które zostanie omówione później. W rezultacie projektowanie maszyn prądu stałego stało się znacznie łatwiejsze.

W związku z rozwojem sterowanego asynchronicznego napędu elektrycznego, niektórzy eksperci wyrażają opinię na temat zbliżającego się przesunięcia silniki asynchroniczne DPT z ich tradycyjnych zastosowań, takich jak napęd trakcyjny lub mechanizmy napędowe. Jest jednak za wcześnie, by mówić o tym jako o fakcie dokonanym.

Ogólna zasada tworzenia uzwojenia twornika

Każde z uzwojeń twornika jest ciągłym obwodem elektrycznym zamkniętym, składającym się z połączonych szeregowo sekcji (cewek). W najprostszym przypadku sekcja może reprezentować tylko jeden obrót z dwoma przewodami szczelinowymi lub może być wieloobrotowa. Boki szczeliny sekcji są zawsze oddzielone odległością nieco mniejszą niż podział biegunowy - część obwodu zwory opada na jeden główny biegun. Dlatego w każdej z sekcji znajdują się zawsze pod głównymi biegunami o przeciwnej polaryzacji. W jednym zamkniętym obwodzie odcinki są połączone z płytami kolektora. Sposób, w jaki to połączenie określa rodzaj uzwojenia. Poniższy rysunek wyjaśnia zasadę tworzenia uzwojenia twornika maszyny prądu stałego z sześciu wieloobrotowych sekcji połączonych na płytach kolektora.

W położeniu pokazanym na rysunku szczotki dzielą uzwojenie twornika na dwie równoległe gałęzie: górną, która składa się z sekcji L1 _, L2, L3 i dolnej, składającej się z sekcji L4 _, L5, L6. Liczba takich gałęzi zależy od rodzaju uzwojenia twornika, ale zawsze jest równa i nie może być mniejsza niż dwa.

Pętle i zwory twornika falowego

Są to dwa główne typy uzwojeń, z których każdy ma kilka odmian. Rozważymy ich najprostsze opcje. Rysunek po lewej stronie pokazuje kształt sekcji, które składają się na proste uzwojenie pętli twornika maszyn prądu stałego. Jak widać, ten sam kształt przekrojów jest charakterystyczny dla uzwojenia falowego.

W pierwszej wersji jedno (początkowe, początkowe) wyjście każdej sekcji o podwójnym skręcie jest połączone z i-tą płytą kolektora, a drugie (końcowe, końcowe) wyjście jest połączone na sąsiedniej (i + 1) -tej płycie kolektora z wyjściowym wyjściem następnej sekcji (patrz rysunek powyżej). Tak więc, wnioski z każdej sekcji są dołączone do dwóch sąsiednich płyt, a sama sekcja, składająca się z dwóch rowków i dwóch części czołowych, ma kształt pętli (stąd nazwa uzwojenia).

Sekcja uzwojenia falowego ma konkluzje związane nie z sąsiednimi płytami kolektora, ale z tymi oddzielonymi przez pewien krok, zwany etapem uzwojenia wzdłuż kolektora. Dla prostego uzwojenia pętli, yk = 1, i dla prostego uzwojenia falowego, yk = (K ± 1) / p, gdzie K jest liczbą płytek kolektorowych, p jest liczbą par głównych biegunów. Jak widać na rysunku, w wyniku tej metody łączenia sekcje uzyskują kształt podobny do półfali fali sinusoidalnej, która spowodowała nazwę uzwojenia.

Zasada działania w trybie generatora

Zgodnie z oryginalną interpretacją tego zjawiska indukcja elektromagnetyczna w poruszającym się przewodniku, podanym przez Faradaya, gdy podczas ruchu porusza się wzdłuż linii pola magnetycznego, wywoływana jest w nim siła pola elektromagnetycznego. Zgodnie z tą zasadą, możliwe jest wyjaśnienie przyczyny wskazówek dotyczących pól elektromagnetycznych w czynnych przewodnikach (układanych w rowkach) uzwojenia twornika MPT. W rzeczywistości poruszają się pod głównymi biegunami, przekraczając linie pola. Ponieważ te ostatnie są ciągłe, każdy przewodnik szkieletu, niezależnie od tego, czy znajduje się on na jego powierzchni (jak to było w pierwszych konstrukcjach MPT), czy w szczelinach, przechodząc pod biegunem, przekroczy wszystkie linie pola wychodzące z jego wierzchołka. Kierunek działania indukowany w przewodniku EMF może być określony przez zastosowanie zasady prawej ręki, co ilustruje poniższy rysunek.

Przewody szczelinowe twornika w parze są zawarte w zwojach cewek jego uzwojenia. Suma emf zwojów daje emf cewki. Naprawione szczotki dzielą całe uzwojenie twornika na kilka (co najmniej dwie) równoległych gałęzi. Suma EMF wszystkich cewek zawartych w gałęzi równoległej daje EMF całego uzwojenia armatury MPT. Tak więc, zasada działania maszyn prądu stałego podczas pracy z generatorem może być sformułowana następująco: zwora wzbudzonej maszyny jest obracana przez silnik napędowy, w jej uzwojeniu indukowane jest napięcie elektromotoryczne, co powoduje przepływ prądu stałego zwory w obwodzie zamkniętym, w tym uzwojenie, kolektor, szczotki i zewnętrzną sieć z obciążeniem.

W obecności prądu twornika rozpoczyna się na nim hamujący moment elektromagnetyczny. Tworzy obciążenie dla silnika napędowego. Im większa moc elektryczna obciążenia generatora, tym bardziej zwalniane jest jego zwory i tym większe obciążenie silnika napędowego. W tym przypadku, zgodnie z prawo zachowania energii ten ostatni zużywa tyle paliwa, aby napędzać zworę generatora, aby energia chemiczna uwolniona podczas jego spalania minus straty energii w silniku i generatorze byłaby równa energii pobranej przez obciążenie elektryczne z maszyny prądu stałego.

Urządzenie i zasada działania w trybie silnika

W tym trybie prąd twornika doprowadzany jest do uzwojenia z sieci zasilającej podczas rozruchu. Siły amperowe działają na przewody szczelinowe twornika prądem, który znajduje się pod głównymi biegunami. Ich kierunek jest określony przez regułę lewej ręki, co ilustruje poniższy rysunek. Ich suma tworzy obrotowy moment elektromagnetyczny twornika (w przeciwieństwie do hamowania w trybie generatora) i wchodzi w ruch obrotowy.

Ale w obracających się przewodach szczelinowych, tak jak w trybie generatora, indukowane jest emf, co daje całkowite emf uzwojenia twornika. Działa w opozycji do napięcia zasilania, częściowo je równoważąc. Jest to zasada działania maszyn prądu stałego podczas pracy silnika. W tym przypadku, zgodnie z prawem zachowania energii, tyle energii elektrycznej pobierana jest z sieci zasilającej przez silnik w razie potrzeby energia mechaniczna do napędzania załączonego mechanizmu, biorąc pod uwagę straty energii (elektrycznej i mechanicznej). Innymi słowy, im bardziej mechanicznie obciążony jest silnik, tj. Im większa masa i moment bezwładności mechanizmów przez nie wprawionych, lub im większy jest moment oporu medium, który utrudnia ich ruch, tym większa ilość energii zużywanej przez silnik z sieci.

Na temat fizycznego mechanizmu prowadzenia EMF w przewodnikach uzwojenia twornika MPT

Należy zauważyć, że fizycy teoretyczni nie lubią powyższego (i popularnego w literaturze technicznej) fizycznego mechanizmu prowadzenia pola elektromagnetycznego, ponieważ linie pola magnetycznego są po prostu spekulatywnym obrazem wymyślonym przez Faradaya, aby go opisać. Nie ma dowodów na ich faktyczne istnienie jako rzeczywistych obiektów fizycznych.

Alternatywnym mechanizmem ukierunkowania sił elektromotorycznych w ruchomym przewodzie szczelinowym w uzwojeniu twornika MPT jest oddziaływanie na elektrony w nim siły Lorentza proporcjonalnej do indukcji magnetycznej w miejscu przewodzenia. Istnieje tu jednak sprzeczność, polegająca na tym, że indukcja magnetyczna wewnątrz szczelin szkieletu jest znikomo mała, co nie ma wpływu na wartość pola elektromagnetycznego przewodników. Dlatego, zamiast indukcji w rowku, indukcja w szczelinie powietrznej zastępuje formułę, która oczywiście jest błędna, ale daje wynik zbliżony do obserwowanego w praktyce.

Wyjściem z tej kolizji jest przejście do opisu pola magnetycznego nie za pomocą wektora indukcji magnetycznej, ale za pomocą wektorowego potencjału magnetycznego. Znany rosyjski inżynier elektryk, KM Polivanov, był aktywnym zwolennikiem tego podejścia. Bardziej szczegółowo z tym problemem można znaleźć w pracach autora.

Pole magnetyczne MPT pod obciążeniem

W obciążonym polu magnetycznym występują dwa rodzaje strumienia magnetycznego: strumień OM i strumień RH generowany przez prądy tych uzwojeń. Linie siły pierwszego z nich są kierowane wzdłuż osi pary biegunów, przez które się zamyka, jak pokazano na rysunku 1 na poniższym rysunku. Taki przepływ wzbudzenia nazywa się podłużnym. Jeśli w MPT znajduje się więcej niż dwa bieguny, to pole to jest również podłużne w szczelinie powietrznej pod wierzchołkiem każdego z nich.

Linie energetyczne przepływu OHA są zamknięte w poprzek osi biegunów, dlatego też, w odniesieniu do MPT, mówią o poprzecznym polu zwory, co pokazano na figurze 2 na tej samej figurze.

Strumień armatury sumuje się z przepływem wzbudzenia, tworząc powstały przepływ. Pokazuje to reakcję szkieletu maszyny prądu stałego, która polega na oddziaływaniu pola poprzecznego na podłużne pole wzbudzenia, którego linie siły są w ten sposób zniekształcone, pogrubiające się przy jednej krawędzi bieguna i rozrzedzające się blisko drugiej. W GPT zagęszczenie linii pola siły, to znaczy jego wzmocnienie względem pola wzbudzenia, występuje pod krawędzią słupa przesuwającego się w kierunku kotwicy, aw DPT - pod krawędzią ucieczki, jak pokazano na rysunku 3.

Skutki uboczne reakcji kotwicy

Ze względu na zjawisko nasycenia magnetycznego stali powstałe pole pod krawędzią słupa, w którym się zwiększa, nie może wzrosnąć w takim stopniu, w jakim jest osłabione pod przeciwległą krawędzią. Dlatego wynikiem tego efektu jest ogólny spadek pola magnetycznego załadowanej maszyny. W przypadku generatora osłabienie pola zmniejsza generowane napięcie.

Reakcja szkieletu DC zniekształca przestrzenny układ linii elektroenergetycznych, w związku z czym zmienia się pozycja neutralnego pola magnetycznego (MN) - w dwubiegunowym MPT jest prostopadła do linii elektroenergetycznych przepływu wzbudzenia i zbiega się z neutralnym geometrycznie GN. Szczotki powinny być umieszczone na MN, w przeciwnym razie spowoduje iskrzenie pod nimi. Zatem ze względu na reakcję kotwy trudno jest określić dokładną pozycję MN. Jednak w praktyce istnieją sprawdzone metody.

Drugą negatywną konsekwencją tego efektu, który znacząco pogarsza charakterystykę roboczą maszyny prądu stałego, jest wzrost maksymalnego napięcia między sąsiednimi płytami. Ponownie spójrz na prosty schemat uzwojenia pętli. Jeżeli boki niektórych jego sekcji znajdują się jednocześnie pod krawędziami dwóch sąsiednich przeciwległych biegunów głównych o zwiększonym polu ze względu na reakcję twornika, wówczas indukowane w tym punkcie napięcie, a tym samym napięcie między parą sąsiednich płytek zbiorczych, może znacznie przekroczyć jego wartość, gdy reakcja na zworę jest nieobecna tj. na biegu jałowym. Co więcej, taki nadmiar występuje zwykle od razu w kilku sekcjach kolektora zlokalizowanych w obszarach powiększonego pola. W rezultacie może istnieć takie zjawisko jak okrągły ogień na kolektorze, który może go całkowicie zniszczyć. Dlatego też, bez specjalnych metod konstrukcyjnych tłumienia reakcji twornika, działanie maszyny prądu stałego o średniej i dużej mocy jest praktycznie niemożliwe.

Sposoby radzenia sobie z reakcją kotwicy

Najprostszą i pierwszą z ukazanych metod było zwiększenie szczeliny powietrznej od środka do krawędzi wierzchołków biegunów, czyli wykonanie rozbieżnej szczeliny. W tym samym czasie zwiększył się opór magnetyczny do przepływu reakcji twornika, a jego wpływ na pole wzbudzenia zmniejszył się. Opór wzrósł w przypadku przepływu wzbudzenia, co zmusiło do zwiększenia wymiarów cewek na głównych biegunach.

Aby osłabić przepływ armatury przy wytwarzaniu głównych biegunów, stosuje się stal elektryczną z anizotropią magnetyczną jej właściwości (przenikalność magnetyczną) wzdłuż i w poprzek osi biegunów. Bieguny tej stali mają dobry podłużny przepływ wzbudzenia i słabo - poprzeczny przepływ armatury. Jednak taka stal jest bardzo droga, a jej właściwości są silnie zależne od temperatury i zmiany w czasie.

W końcu znaleziono radykalny sposób walki z reakcją szkieletu maszyny prądu stałego. Urządzenie i zasada jego działania niewiele się zmieniły w tym samym czasie, ale dodano jeszcze jedno uzwojenie - kompensacyjne. Jest on umieszczony w szczelinach wykonanych na końcach głównych biegunów (lub w szczelinach stojana wraz z uzwojeniem wzbudzenia z niejawną konstrukcją biegunową), jak pokazano na poniższym rysunku, i jest połączony szeregowo z uzwojeniem twornika, tj. Przepływa przez nie ten sam prąd.

Jednak kierunek przepływu wokół zwojów uzwojenia kompensacyjnego dobierany jest w taki sposób, że strumień magnetyczny wzbudzony przez niego jest kierowany w kierunku przepływu reakcji twornika i kompensuje go.

Wszystkie nowoczesne elektryczne maszyny prądu stałego o średniej i dużej mocy są wyposażone w takie uzwojenie.