что относится к недостаткам машин постоянного тока

Машины постоянного тока – все, что нужно знать об этих устройствах

Несмотря на то, что переменный ток активно применяется человеком в быту и на различных производствах, машины постоянного тока, несмотря на некоторую ограниченность, до сих пор активно применяются в различных сферах деятельности человека. Суть работы данных агрегатов одна – преобразование механической энергии в электрическую, и наоборот.

Сегодня мы расскажем вам много интересного про эти уже давно изобретенные агрегаты, которые до сих пор практически ни в чем не изменились.

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют в основном в следующих отраслях:

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

На картинке выше показано классическое строение такой машины:

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Помимо этого конструкция имеет центральный вал вращения, который почему-то на схеме не отмечен, и иногда лапы – петли, через которые агрегат можно закрепить к столу, например.

Остальные элементы относятся к механической части.

Сам якорь имеет следующее строение:

Интересно знать! Контакт коллектора и щеток устроен таким образом, чтобы концы одной обмотки никогда не могли коротко замкнуться.

Идем дальше – на очереди щеточный аппарат:

При вращении ротора, между щетками и коллектором возникает искрение. Если оно будет слишком сильным, то возможно даже образование дугового разряда, что приведет к короткому замыканию и выходу агрегата из строя. Чтобы этого не произошло, и применяются дополнительные полюса обмотки.

На корпусе машины располагаются клеммы для подключения внешних цепей, а также паспортные данные.

Классификация машин постоянного тока

Способы возбуждения машин постоянного тока и включения главных полюсов делят машины на разные типы.

Выделяют следующие варианты:

Принцип работы на примере двигателя постоянного тока

Давайте посмотрим, как работает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

Источник

Электродвигатели постоянного тока и области их применения

Подписка на рассылку

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) представляют собой механизм, преобразующий поступающую на него электрическую энергию в механическое вращение. Работа агрегата базируется на явлении электромагнитной индукции — на проводник, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера: F = B*I*L, где L — длина проводника, I — ток, протекающий по проводнику, B — индукция магнитного поля. Данная сила обуславливает возникновение крутящего момента, который может быть использован для неких практических целей.

Основным недостатком данных устройств является высокая цена их изготовления. Также стоит отметить необходимость регулярного обслуживания коллекторно-щеточного узла и определенное ограничение срока эксплуатации, вызванные его износом, однако на современных моделях эти недостатки практически полностью нивелированы.

Стоит отметить, что механическая характеристика, а значит, и все эксплуатационные показатели во многом зависят от схемы подключения обмотки возбуждения. Всего их четыре:

Способы возбуждения: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.

Области применения ДПТ

Несмотря на то, что подавляющее большинство электрических сетей обеспечивают переменное напряжение, электродвигатели постоянного тока используются весьма и весьма широко. Собственно говоря, все промышленные приводы, где требуется точная регулировка частоты вращения, реализованы именно на базе ДПТ. Кроме того, электрические машины на постоянных магнитах благодаря своей эффективности и большой плотности мощности широко используются в оборонительной отрасли.

Впрочем, не стоит думать, что вы не сталкивались вживую с данными механизмами. Отсутствие жестких ограничений по размерам приводит к тому, что мы зачастую их не замечаем. Например, в автомобилестроении используются только электродвигатели постоянного тока, причем, несмотря на различие в мощности, на всем грузовом транспорте и спецтехнике они запитаны от 24 вольт, в то время как на легковых автомобилях их рабочее напряжение составляет 12 вольт. Получая энергию от аккумуляторной батареи или генератора, они отвечают за позиционирование сидений, управление зеркалами, поднятие и опускание стекол, а также поддержание в салоне заданной температуры.

Впрочем, электродвигатели постоянного тока могут и сами приводить в движение транспортные средства, и это далеко не только игрушечные автомобили-аттракционы с 12-вольтным аккумулятором. Для того чтобы ощутить, насколько мощными могут быть эти устройства, достаточно оказаться вблизи проходящей мимо пригородной электрички, а мягкость и точность регулировки оборотов наглядно демонстрирует плавный разгон троллейбусов.

Данные электродвигатели широко применяются как в электрическом транспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), так и в подъемных устройствах (электрические подъемные краны).

Источник

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

28. Петлевая и волновая обмотки якоря МПТ. Принцип выполнения обмоток якоря. Виды обмоток и их области применения.

Типы обмоток. В настоящее время в основном применяют якоря барабанного типа, в которых проводники обмотка укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности якоря (рис. 8.13, а). Для того чтобы ЭДС, индуцированные в двух сторонах каждого витка, складывались, стороны его следует располагать под полюсами противоположной полярности (рис. 8.13,б). В этом случае в каждом витке индуцируется ЭДС, в два раза большая, чем в одном проводнике. Следовательно, как и вобмотках переменного тока, основной шаг обмотки должен быть примерно равен полюсному делению τ.

Обмотки барабанного якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также «лягушачью» (параллельно-последовательную) обмотку, вкоторой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секции присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу коллекторных пластин К. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков.

На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми (рис. 8.13, в). Шаг секции y₁ (его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению τ. При. y₁ = τ шаг называют диаметральным; при y₁ τ — удлиненным.

Рис, 8.14. Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединений ее секций (б)

Рис. 8.15. Формы якорных катушек при петлевой (а)и волновой (б) обмотках (при одновитковых секциях): 1, 4 — пазовые части; 2, 5 — лобовые части; 3 — задняя головка; 6 —концы секций, припаиваемые к коллектору

30. В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. В каждую из параллельных ветвей входит S_в = S/(2p) секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке

Условие 2а = 2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка. Следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. Поэтому простую петлевую обмотку часто называют параллельной.

На рис. 8.16,а показана схема расположения щеток в четырехполюсной машине и образующиеся параллельные ветви. В реальной машине коллекторные пластины 1, 2 смещены относительно соединенных с ними секций на половину полюсного деления, поэтому щетки расположены по осям главных полюсов, а соединенные с ними секции — на геометрической нейтрали ОА (рис. 8.16,б).

На рис. 8.17,а для примера изображена схема петлевой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 8.17,б — ее эквивалентная схема, показывающая последовательность соединения отдельных секций петлевой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви. Цифрами 1, 2, 3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое, я цифрами 1′, 2′, 3′ — лежащие в нижнем слое обмотки.

Рис. 8.16. Схема параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины и расположение условных и реальных полюсов

Рис. 8.17. Принципиальная схема петлевой обмотки четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = K = 24, y1 = 6, y2=5, y = yк=1

ЭДС Е, индуцированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки, теоретически должны быть равны. Практически из-за технологических допусков в величинах воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, а поэтому в параллельных ветвях индуцируются неодинаковые ЭДС. Разница между ними составляет 3 — 5%, однако вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря эта ЭДС оказывается достаточной, для того чтобы по параллельным ветвям, даже при холостом ходе, проходили довольно значительные уравнительные токи, которые загружают щетки и способствуют возникновению искрения на коллекторе. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения точек обмотки, имеющих теоретически равные потенциалы. Обычно между собой соединяют коллекторные пластины, к которым подключены равнопотенциальные точки обмотки (см. штриховые линии на рис. 8.17, а). Практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря, т. е. снабжать уравнителями 1/2 или 1/3 коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них ЭДС не индуцируется. Проходящие по уравнительным соединениям токи, идя по параллельным ветвям обмотки якоря, создают МДС, которые уменьшают неравенство магнитных потоков отдельных полюсов.

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 8.18, а). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Результирующий шаг обмотки (рис. 8.18,б) у = у₁ + у₂, частичные шаги (у₁≈ y₂)приблизительно равны

Рис. 8.18. Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения секций (б)

полюсному делению τ, а шаг по коллектору у_к — двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору у_к и количеством коллекторных пластин К существует зависимость: pу_к ± 1 = К, откуда

Следовательно, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум; поэтому такую обмотку часто называют последовательной. Уравнительные соединения при простой волновой обмотке не требуются, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях.

Последовательность соединения отдельных секций волновой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви показаны на рис. 8.19 на примере волновой обмотки чегырех-полюсной машины, имеющей 19 секций. При волновой обмотке в машинах малой мощности устанавливают только два щеточных пальца; в более мощных машинах для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев.

Области применения простых петлевых и волновых обмоток. Двухполюсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой обмоткой, так как при двух полюсах волно-вая обмотка превращается в петлевую. По мере увеличения мощности переходят к более компактным четырехполюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные. Четырехполюсные машины небольшой и средней мощности

Рис. 8.19. Принципиальная схема волновой обмотки четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = К =19, у1 = 5, у2 = 4, у = ук= 9

часто имеют волновую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений. При повышенном напряжении на щетках (до 1000 В и более) такую обмотку применяют в четырехполюсных машинах мощностью до 200—300 кВт.

Если напряжение на коллекторе невелико (110 или 220 В), то уже при мощности в десятки киловатт применяют четырехполюсные машины с петлевой обмоткой для уменьшения тока i_a в параллельной ветви. Его значение даже в весьма мощных машинах не должно превышать 250—300 А, так как при выполнении обмотки из проводников большого сечения возникают значительные технологические трудности при изготовлении якорных катушек и их укладке. При простой петлевой обмотке ток i_a = Ia/(2a) = Ia/(2p), поэтому с увеличением мощности и тока машины для сохранения тока i_a в допустимых пределах увеличивают число полюсов.

Рис. 8.20. Схема соединения секций лягушачьей обмотки (а), форма ее якорной катушки (б) и расположение проводников в пазах (в): 1 — петлевая обмотка; 2 —волновая обмотка

Сложные обмотки. При мощности более 1000 кВт становится выгодным применять сложные многоходовые обмотки якоря. В простейшем случае многоходовые обмотки представляют собойm простых петлевых или волновых обмоток, наложенных на общий якорь и смещенных относительно друг друга. В сложной петлевой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2pm, а в сложной волновой — 2а = 2m, где m — число ходов обмотки. Результирующий шаг обмотки и шаг по коллектору соответственно равны: у = у_к = ±т; у = у_к = (К ± т)/р. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных. соединений.

В машинах большой мощности часто используют параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, представляющую собой комбинацию простой петлевой и многоходовой волновой обмоток (рис. 8.20). Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Чтобы уравнять ЭДС параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей 2а этих обмоток должно быть одинаковым; для этого число ходов τ волновой обмотки должно быть равно р. Секции волновой и петлевой обмоток являются друг для друга уравнителями, поэтому лягушачью обмотку выполняют без специальных уравнительных соединений.

29.Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока. Выбор типа обмотки якоря.

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединены параллельно через щеточный контакт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всеми про­стыми обмотками практически невозможно, поэтому ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и можем вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения (уравнители) вто­рого рода, спомощью которых простые обмотки, входящие в сложную, электрически соединяют между собой в точках равного потенциала. Таким образом, если уравнители первого рода устра­няют нежелательные последствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в рас­пределении потенциала по коллектору при сложных обмотках якоря.

На рис. 25.9 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, соединяющими точки равного потен­циала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. Эти точки отстоят друг от друга на расстоянии потен­циального шага

.

Секцию 2соединяют с секцией11, секцию3 — с секцией12 и т. д. (на схеме показаны лишь два уравнителя). Полное число уравнителей определяется по (25.12), но из соображения экономии меди обычно делают неполное число уравнителей второго рода.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода вы­полняют, как показано на рис. 25.12. Ввиду того что в этой обмот­ке каждую секцию одной из простых обмоток присоединяют к пластинам коллектора, расположенным через одну (например, к нечетным пластинам), то пластины, находящиеся между ними (на­пример, четные), делят напряжение каждой секции на две части. Для обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами необходимо, чтобы эти части были одинаковыми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (например 1и2) было равно половине напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяет с промежуточной пластиной (например, середину секции, присоединенной к пластинам1и 3, соединяют с пласти­ной2, как это показано на рис. 25.12). Такой уравнитель прихо­дится «протягивать» между валом и сердечником якоря через спе­циальное отверстие.

Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необхо­димы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Рис. 25.12. Уравнительные соединения второго

рода в сложной петлевой обмотке якоря

Комбинированная обмотка.Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, распо­ложенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 25.13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей при отсут­ствии уравнительных соединений. Однако неко­торая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравни­телей затруднено.

Рис. 25.13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 25.13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

,

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциаль­ному шагу [см. (25.11)]. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной об­мотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных вет­вей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2= 2, в волновой обмотке 2=2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с чис­лом =р. Число параллельных ветвей в комбинированной об­мотке 2 = 2 + 2 = 4.

Источник