Курс лекций по "Информатике"

Міністерство освіти і науки  України

 

Дніпродзержинський державний  технічний університет

 

С.П.Сторожко

 

 Конспект лекцій

 

з дисципліни „Електричні машини”

 на тему: „Машини постійного струму”

для студентів  спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент

 

 

 

 

 

Затверджено

редакційно-видавничою секцією

науково-методичної ради ДДТУ

___________,протокол №______

 

 

 

 

 

Дніпродзержинськ

2006

Розповсюдження і тиражування  без офіційного дозволу Дніпродзержинсь-кого державного технічного університету заборонено.

           

    Конспект лекцій з дисципліни „Електричні машини” на тему: „Машини постійного струму” для студентів спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент/ укл.:  к.т.н., доцент  Сторожко  С.П. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2006. -  74 с.

 

 

 

 

 

 

 

Укладач:  С. П. Сторожко,

доцент, канд. техн. наук 

 

 

Відповідальний за випуск:  О. В. Садовой 

проф., доктор техн. наук

 

 

Рецензент:  С.В.Количев,

доцент, канд..техн.наук кафедри  ЕО  

 

 

Затверджено на засіданні  кафедри  ЕО

Протокол  №      від       .      . 2006 р.

 

ЗМІСТ

стор,

1 ВСТУП   ... 5

1.1 Основні етапи розвитку машин постійного струму. . . .................. 5

1.2 Генераторобудування .... 5

1.3 Двигуни .... 6

2 КОНСТРУКТИВНІ  ОСОБЛИВОСТІ МПС .... 6

2.1 Основні деталі ...... 6

3 МАГНІТНЕ КОЛО................................................................................  7

3.1 Потік полюсів  ........................  7

          3.2 Закон повного струму    ....................................................................  8

          3.3 Ділянки магнітного кола ..................................................................  9

          3.4 МРС зазору........................................................................................   11

          3.5 МРС  зубцевої зони............................................................................   13

          3.6 МРС  спинки якоря............................................................................    16

           3.7 МРС полюсів і ярма.........................................................................    16

3.8 Характеристика намагнічування МПС...........................................    17

4 ОБМОТКИ ЯКОРЯ   МПС    ..............................................................   18

           4.1 Елементи та схеми обмоток ..    18

           4.2 Проста петльова обмотка (ПП0)  ..    22

           4.3 Проста хвильова обмотка (ПХО)  ..    24

           4.4 Складні петльової обмотки    (СПО)       ...   27

           4.5 Складна хвильова обмотка (СХО)     ...   28

           4.6 Умови симетрії обмоток     ...   28

           4.7 Урівнювачі ...   29

           4.8 Вибір і порівняння обмоток ...   30

           4.9 ЕРС обмотки якоря       ...   30

4.10  Електромагнітний момент МПС    ................................................   32   

5 МАГНІТНЕ ПОЛЕ МПС З НАВАНТАЖЕННЯМ..........................     33

5.1 Магнітне поле МПС ..    33

5.2 Розрахунки МРС якор……………………………………………….  34

5.3 Врахування впливу поля якоря……………………………………..  36

6 КОМУТАЦІЯ МПС … 38

6.1  Основні визначення та поняття    ………………………………….  38

          6.2 Рівняння струму комутуючої секції     … 39

          6.3 Лінійна комутація … 40

          6.4 Нелінійна комутація …  41

7 ГЕНЕРАТОРИ .   46

7.1 Загальні положення      .....................................................................    46

          7.2 Характеристики генераторів   ....     48

          7.3 Характеристики генератора незалежного збудження  ............... ..    49

          7.4 Характеристики генератора паралельного збудження  ................    53

          7.5 Генератор послідовного збудження      ..  57

          7.6 Генератор змішаного збудження      .. 57

8 ДВИГУНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ (ДПС)     59

8.1 Загальні положення     59

8.2 Енергетична діаграма     59

8.3 Рівняння моментів двигуна         60

8.4 Принцип дії  і рівняння напруг двигуна     61

8.5 Пуск ДПС     62

8.6 Реостатний пуск     64

8.7 Робочі характеристики ДПС     65

8.8 Механічні характеристики ДПС       ...............     67

8.9 Регулювання частоти обертання ДПС       69

8.10 Способи гальмування  ДПС...........................................................     72

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ     73

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1    ВСТУП

1.1 Основні етапи розвитку машин постійного струму (МПС)

 

Розвиток електричних  машин у другій половині 19-го століття є по суті історія створення МПС. Але започатковане це було ще в двадцятих роках цього століття.  1820 рік - відкрито явище електромагнетизму Ерстедом.  1822 рік - М.Фарадей виявив і сформулював принцип перетворення електроенергії в механічну (принцип електромагнітного обертання).  1824 рік - Варлоу сконструював першу принципову модель двигуна.  1833 рік - Є.Ленц започаткував правило Ленца та принцип оберненості електричних машин.

В 1831р. Фарадей сформулював  основний, наріжний закон електромагнітної індукції. Оберненість електромагнітного обертання та електромагнітної індукції найбільш плідно використовував Б.С. Якобі, який винайшов перший двигун постійного струму (ДПС).

Взагалі всі вище згадані  закони і відкриття в електротехніці призвели до розвитку МПС по двом шляхам: генараторобудування   та конструювання двигунів.

 

1.2 Генераторобудування

 

Відомо, що перші генератори - гальванічні елементи слугували  хімічним дослідам (алхімія, тощо...), тому перші МПС почали свій розвиток як генератори постійного струму (ГПС). Вчені розглядають чотири етапи розвитку та конструювання генераторів.

Перший етап (1831 - 1851 р.р.): Розвиток магнітоелектричних машин з постійними магнітами. Перша модель (1831 р. - автор невідомий з ініціалами Р.М.) була дуже перспективна - окремі деталі цієї МПС використовують і досі. 1832), Пиксі - обертова машина з коромислом Ампера, як випрямляч. 1833р., Риччі - машина з оберненим колектором і збудженням постійним струмом. До 1840 року ці машини удосконалювались з метою покрашення конструкції колектора. 1855р., Холмс - машина для живлення маяків і будівель.

Другий етап (1851р. - 1867р.)   перехід до машин з самозбудженням. 1861 ¸ 1867р.р., Уайлд - синхронні машини. 1856р., 2Т-подібний якорь,  1869р. - кільцеподібний якорь Пачінотти.

Третій етап (1867р. - 1871р.) - подальший розвиток теорії та практики самозбудження (Хіорт,  1855р. та інші. Сіменс практично реалізував принципи самозбудження. Максвелл - теоретичні дослідження магнітного поля.

Четвертий етап (1871р. - 1886р.) - 15 років, за які генератори досягли практичного завершення конструкції. Грамм впровадив якорь Пачінотті. 1872р. - барабанний якорь Гефнер-Альтенака; 1876р. - Яблочков - однофазний генератор. 1882р. - Вестон - двошарова обмотка якоря; 1880р. - Едісон - шихтований якорь.

1.3 Двигуни

 

Двигуни і генератори до 1860¸1870р.р. розвивались незалежно один від одного. Конструювання двигунів проходило також у кілька етапів.

Перший етап (1822р.-1834р.) - моделювання принципу електромеханічного перетворювача енергії зворотньо-поступового руху /Д.Генрі.- Педж/1846р, 1851р. - локомотив потужністю 16 к.с, швидкість до 30 км/год.

Другий етап (1834р.-1870р.) Б.С.Якобі, винахід багатополюсного обертового двигуна з прототипом колектора, потужність 500 Вт, на катері довжиною 8,5 (16 пасажирів,1838р.) Девенпорт в 1834р. незалежно від Якобі сконструював обертовий двигун постійного струму.

Третій етап (1867р.-1887р.) принцип самозбудження в двигунах постійного струму. 1862) - принцип синхронного обертання, Н.Тесла та Ферраріс (1888р.) асинхронний двигун; 1893р. - двигун з подвійною кліткою.

 

2 КОНСТРУКТИВНІ особливості МПС

 

2.1 Основні деталі

 

Конструктивна принципова схема (рис.2.1) позначає основні деталі машини: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - підшипники; 4 - вал; 5 - зазор; 6 - підшипникові щити; 7 - корпус.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 –  статор; 2 – ротор;  3 – підшипники;  4 – вал; 

5 – зазор;     6 – щити;  7 – корпус

 

Рисунок 2.1 – Конструктивна  схема машини

 

Статор і ротор включають  в себе стальні осердя, виготовлені з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35...0,5мм. В машині постійного струму (МПС) на статорі розміщують індуктор (полюси з обмотками), що забезпечує створення магнітного потоку в зазорі, на роторі - якорі, що слугує для створення ЕРС в його обмотці. Індуктор складається із головних полюсів, станини (корпус) та додаткових полюсів. Якір складений з осердя (на зовнішній поверхні якого виготовлені пази) та обмотки з мідного дроту. На одному валу з якорем розташовують одну з найважливіших деталей - колектор. Колектор машини являє собою порожнистий циліндр, що збирається з мідних пластин,  ізольованих одна від одної (та від валу) міканітом, та стягнутих за допомогою конусних гайок.

Всі вищезазначені частини, які слугують для проведення струму, або ж магнітного потоку через зазор, звуться активними частинами машини.

Добавочні полюси необхідні  в МПС для покращення комутації (іскріння під щітками на колекторі). Розташовують їх між головними полюсами по лінії геометричної нейтралі. Частіш за все ці полюси масивні, але для різкозмінного навантаження їх шихтують.

Колектор і якір напресовують на вал, який обертається в підшипниках (3). Підшипники закріплюються на бокових щитах 6, що,  в свою чергу, фіксуються до корпусу 7.

 

Контрольні  питання до тем 1,2

 

1. Які основні деталі МПС?

2. Що таке статор (ротор)?

3. Яку роль відіграє  індуктор МПС?

4. Що таке якір?

5. Де розташовується  якорна обмотка, для чого вона?

6. Що таке колектор? Його призначення.

7. Як фіксують щітки?

 

3   МАГНІТНЕ   КОЛО

 

3.1 Потік полюсів

 

Магнітним колом (МК) МПС зветься сукупність пристроїв для створення і підтримування магнітного потоку   Ф₀    через феромагнітні та неферомагнітні ділянки (поділки) магнітної системи. Потік Ф_о    створюється в зазорі (проміжку між статором і ротором) завдяки дії МРС індукторних обмоток на полюсах. Кількість полюсів 2р (р - кількість пар полюсів) завжди   парне число. Північні N    та південні    S  полюси МПС чергуються.

Магнітний потік полюса має дві складові:

• потік в зазорі шириною  d - Ф₀ – основний потік;
• потік, що замикається між полюсами по повітряному проміжку, незаходячи в осердя якоря: Ф_s

тому       

Тут коефіцієнт  К_s   зветься коефіцієнтом розсіювання.

В загальному випадку    К_s=1,15...1,25.  

Густина магнітного потоку в зазорі - індукція  В_d – визначає величину ЕРС машини - нерівномірна вподовж полюсної дуги   t (полюсна поділка)  якоря

де    Да    - діаметр якоря по його поверхні.

Картина поля в зазорі (рис.3.1) дозволяє знайти розрахункове значення індукції   В_d

 

Рисунок  3.1 – Картина поля в зазорі

 

Складна картина поля вподовж полюсної поділки   t     замінюється прямокутною (пунктир на рис.3.1) довжиною     в¢.

 

3.2 Закон повного струму

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 –  До закону повного струму

 

За основу розрахунку МК прийнято закон повного струму, аналітичний вираз якого наступний

ліва частина є інтеграл від напруженості магнітного поля по деякому замкненому контуру  (циркуляція вектора ); І_повн – алгебраїчна сума струмів, що входять в контур  . Якщо магнітне коло складається з декількох ділянок з постійним значенням напруженості вздовж них, то інтеграл  замінюється сумою інтегралів, а саме

       Тоді остаточно маємо:

тут W₁, W₂, W₃ … W_k – кількість витків з відповідними струмами І₁; І₂ і І₃ ...І _k в контурі. Тут і - номер ділянки кола,  К    - номер струму.

З ТОЕ відомо також, що: котушки з струмом    І _k, створюють:

1. - може бути знайдене з кривих намагнічування з метою вилучення проміжних величин   m_{і  та} m₀.

2. - може бути заданою згідно з методикою вирішення прямих задач магнітних кіл.

На цій підставі може бути установлений наступний порядок розрахунків магнітного кола:

1. Розподіл кола МК на відрізки (ділянки) з постійною напруженістю Н_і.

           2. Вибір або розрахунок індукції   В_і   кожної ділянки.

           3. Знаходження   Н_і.    за значенням В_і     на підставі кривих В=f(H) заданого матеріалу МК.

            4. Визначення середньої довжини ділянки l_і.