DC električni strojevi: namjena, konstrukcija, uređaj i načelo rada

strojevi istosmjerna struja (MPT) je opći pojam koji kombinira generatore (GPT) i motore (DPT). U pravilu, kad je riječ o MAT-u, podrazumijevaju se bipolarni strojevi, koji imaju naizmjenične "sjeverne" i "južne" magnetske uzbudne polove i mehaničku ili elektroničku sklopku struje rotirajućeg namotaja armature s jednim prstenastim polom (za razliku od unipolarnih strojeva). Također ćemo se pridržavati tog načela.

Klasifikacija MAT

U elektrotehnici i teoriji električnih strojeva uobičajeno je podijeliti MPT na uređaje s eksplicitnim i implicitno izraženim polovima uzbude, s cilindričnim ili višestrukim ležištem, s pobudom istosmjernih ili trajnih magneta, s mehaničkim kolektorom koji je usidren ili beskontaktan. Imenovanje DC strojeva dijeli ih na opće industrijske i specijalizirane. Među potonjim se može nazvati, na primjer, vuču DPT koja se koristi u željezničkom prometu. Postoje i metalurški DPT, posebice motori za valjaonice, itd.

Kao što je poznato, DC namotaji su podijeljeni na polja namota (OM) i armature (OH). Prvi služi za uzbuđivanje magnetskog polja uređaja, a drugi - za snabdijevanje strujom iz napojne mreže u režimu motora ili za napajanje električnog opterećenja u modu generatora. Tu su i namoti dodatnih polova, koji se koriste za olakšavanje procesa prebacivanja.

Električni istosmjerni strojevi, bez obzira na to jesu li oni generatori ili motori, mogu se klasificirati na temelju dijagrama spajanja njihovih uzbudnih i armaturnih namotaja. Oni mogu činiti jedan električni krug ili možda uopće nemaju električnu vezu (neovisna pobuda). Taj princip klasifikacije dijeli MAT na dva glavna tipa. Razumijete njihovu daljnju klasifikaciju na donjem dijagramu.

DC strojni uređaj

GPT se može koristiti kao DPT bez ikakvih promjena u dizajnu. Naravno, industrija proizvodi strojeve dizajnirane da rade kao motori i strojevi koji su generatori. Međutim, razlike među njima sastoje se u konstrukciji pojedinih dijelova, au fazi općeg upoznavanja može se zanemariti. Prema tome, dalje ćemo razmotriti uređaj DC stroja uopće, bez pozivanja na način njegovog rada.

Donja slika prikazuje poprečni presjek jednostavnog MPT-a s dva para različitih polova. Dizajn sadrži dva glavna dijela: stator i sidro. Uzmite u obzir koje dijelove čine.

Stator sadrži okvir, kao i glavni i dodatni polovi između njih (nisu prikazani na slici).

Krevet je vanjski konstruktivni pokrov MPT-a. Može se oblikovati od lijevanog željeza (na strojevima starih konstrukcija) ili zavarivati ​​iz debelih čeličnih limova. Ležište mehanički čvrsto drži cijeli sklop MPT-a. Osim toga, služi kao magnetski vodič za magnetski tok koji stvaraju glavni polovi.

Potonji su pričvršćeni na okvir vijcima ili zavarivanjem. Njihova je glavna svrha nositi svitke namotaja namotaja uzbude i međusobno povezivati ​​na takav način da se izmjenjuje magnetski polar polova, tj. Da bi nakon "sjevernog" stupa slijedio "jug", itd.

Vrhovi (cipele) za polove, koji su produžetak glavnih stupova, služe u dvije svrhe: spriječiti klizanje zavojnica i ravnomjerno raspodijeliti polje uzbude nad većim dijelom opsega zračnog raspora.

Sidro DC stroja sastoji se od jezgre s namotom, rukavca i osovine. Jezgra je čelični okvir cilindričnog oblika, izrađen od tankih čeličnih elemenata, obostrano obloženih izolacijskim lakom. To se radi kako bi se spriječilo pojavljivanje vrtložnih struja, koje nastoje zatvoriti u debljini jezgre. U svojim utorima postavljeni su dijelovi petlje ili valoviti navoj armature, kolektor DC stroja i četke. Navijanje armature mora biti spojeno na vanjsko napajanje istosmjernom strujom. Ali ne možete izravno spojiti igle namotavanja na mrežni ulaz, jer se okreće. Stoga je između mreže i namotaja armature ugrađen prekidač-kolektor koji je skup bakarnih ploča izoliranih jedna od druge, tvoreći vanjsku cilindričnu površinu odvojenu izolacijskim stazama. Fiksne kontaktne četkice klize po njoj kada se sidro s kolektorom okrene. Tako fiksirane četke fizički dolaze u kontakt s rotirajućim namotajem armature i uz njihovu pomoć se već možete spojiti na vanjsku mrežu DC stroja.

Razvoj struktura MTP-a

Prvi industrijski dizajn MPT pojavio se 70-ih godina. 19. stoljeće U početku su imali prstenasto sidro s toroidalnim (Gram) namotom. Nakon pronalaska sidra bubnja, dobili su gotov izgled, otprilike odgovarajući na gornju sliku. Međutim, dizajn DC strojeva u drugoj polovici 20. stoljeća. je doživjela prilično dramatične promjene. Prije svega, dotakli su stator. Umjesto jasno izraženih glavnih polova, počeli su koristiti implicitnu konstrukciju polova. U njoj je koncentrirani uzbudni svitak svakog glavnog stupa zamijenjen neznatno manjim zavojnicama smještenim u utorima laminiranog statora, koji ima pravokutni ili višestruki oblik, kao na slici ispod. U istim žljebovima statora postavljen je i kompenzacijski namot, o čemu će kasnije biti riječi. Kao rezultat toga, dizajn DC strojeva je postao mnogo lakši.

U vezi s razvojem kontroliranog asinkronog električnog pogona, neki stručnjaci izražavaju mišljenje o predstojećem raseljavanju asinkroni motori DPT iz njihovih tradicionalnih primjena, kao što su pogonski pogon ili pogon metalurških mehanizama. Međutim, prerano je govoriti o tome kao o svršenom činu.

Opći princip oblikovanja armaturnog namota

Bilo koji od armaturnih namotaja je kontinuirani strujni krug zatvoren u sebi, koji se sastoji od serijski povezanih dijelova (svitaka). U najjednostavnijem slučaju, presjek može predstavljati samo jedan okret s dva provodnika ili može biti višeokretan. Stranice utora sekcije uvijek su odvojene razmakom koji je nešto manji od dijela pola - dio oboda armature koja pada na jedan glavni stup. Stoga su u svakom dijelu uvijek pod glavnim polovima suprotnog polariteta. U jednom zatvorenom krugu dijelovi su spojeni na kolektorske ploče. Način na koji ova veza određuje vrstu namota. Na sljedećoj slici objašnjeno je načelo formiranja armaturnog namota DC stroja od šest višestrukih okretnih dijelova povezanih na kolektorske ploče.

U položaju prikazanom na slici četke dijele namotaj armature na dvije paralelne grane: gornju, koja se sastoji od sekcija L1 _, L2, L3 i donje, koja se sastoji od sekcija L4 _, L5, L6. Broj takvih grana ovisi o vrsti namota armature, ali je uvijek ravan i ne može biti manji od dva.

Namotaj armature petlje i vala

To su dvije glavne vrste namota, od kojih svaka ima nekoliko varijanti. Razmotrit ćemo njihove najjednostavnije opcije. Slika na lijevoj strani prikazuje oblik dijelova koji čine jednostavni navoj petlje armature DC strojeva. Kao što možete vidjeti, isti oblik sekcija je karakterističan za valni namot.

U prvoj verziji, jedan (početni, startni) izlaz svakog dijela dvostrukog okretaja je spojen na i-tu ploču kolektora, a drugi (konačni, konačni) izlaz je spojen na susjednu (i + 1) -nu kolektorsku ploču s početnim izlazom sljedećeg odjeljka (vidi sliku gore). Tako su zaključci svakog dijela pričvršćeni na dvije susjedne ploče, a sam dio, koji se sastoji od dva žljeba i dva frontalna dijela, oblikovan je kao petlja (otuda i naziv namota).

Dio valovitog namota ima zaključke koji nisu povezani sa susjednim pločama kolektora, već na onima koji su odijeljeni određenim korakom, koji se naziva korak navijanja duž kolektora. Za jednostavno navijanje petlje, yk = 1, a za jednostavni valni namot, yk = (K ± 1) / p, gdje je K broj ploča kolektora, p je broj parova glavnih polova. Kao što se može vidjeti na slici, kao rezultat ove metode spajanja, dijelovi dobivaju oblik sličan poluvalu sinusnog vala, koji je uzrokovao naziv namota.

Princip rada u načinu rada generatora

Prema izvornoj interpretaciji fenomena elektromagnetska indukcija u pokretnom vodiču, koji daje Faraday, kada prelazi linije magnetskog polja dok se kreće, u njemu se inducira EMF. Slijedeći ovaj princip, moguće je objasniti razlog za vodenje EMF-a u aktivnim vodičima (onima koji su položeni u žljebove) namotaja armature MPT. Doista, oni se kreću ispod glavnih stupova, prelazeći linije polja. Budući da su potonje kontinuirane, svaki vodič armature, bez obzira na to nalazi li se na njegovoj površini (kao što je bio u prvim MPT konstrukcijama) ili u prorezima, prolazi ispod pola, prelazit će sve linije polja koje izviru iz vrha. Smjer djelovanja uzrokovan EMF-om vodiča može se odrediti primjenom pravila za desnu stranu, što ilustrira donju sliku.

Provodnici utora armature u parovima dio su zavoja njegovih namotaja. Zbroj EM-a svitaka daje EMF svitka. Fiksne četke dijele cijeli namot armature na nekoliko (najmanje dvije) paralelne grane. Zbroj EM-a svih zavojnica uključenih u paralelnu granu daje EMF cijelog namota armature MPT. Stoga se princip rada istosmjernih strojeva pri radu s generatorom može formulirati na sljedeći način: armatura pobuđenog stroja se okreće pomoću pogonskog motora, u njegovom namotu se inducira elektromotorni napon, koji uzrokuje protok istosmjerne struje armature u zatvorenom krugu, uključujući namot, kolektor, četke i vanjsku mrežu s namotom.

U prisutnosti struje armature počinje djelovati elektromagnetski moment kočenja. To stvara opterećenje za pogonski motor. Što je veća električna snaga opterećenja generatora, to se njegova armatura više usporava i to je veće opterećenje pogonskog motora. U ovom slučaju, prema zakon o uštedi energije potonji troši toliko goriva da pogoni armaturu generatora tako da kemijska energija koja se oslobađa tijekom izgaranja umanjena za gubitke energije u motoru i generatoru bila bi jednaka energiji koju je uzelo električno opterećenje od DC stroja.

Uređaj i načelo rada u načinu rada motora

U ovom načinu rada struja armature se dovodi u namot iz dovodne mreže tijekom pokretanja. Amperne sile djeluju na provodnike utora armature strujama, koje su ispod glavnih polova. Njihov smjer određen je pravilom lijeve ruke, što je prikazano na donjoj slici. Njihov zbroj stvara rotirajući elektromagnetski moment armature (za razliku od kočenja u modu generatora) i dolazi u rotaciju.

Međutim, kod rotirajućih provodnika s prorezima, kao u načinu rada generatora, emf se inducira, što daje ukupnu emf navijanja armature. Djeluje suprotno opskrbnom naponu, djelomično ga uravnotežujući. To je načelo rada istosmjernih strojeva kada motor radi. U ovom slučaju, prema zakonu o očuvanju energije, onoliko električne energije dobiva se iz elektroenergetske mreže od strane motora prema potrebi mehanička energija za pogon pričvršćenog mehanizma uzimajući u obzir gubitke energije (električne i mehaničke). Drugim riječima, što je motor mehanički opterećen, tj. Što je veća težina i moment inercije mehanizama koji su pokrenuti od njih, ili što je veći trenutak otpora medija koji ometa njihovo kretanje, to je veća količina električne energije koju troši motor iz mreže.

O fizičkom mehanizmu EMF usmjeravanja u vodičima namotaja armature MPT

Valja napomenuti da se teoretičari ne sviđaju gore navedenom (i popularnom u tehničkoj literaturi) fizičkom mehanizmu vodenja EMF-a, budući da su linije magnetskog polja samo spekulativna slika koju je Faraday izumio opisati. Nema dokaza o njihovom stvarnom postojanju kao stvarnih fizičkih objekata.

Alternativni mehanizam za ciljanje elektromotornih sila u pokretnom prolaznom provodniku u armaturnom namotu MPT-a je učinak Lorentzove sile na elektrone unutar nje, koja je proporcionalna magnetskoj indukciji na mjestu vodiča. Međutim, ovdje postoji kontradikcija, koja se sastoji u činjenici da je unutar armaturnih otvora magnetska indukcija nestala, a to ne utječe na vrijednost EM-a vodiča. Dakle, umjesto indukcije u utoru, indukcija u zračnom rasporu se zamjenjuje u formulu, što je, naravno, pogrešno, ali daje rezultat blizak onome u praksi.

Izlaz iz tog sudara je prelazak na opis magnetskog polja ne pomoću vektora magnetske indukcije, nego pomoću vektorskog magnetskog potencijala. Istaknuti ruski inženjer elektrotehnike KM Polivanov bio je aktivni zagovornik tog pristupa. Detaljnije s ovim problemom može se naći u djelima autora.

MPT magnetsko polje pod opterećenjem

U opterećenom magnetskom polju postoje dvije vrste magnetskog fluksa: tok OM i tok RH generiran strujama ovih namota. Linije sile prvog od njih usmjerene su duž osi para stupova, kroz koje se zatvara, kao što je prikazano na slici 1 na slici ispod. Takav protok pobude naziva se uzdužni. Ako u MPT ima više od dva pola, onda je ovo polje također uzdužno u zračnom rasporu ispod vrha svake od njih.

Linije protoka snage OHA su zatvorene preko osi polova, stoga, kako se primjenjuju na MPT, one govore o poprečnom polju armature, što je prikazano na slici 2 na istoj slici.

Protok armature zbraja se s protokom pobude, formirajući rezultirajući protok. To pokazuje reakciju armature stroja s istosmjernom strujom, koja se sastoji u djelovanju poprečnog polja na uzdužno polje uzbude, čije su linije sile tako iskrivljene, zadebljanja u blizini jednog ruba pola i stanjivanje u blizini drugog. U GPT, zadebljanje polja sile, tj. Njegovo pojačanje u odnosu na polje uzbude, događa se ispod ruba pola koji se kreće prema sidru, a u DPT - ispod izbočenog ruba, kao što je prikazano na slici 3.

Nuspojave reakcije sidra

Zbog fenomena magnetskog zasićenja čelika, rezultirajuće polje ispod ruba pola, gdje se povećava, ne može se povećati u istoj mjeri da je oslabljeno ispod suprotnog ruba. Stoga je rezultat tog učinka opće smanjenje magnetskog polja opterećenog stroja. U slučaju generatora, slabljenje polja smanjuje generirani napon.

Reakcija istosmjerne armature iskrivljuje prostorni raspored naponskih vodova, stoga se mijenja položaj magnetske neutralne (MN) - u bipolarnom MPT je okomit na vodove struje pobude i podudara se s geometrijskim neutralnim GN. Četke treba staviti na MN, inače će uzrokovati iskrenje ispod njih. Dakle, zbog reakcije sidra, teško je odrediti točan položaj MN. Međutim, za to postoje dokazane metode u praksi.

Druga negativna posljedica tog učinka, koja značajno narušava radne karakteristike istosmjernog stroja, je povećanje maksimalnog napona između susjednih ploča. Ponovno pogledajte dijagram jednostavnog navijanja petlje. Ako su stranice nekih njegovih dijelova istodobno pod rubovima dvaju susjednih suprotnih glavnih polova s ​​povećanim poljem uslijed reakcije armature, tada napon induciran u ovom dijelu i, stoga, napon između para susjednih kolektorskih ploča može značajno premašiti njegovu vrijednost kada je reakcija armature odsutna tj. na praznom hodu. Štoviše, takav se višak obično javlja u više dijelova kolektora koji se nalaze u područjima povećanog polja. Kao rezultat toga, može postojati takav fenomen kao što je kružni požar na kolektoru, koji ga može potpuno uništiti. Stoga, bez posebnih konstruktivnih metoda suzbijanja reakcije armature, rad DC stroja koji ima srednju i veliku snagu je praktički nemoguć.

Načini rješavanja reakcije sidra

Najjednostavniji i prvi od prikazanih metoda bilo je povećanje zračnog raspora od sredine do rubova vrhova polova, tj. Izvršavanje odstupajućeg razmaka. Istodobno se povećava magnetski otpor protoku armature, a njegov utjecaj na polje pobuđenja se smanjuje. Ali otpor je porastao za uzbudni tok, koji je prisilio povećati dimenzije zavojnica na glavnim polovima.

Da bi se oslabio protok armature u izradi glavnih stupova, koristi se električni čelik s magnetskom anizotropijom svojih svojstava (magnetska permeabilnost) duž i preko osi polova. Polovi ovog čelika imaju dobar uzdužni protok pobude i slabo - poprečni tok armature. Međutim, takav je čelik vrlo skup, a njegova svojstva jako ovise o temperaturi i mijenjaju se tijekom vremena.

Konačno, nađeno je radikalno rješavanje reakcije armature DC stroja. Uređaj i načelo njegovog djelovanja nisu se značajno mijenjali u isto vrijeme, ali je dodan još jedan namot - kompenzacijski. On se postavlja u proreze načinjene na vrhovima glavnih stupova (ili u utorima statora zajedno s uzbudnim namotom s implicitnom polnom strukturom), kao što je prikazano na slici ispod, i spojen je u seriju s namotajem armature, tj. Kroz njih teče ista struja.

Međutim, smjer strujanja oko zavoja kompenzacijskog namota odabran je na takav način da je magnetski tok koji je pobuđen usmjeren prema toku reakcije armature i kompenzira ga.

Svi moderni DC električni strojevi, srednje i velike snage, opremljeni su takvim namotom.