Лекция 13

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Курс лекций

Лекция 13

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

6.Электрические машины

6.1.Электрические машины постоянного тока

6.1.1.Конструкция машин постоянного тока

6.1.2.Принцип действия двигателя постоянного тока

6.1.3.Принцип действия генератора постоянного тока

6.1.4.Способы возбуждения машин постоянного тока

6.1.5.Схема замещения и уравнения электрического состоя-

ния

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

Введение. Основные понятия

Электрическая энергия обладает рядом преимуществ по сравнению с другими видами энергии. Это определяет ее повсеместное использование. Одно из основных преимуществ – возможность эффективного преобразования в механическую энергию, а также возможность преобразования механической энергии в электрическую. Это осуществляется посредством электромеханических преобразователей, среди которых наиболее важное место занимают электрические машины.

Электрические машины – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.

В первом случае такая электрическая машина называется электрическим двигателем, во втором – генератором электроэнергии.

Рис. В1. Преобразование энергии в электрической машине

Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает, что одна и та же машина может работать как электродвигателем, так и генератором. Если вращать вал электрической машины, то на зажимах ее электрической обмотки создается разность электрических потенциалов, а при подклю-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

2

ченном электроприемнике возникает электрический ток. Таким образом эта машина преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. является генератором электроэнергии. С другой стороны, если электрическую обмотку этой машины подключить к источнику электроэнергии, то в результате происходящих в ней процессов создается электромагнитный вращающий момент, под действием которого вал машины вращается и вращает приводной механизм. В этом случае машина преобразует электрическую энергию в механическую, т.е. является электрическим двигателем.

В основе работы электрических машин лежат проявления магнитного поля. В частности электромагнитный вращающий момент возникает при взаимодействии магнитного поля, создаваемого в электрической машине, с электрической обмоткой, в которой замыкается ток (силовое действие магнитного поля). При работе электрической машины ее обмотки перемещаются относительно магнитного поля. При этом в обмотках индуцируется ЭДС (индукционное действие магнитного поля). Совместное действие этих проявлений магнитного поля определяет свойства и характеристики электрической машины.

Таким образом, в основе конструкции электрических машин лежит магнитная цепь, в которой формируется магнитное поле определенной интенсивности и необходимым образом распределенное в пространстве.

Характер магнитного поля, создаваемого в электрической машине, может быть разным. Магнитное поле может быть постоянным, создаваться постоянным магнитом или электрической обмоткой с постоянным током. Магнитное поле может быть переменным, создаваться неподвижной электрической обмоткой с переменным током, либо обмоткой с постоянным током, расположенной на вращающейся части электрической машины. Ток в электрической обмотке, которая взаимодействует с магнитным полем, также может быть постоянным либо переменным. В зависимости от характера магнитного поля, конфигурации магнитопровода магнитной цепи машины, характера электрического тока в ее

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

3

обмотках все электрические машины можно разделить на типы:

1.Электрические машины постоянного тока;

2.Асинхронные электрические машины;

3.Синхронные электрические машины;

4.Специальные электрические машины.

В электрических машинах постоянного тока магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным электрическим током. Это магнитное поле определенным образом распределено в пространстве и неизменно во времени (рис.В2а).

а б в

Рис. В2. Магнитные цепи электрических машин 1 – машина постоянного тока; 2 – асинхронный двигатель;

3 – синхронная машина

Васинхронном электродвигателе (рис.В2б) магнитное поле создается неподвижной трехфазной электрической обмоткой с трехфазным электрическим током. Такое магнитное поле равномерно вращается в пространстве. Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя со второй обмоткой, расположенной на роторе, создает вращающий электромагнитный момент, под действием которого совершается механическая работа.

Всинхронной электрической машине (рис.В2в) магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным током, расположенной на вращающейся

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

4

части. При этом постоянное магнитное поле вращается вместе с якорем и взаимодействует с неподвижной трехфазной электрической обмоткой, находящейся на статоре синхронной машины.

К специальным электрическим машинам можно отнести такие, в которых создание магнитного поля и конструкция обмоток существенно отличаются от предыдущих типов машин.

6.1.Электрические машины постоянного тока

Вэлектрической машине постоянного тока (МПТ) осуществляется преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию (двигатель постоянного тока), или наоборот (генератор постоянного тока).

Электрические машины постоянного тока обладают принципом обратимости. Поэтому конструкция двигателя постоянного тока (ДПТ) принципиально не отличается от конструкции генератора постоянного тока (ГПТ).

6.1.1. Конструкция машин постоянного тока

На рис. 6.1.1.1 показа типичная конструкция машины постоянного тока общепромышленного применения.

Основными частями машины постоянного тока являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть машины, ротор – вращающаяся. Схематичное изображение машины постоянного тока показано на рис. 6.1.1.2. Статор состоит из станины 1, представляющий собой стальной полый цилиндр, являющейся механическим остовом машины и одновременно служащей частью магнитопровода. К внутренней поверхности станины крепятся главные полюсы 2 с обмоткой возбуждения (ОВ) 3. Катушки обмотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, включаются так, чтобы северные и южные полюсы чередовались.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

5

Между главными полюсами могут располагаться дополнительные полюсы 4, служащие для улучшения характеристик машины. Обмотка дополнительных полюсов включается в цепь ротора (якоря) МПТ. Общий вид статора машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 6.1.1.3.

Рис. 6.1.1.1. Конструкция электрической машины постоянного тока. 1-станина; 2-полюс; 3-обмотка возбуждения; 4-дополнительный полюс; 5-якорь; 6-обмотка якоря; 7-коллектор; 8-обмотка дополнительных полюсов; 9-щетки; 11-щеткодержатель; 12-подшипниковый щит; 13-подшипник; 14-вал; 15-вентилятор; 16-рым-болт; 17-клеммная коробка

Ротор машины постоянного тока называется якорем. Якорь 5 (рис. 6.1.1.2) представляет из себя цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности якоря имеются продольные пазы с уложенной в них обмоткой якоря (ОЯ) 6. Якорь помещается внутри статора и отделен от него небольшим воздушным зазором. Станина, полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь, по которой замыкается магнитный поток машины. На рис. 6.1.1.2 показаны две силовые линии магнитного поля.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

6

Рис. 6.1.1.2. Электрическая машина постоянного тока

Рис. 6.1.1.3. Статор машины постоянного тока.

1 – обмотка возбуждения; 2 – полюс статора; 3 – станина

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

7

Для соединения обмотки вращающегося якоря с внешней электрической цепью и коммутации тока якоря служит щеточно-коллекторный узел 7. Как показано на рис. 6.1.1.4, цилиндрический коллектор состоит из отдельных медных коллекторных пластин 1, изолированных друг от друга. Каждая пластина коллектора соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Коллектор крепится на валу машины и вращается вместе с якорем.

Рис. 6.1.1.4. Коллектор машины постоянного тока

К наружной поверхности коллектора прижимаются неподвижные электрические щетки 2, установленные в щеткодержателях. Во время работы машины коллектор скользит по щеткам, обеспечивая скользящий электрический контакт. Общий вид якоря машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 6.1.1.5.

Рис. 6.1.1.5. Якорь машины постоянного тока.

1 – сердечник якоря с обмоткой; 2 – коллектор; 3 – подшипник; 4 – вал

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

8

На рис. 6.1.1.6 показана машина постоянного тока серии ПЛ-061У4

.мощностью 60 Вт частотой вращения 1500 об/мин.

Рис. 6.1.1.6. Двигатель постоянного тока 1 – клеммная коробка; 2 – коллектор; 3 – подшипниковый щит; 4 - щетки

Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей показано на рис. 6.1.1.7.

Рис. 6.1.1.7. Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

9

6.1.2. Принцип действия двигателя постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 6.1.1.8. Здесь РМ – рабочий механизм, приводимый в движение электрическим двигателем.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к источнику постоянного напряжения Uв. Постоянный ток обмотки возбуждения Iв создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным на рис. 6.1.1.2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря двигателя постоянного тока.

Рис. 6.1.1.8. Схема включения двигателя постоянного тока

Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря Iя. Через скользящий щеточный контакт ток якоря подается в его обмотку таким образом, что его направление в проводниках, расположенных в зоне одного полюса, оказывается всегда постоянным (под северным полюсом – одного направления, под южным

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 13

10