2.3 Алгоритм первой части разрешения производственно-технической ситуации:

Вы предложили электротехническому персоналу самостоятельно проработать соответствующий теоретический материал по книге В. П. Овчаровой и В. В. Овчарова «Физические основы электротехники», дав ответы на следующие вопросы и выполнив следующие задания:

1. В чем суть явления электрического тока?

2. Дайте определение физической величине – электродвижущей силе.

3. Запишите определяющую формулу электродвижущей силы.

4. Объясните причину сопротивления проводника электрическому току.

5. Запишите расчетную формулу сопротивления проводника электрическому току.

6. Что понимается под удельным сопротивлением проводника электрическому току?

7. Дайте определение физической величине – силе электрического тока.

8. Запишите определяющую формулу силы электрического тока.

9. Сформулируйте закон электрического тока для замкнутой цепи.

10. Запишите математически закон электрического тока для замкнутой цепи.

11. В чем суть явления теплового действия электрического тока?

12. Сформулируйте закон теплового действия электрического тока.

13. Запишите математически закон теплового действия электрического тока.

14. В чем суть явления электромагнетизма?

15. Что понимается под силовыми линиями магнитного поля?

16. В чем состоит правило буравчика?

17. Дайте определение магнитной индукции магнитного поля.

18. Запишите определяющую формулу магнитной индукции и расшифруйте ее.

19. Какое магнитное поле называется однородным?

20. Дайте определение магнитного потока магнитного поля.

21. Запишите определяющую формулу магнитного потока и расшифруйте ее.

22. От чего зависит индуктивность катушки?

23. Запишите расчетную формулу индуктивности катушки и расшифруйте ее.

24. Запишите единицы магнитной индукции, магнитного потока, индуктивности.

25. В чем суть явления электромагнитной индукции в проводящем контуре?

26. Дайте определение электродвижущей силы.

27. Запишите определяющую формулу электродвижущей силы и расшифруйте ее.

28. Сформулируйте закон электромагнитной индукции в проводящем контуре.

29. Запишите математически закон электромагнитной индукции в проводящем контуре и расшифруйте его.

30. Объясните физический смысл знака минус в математической записи закона электромагнитной индукции в проводящем контуре.

31. Из каких основных частей состоит генератор постоянного тока?

32. Каково назначение главных полюсов генератора постоянного тока?

33. Каково назначение якоря генератора постоянного тока?

34. Как используется явление электромагнетизма в конструкции генератора постоянного тока?

35. Как используется явление электромагнитной индукции в проводящем контуре в генераторе постоянного тока?

36. В чем суть явления электромагнитной силы?

37. Дайте определение физической величине – магнитной индукции.

38. Запишите определяющую формулу магнитной индукции.

39. Сформулируйте закон электромагнитной силы.

40. Запишите математически закон электромагнитной силы.

2.4 Вторая часть разрешения производственно-технической ситуации.

Далее Вы описали устройство электродвигателя постоянного тока.

В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть — якорем.

Статор. Состоит из станины 8 и главных полюсов 6. С т а н и н а 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментальной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 6. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транс­портировку и монтаж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 6 и полюсной катушки 7. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердеч­ника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реак­ции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса . В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока состоит из вала 1, сердечника 5 с обмоткой и коллектора 3. Сердеч­ник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их провода­ми обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор 3 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе.

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 2 (со стороны коллектора) и задний 9. В центральной части щита имеется расточка под подшипник 12. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 10 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел — механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость.

Устройство электродвигателя постоянного тока аналогично устройству генератора постоянного тока. Свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя называется обратимостью. Отличием электродвигателя от генератора постоянного тока является назначение коллектора и щёточного механизма. У электродвигателя – это изменение направления тока в проводниках обмотки якоря (то есть сохранение направления вращения якоря электродвигателя).

Далее Вы объяснили принцип действия двигателя постоянного тока.

Принцип действия электродвигателя следующий: индуктор (обмотка возбуждения, расположенная на полюсах) создаёт основное магнитное поле. К обмотке якоря подводится постоянное напряжение и в ней протекает электрический ток. При протекании тока в обмотке якоря наблюдается явление электромагнитной силы. Силы, действующие на проводники обмотки якоря, создают вращающий момент и двигатель приходит во вращение (его якорь). При вращении якоря электродвигателя обмотка якоря пересекает магнитное поле, то есть проводящий контур (обмотка якоря) пронизывается переменным магнитным полем. Поэтому в ней возникает явление электромагнитной индукции и в обмотке якоря индуктируется э.д.с., противоположная направлению тока (противо-э.д.с.), которая описывается следующим выражением: .

В соответствии с физическими явлениями и процессами, протекающими в электродвигателе, его расчётная схема имеет следующий вид.

На расчётной схеме приведены следующие обозначения:

R_в – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

L_в – индуктивность обмотки возбуждения, Гн;

I_в – сила тока в обмотке возбуждения, А;

Е – э.д.с., наводимая в обмотке якоря, В;

R_я – сопротивление обмотки якоря, Ом;

L_Я – индуктивность обмотки якоря, Гн;

I_я – сила тока в обмотке якоря, А;

U – напряжение на зажимах электродвигателя, В.

Получили уравнение скоростной характеристики на основании расчётной схемы электродвигателя, для чего составили уравнение электрического равновесия якорной цепи и выразили потенциал точки Я2 (_Я2) через потенциал точки Я1 (_Я1):

_Я2 = _Я1 – R_яI_я – Е . (1)

Переписали (1) в следующем виде:

Е = _Я1 – _Я2 – R_яI_я . (2)

Учитывая, что _Я1 – _Я2 = U , получили следующее:

Е = U – R_яI_я . (3)

Или в другом виде:

kФ =U – R_яI_я . (4)

Из (4) получили уравнение скоростной характеристики электродвигателя – зависимость угловой скорости вращения якоря от силы тока в якорной цепи, напряжения на зажимах электродвигателя и магнитного потока:

. (5)

Г рафически данная зависимость (при U = const и Ф = const) выглядит следующим образом.

На рисунке ₀ – угловая скорость вращения якоря при идеальном холостом ходе электродвигателя (то есть I_я = 0):

. (6)

Объяснили управление двигателем постоянного тока.

Из уравнения скоростной характеристики (5) вытекает, что скорость электродвигателя можно регулировать следующими способами:

1. изменением напряжения на зажимах электродвигателя (напряжение, как правило, можно только снижать относительно номинального значения с помощью регулятора напряжения, поэтому скорость двигателя можно регулировать только вниз – в сторону снижения по сравнению с номинальным значением);

2. изменением силы тока возбуждения (силу тока возбуждения, как правило, можно только уменьшать относительно номинального значения с помощью реостата в цепи возбуждения, поэтому скорость двигателя можно регулировать только вверх – в сторону повышения по сравнению с номинальным значением);

3. изменением силы тока якоря (скорость двигателя можно регулировать вниз от скорости идеального холостого хода).

Направление вращения вала электродвигателя можно изменить, поменяв направление тока в обмотке якоря или в обмотке возбуждения (на основании правила «левой руки»), то есть поменяв местами соединительные провода, идущие к зажимам Я1 и Я2 или к зажимам Ш1 и Ш2. При одновременном изменении токов в обмотках электродвигателя направление его вращения не изменится.

В соответствии с изложенным выше, составили принципиальную электрическую схему управления двигателем.

Н а данной схеме приведены следующие обозначения:

РВ – регулировочный реостат в цепи возбуждения;

ОВ – обмотка возбуждения;

Ш1, Ш2 – зажимы обмотки возбуждения;

Я1, Я2 – зажимы обмотки якоря;

Я – якорь электродвигателя;

РП – пусковой реостат в цепи якоря;

РA – амперметр, измеряющий силу тока в обмотке якоря;

РV – вольтметр, измеряющий напряжение на зажимах электродвигателя.

В начальный момент пуска якорь электродвигателя неподвижен, поэтому противо-э.д.с. в обмотке якоря равна нулю (Е = 0). Следовательно, сила тока в обмотке якоря на основании (3) равна:

. (7)

Сопротивление обмотки якоря незначительное, поэтому сила тока в обмотке якоря в начальный момент пуска во много раз превысит номинальное значение, что является опасным для электродвигателя. Чтобы уменьшить силу тока в обмотке якоря при пуске, последовательно с этой обмоткой включают пусковой реостат РП.

При пуске регулировочный реостат в цепи возбуждения РВ должен быть выведен (R_рв = 0), а пусковой реостат введён.

Вы предложили студентам ответить на следующие вопросы:

1. Из каких основных частей состоит электродвигатель постоянного тока.

2. Каково назначение индуктора?

3. Какое явление используется в индукторе?

4. Каково назначение якоря?

5. Какие явления используются в работе якоря?

6. Объясните принцип действия электродвигателя постоянного тока.

7. Запишите уравнение скоростной характеристики электродвигателя и расшифруйте его.

8. Что нужно сделать с реостатом возбуждения, чтобы увеличить скорость двигателя?

9. Как изменится скорость двигателя при уменьшении напряжения на его зажимах?

10. Как можно уменьшить скорость двигателя с помощью пускового реостата?

11. Как поменять направление вращения двигателя?

12. Сформулируйте правило левой руки.

Затем Вы выполнили расчетное задание.