Принцип работы постоянного тока. Принцип работы двигателя постоянного тока: устройство, особенности и применение

Как устроен двигатель постоянного тока. Какой принцип лежит в основе его работы. Где применяются двигатели постоянного тока и в чем их преимущества. Каковы особенности конструкции двигателей постоянного тока.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока работает на основе взаимодействия магнитных полей статора и ротора. Основные части двигателя:

• Статор с обмоткой возбуждения, создающей основное магнитное поле
• Ротор (якорь) с обмоткой, по которой протекает ток
• Коллектор с щетками для подвода тока к обмотке якоря

При подаче напряжения на обмотку якоря через щетки и коллектор в ней возникает ток. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем статора создает вращающий момент, приводящий ротор в движение.

Устройство двигателя постоянного тока

Основные конструктивные элементы двигателя постоянного тока:

• Станина — служит корпусом и магнитопроводом
• Главные полюсы со обмотками возбуждения
• Якорь с обмоткой
• Коллектор
• Щеточный аппарат
• Подшипниковые щиты

Якорь набирается из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах якоря укладывается обмотка из медного провода. Коллектор состоит из медных пластин, изолированных друг от друга.

Особенности двигателей постоянного тока

Основные особенности двигателей постоянного тока:

• Возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне
• Большой пусковой момент
• Линейность механической характеристики
• Компактность и высокая перегрузочная способность
• Необходимость в коллекторно-щеточном узле, требующем обслуживания

Какие преимущества дают эти особенности двигателям постоянного тока? Они позволяют точно регулировать скорость, развивать высокий момент при пуске, работать с постоянной мощностью при изменении нагрузки.

Применение двигателей постоянного тока

Основные области применения двигателей постоянного тока:

• Электропривод прокатных станов
• Тяговые двигатели электротранспорта
• Сервоприводы станков с ЧПУ
• Приводы подъемных кранов
• Электропривод экскаваторов
• Двигатели привода валков бумагоделательных машин

Где еще используются двигатели постоянного тока? В автомобильной электрике, бытовой технике, аудиотехнике, игрушках, медицинском оборудовании.

Преимущества двигателей постоянного тока

Основные достоинства двигателей постоянного тока:

• Высокая точность регулирования частоты вращения
• Большой диапазон регулирования скорости (до 1:10000)
• Высокие динамические характеристики
• Большая перегрузочная способность по моменту
• Возможность прямого подключения к источнику постоянного тока

Какие задачи позволяют решать эти преимущества? Точное позиционирование, плавный разгон и торможение, работа с переменной нагрузкой, питание от аккумуляторов.

Недостатки двигателей постоянного тока

Основные недостатки двигателей постоянного тока:

• Наличие щеточно-коллекторного узла
• Искрение щеток
• Повышенный шум при работе
• Необходимость регулярного обслуживания коллектора и щеток
• Относительно высокая стоимость

Как эти недостатки влияют на эксплуатацию? Они ограничивают ресурс двигателя, требуют периодической замены щеток, создают радиопомехи, усложняют применение во взрывоопасных средах.

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Существуют следующие способы возбуждения двигателей постоянного тока:

• Независимое возбуждение — обмотка возбуждения питается от отдельного источника
• Параллельное возбуждение — обмотка возбуждения подключена параллельно якорю
• Последовательное возбуждение — обмотка возбуждения включена последовательно с якорем
• Смешанное возбуждение — сочетание параллельного и последовательного

Как выбор способа возбуждения влияет на характеристики двигателя? От этого зависят форма механической характеристики, диапазон регулирования скорости, перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения

Основные способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока:

• Изменение напряжения на якоре
• Изменение тока возбуждения
• Введение добавочного сопротивления в цепь якоря
• Импульсное регулирование напряжения

Какие преимущества дают эти способы регулирования? Они позволяют плавно и в широком диапазоне изменять скорость вращения, обеспечивая при этом экономичные режимы работы двигателя.

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4,

а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i.

По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.

е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом

Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между

Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, варианты конструкций

Аналоги мировых брендов. Подробнее>>

Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).

Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.

Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя

Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть).  На статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к  обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.

Варианты конструкции двигателя

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Преимущества и недостатки

Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.

Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла. Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.

Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.

Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.

Большая удельная мощность. Возможность  достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.

Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.

Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.

Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя. Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.

Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Поделиться:

Нельзя добавить товар к сравнению. Вы уже добавили к сравнению товар из категории « XXX». Очистите список сравнения и попробуйте ещё раз.

Товар успено добавлен в корзину

Ваш город

• Москва
• Санкт-Петербург
• Новосибирск
• Екатеринбург
• Казань
• Нижний Новгород
• Челябинск
• Самара
• Омск
• Ростов-на-Дону
• Уфа
• Красноярск
• Воронеж
• Пермь
• Волгоград
• Краснодар
• Саратов
• Тюмень
• Тольятти
• Ижевск
• Барнаул
• Ульяновск
• Иркутск
• Хабаровск
• Ярославль
• Владивосток
• Махачкала
• Томск
• Оренбург
• Кемерово

Извини, ничего не нашлось

Ваш заказВаша корзина пуста

Спасибо, ваше сообщение отправлено. Мы ответим вам как только сможем.

Перезвонить мне

Спасибо, ваше сообщение отправлено. Мы ответим вам как только сможем.

Сайт использует cookies для вашего удобства. Политика конфидинциальности и Правила использования. Принять

Политика конфиденциальности

Принцип действия, устройство электрических машин постоянного тока

По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Несмотря на большое разнообразие конструкций, общие принципы работы электрических машин одинаковы. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.

Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств-выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Простейший генератор постоянного тока (рис. 168, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком.

Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала и представляют из себя в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки I и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь. При вращении в магнитном поле в рамке будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. При этом направление э. д. с., индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки.

В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки (рис. 168, а и б), поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по величине. График изменения э.д.с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 168), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, изображенный на схеме г. Как видно из последнего графика, э.д.с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по величине от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э.д.с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего. Чтобы «сгладить» пульсацию и получить ток во внешней цепи, близкий к постоянному по величине, в генераторах устанавливают не один виток с двумя полукольцами, а очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на небольшой угол и при вращении всех витков пульсация значительно уменьшается.

В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине. На практике в генераторах берется такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э.д.с. имеет совершенно незначительную пульсацию (порядка 1% от среднего значения э.д.с.) и ее величина поэтому считается постоянной.

Конструкции основных элементов генераторов и двигателей постоянного тока, вследствие общности их принципов и обратимости работы, одни и те же.

На рис. 169 показаны основные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами — электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.

Станиныу современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т. д.).

К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников (рис. 170).

Вследствие общности принципов работы основные элементы конструкции генераторов и дви¬гателей постоянного тока одни и те же.

Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное (2, 4, 6 и более). При этом северные и южные полюсы чередуются между собой. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечники, собираются из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляются отдельно от станины и крепятся к ней, как это показано на рис. 170.

Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная э.д.с.; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладываются секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяются между собой в определенной последовательности.

Набранный таким образом якорь надевается на стальной вал машины, на котором он закрепляется при помощи шпонки.

На одном валу с якорем насажен коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала машины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаивается начало одной и конец другой секции. Пластины изготовляются из твердотянутой меди соответствующего профиля и изолируются друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с концами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление, в которое вводят (вбивают) концы секций, произведя их пайку.

Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.

Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать искрения, повышения сопротивления и нагрева.

В современных электрических машинах применяют угольные, меднографитные и графитные щетки.

Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.

На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения машины с сетью. Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором)—статором.

Устройство и принцип действия и применение машин постоянного тока — Мегаобучалка

Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники Электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением был создан в России акад. Б. С. Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера. Принцип обратимости электрических машин был также впервые сформулирован русским физиком акад. Э. X. Ленцем. В дальнейшем ряд коллекторных машин постоянного тока был создан Г. Феррарисом, В. Сименсом и др. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжалось развитие теории и совершенствование конструкции машин постоянного тока. Большое внимание обращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновения искрения под щетками (улучшения коммутации) и образования кругового огня на коллекторе.

Важное значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгер-ского электротехника О. В. Бенедикта и др.

В настоящее время в рамках Интерэлектро разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Рис. 8.1. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 — главные полюсы; 3 — якорь; 4 — обмотка якоря; 5 — щетки; 6 — корпус (станина)

Принцип действия. Машина постоянного тока (рис. 8.1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток Iв , который создает магнитное поле возбуждения Фв . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС на рис. 8.1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 8.1,б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки Rн через обмотку якоря проходит постоянный ток Iа , направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи ia ).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

Принцип действия и устройство машин постоянного тока

Модуль 4: «Машины постоянного тока »

(Конспект лекций)

1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока

(Тема 39)

1. 1. Принцип действия машин постоянного тока

Режим генератора. На рис. 1.1, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.1, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.

Магнитный поток проходит от северного полюса к южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.1) и замыкается по ярму машины (на рис. 1.1 ярмо индуктора не показано).

Якорь набран из пластин электротехнической стали и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка, в рассматриваемом случае, состоящая из одного витка.

Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3, число которых в раcсматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется  с внешней цепью.

Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. В проводниках обмотки якоря, перемещающемся в магнитном  поле, наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС индуктируется только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции

,                                         (1.1)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле;  u – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.

Индуктируемые в проводниках ЭДС по контуру витка складываются и ЭДС витка

                                (1.2)

ЭДС  является переменной, так как проводники обмотки проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в них меняется. По форме кривая ЭДС повторяет кривую индукции в зазоре машины. Частота ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря n (об/с):

                                                       

в полюсной машине

                                           (1.3)

Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток

                                     (1.4)

Этот ток будет переменным и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.2, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда будет находиться пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.2, б.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи.

Ток обмотки якоря:

а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:

;                              (1. 5)

б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности.

 

Уравнение мощностей получим умножив  (1.5) на ток

                                                                   (1.6)

или

,               (1.7)

где — электромагнитная мощность генератора; р — мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора; Р₂ — мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.

Из (1.7) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.

Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы (см. рис.1.1, б)

,                                    (1.8)

направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом (см. рис.1.1, б):

,                                   (1. 9)

где диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.

Режим двигателя. Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.1, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.8) и (1.9). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение и машина будет развивать механическую мощность. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

В проводниках обмотки вращающегося якоря по закону эле-ктромагнитной индукции наведется ЭДС, определяемая по формуле (1.1) и направленная против тока.

На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:

              (1. 10)

или

.                                         (1.11)

Умножив (1.11) на ток, получим

,                                     (1.12)

или

                                         (1.1З)

Из (1.13) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р₁, а остальная покрывает потери.

Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электромагнитной индукции , сформулированном Фарадеем (или  — в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электромагнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.5), (1.11) следует: в двигательном режиме  > , генераторном > .

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при  В

,

соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.3, а. При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой на рис. 1.3, б.

 В проводниках, расположенных по одну сторону симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят

 другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими.

Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

В половине обмотки ( в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.3, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.

1.2. Устройство машины постоянного тока

Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.4). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника. В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора. Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо в современных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из листового проката или стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — 3 Технологические требования к подготовке полуфабрикатов для супов.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т.е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. В поле полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 — стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.

В сердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы в зависимости от выбранной системы вентиляции.

Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 — механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре, в постоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя). Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изоли-рованных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины в цилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14. В щеткодержателях помещены щетки (графитные или медно-графитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает в машину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.

Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1000 В (для электрифицированных железных дорог до 1500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации в дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.

10. Машины постоянного тока. Устройство и принцип действия. Основные соотношения. Характеристики.

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Устройство электрической машины постоянного тока.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).  На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.  Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Рис. 1

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

Рис. 2

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.  Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.  Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.   Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.  Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя. Основные уравнения.

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток I_я. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент:

где C_M — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя. 

На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Рисунок 12

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС. 

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент М_эм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М₂ механизма, приводимого во вращение.

Н

Рисунок 13

а рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда . (3)

Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)

(5)

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения I_в, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n₂ можно регулировать следующими способами:

1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;

2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;

3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Рисунок 14

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.   Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

Н а рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Рисунок 15

Рисунок 16

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k — коэффициент пропорциональности.  Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Откуда

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

Рисунок 17

Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения выглядит следующим образом:

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.   С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.

Различают следующие виды машин постоянного тока:

• по наличию коммутации:

• по типу переключателей тока:

• по мощности:

  • микромашины — до 500Вт;

  • малой мощности — 0,5-10 кВт;

  • средней мощности — 10-200 кВт;

  • большой мощности — более 200 кВт.

• в зависимости от частоты вращения:

  • тихоходные — до 300 об./мин.;

  • средней быстроходности — 300—1500 об./мин.;

  • быстроходные — 1500-6000 об./мин.;

  • сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.

• по расположению вала:

  • горизонтальные;

  • вертикальные.

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном.

Электродвигатель

Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

Генератор

В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.

Генератор постоянного тока – определение, составные части и принцип работы

Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются электрическими генераторами. Произведенная электрическая энергия далее передается и распределяется по линиям электропередач для бытового, коммерческого использования. Существует два типа генераторов:

• Генератор переменного тока

• Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока представляет собой тип электрического генератора, который преобразует механическую энергию в электричество постоянного тока. Однако генератор, который преобразует механическую энергию в электричество переменного тока, является генератором переменного тока.

Вы знаете, почему мы изучаем принцип работы генераторов? На этой странице мы ответим на все наши вопросы по деталям генератора постоянного тока, принципу работы и тому, как мы описываем его в математических терминах.

Что насчет генераторов постоянного тока?

В генераторах постоянного тока преобразование энергии основано на принципе динамического производства ЭДС. Эти генераторы больше всего подходят для автономных приложений. Генераторы постоянного тока обеспечивают постоянную мощность для электроаккумуляторов и электрических сетей (DC).

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Генератор постоянного тока состоит из следующих частей —

1. Статор — Статор представляет собой набор из двух магнитов, расположенных таким образом, что противоположные полярности обращены друг к другу. Цель статора — создать магнитное поле в области вращения катушки.

2. Ротор — Ротор представляет собой цилиндрический многослойный сердечник якоря с прорезями.

3. Сердечник якоря — Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и имеет канавки на внешней поверхности. В этих пазах размещается обмотка якоря.

4. Обмотка якоря — Это изолированные проводники, помещенные в сердечник якоря. Благодаря им происходит фактическое преобразование мощности.

5. Катушки возбуждения — Для создания магнитного поля катушки возбуждения размещаются над полюсным сердечником. Катушки возбуждения всех полюсов соединены последовательно. Когда через них протекает ток, соседние полюса приобретают противоположную полярность.

6. Хомут — внешняя полая цилиндрическая конструкция известна как Хомут. Он обеспечивает поддержку основных и межполюсных полюсов и обеспечивает путь с низким магнитным сопротивлением для магнитного потока.

7. Полюса — Основная функция полюсов — поддержка катушек возбуждения. Он увеличивает площадь поперечного сечения магнитопровода, что приводит к равномерному распространению магнитного потока.

8. Полюсный башмак — Для защиты катушки возбуждения от падения и для улучшения равномерного распространения магнитного потока используется полюсный башмак. Башмак для столба крепится к хомуту.

9. Коллектор — Коллектор имеет цилиндрическую форму. Несколько клиновидных жесткотянутых медных сегментов образуют коммутатор. Функции коммутатора:

Принцип работы генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока работает по принципу электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Фарадея, всякий раз, когда проводник помещается в флуктуирующее магнитное поле (или когда проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Если проводник проходит по замкнутому пути, ток будет индуцироваться. Направление индуцированного тока (определяемое правилом правой руки Флеминга) изменяется при изменении направления движения проводника.

Например, рассмотрим случай, когда якорь вращается по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь совершит полуоборот, направление движения проводника изменится на обратное вниз. Направление тока будет переменным. При перепутывании соединений проводников якоря происходит реверсирование тока. Таким образом, мы получаем однонаправленный ток на клеммах.

Уравнение ЭДС генератора постоянного тока

Уравнение ЭДС для генератора постоянного тока выражается следующим образом:

Eg = (PØNZ)/60A

Где,

Eg — Генерируемая ЭДС на любом параллельном пути

P — Общее количество полюсов в поле

N — Вращательное скорость якоря (об/мин)

Z — Общее количество проводников якоря в поле.

Ø- Магнитный поток, создаваемый на полюс.

А — количество параллельных путей в якоре.

Потери в генераторах постоянного тока

При преобразовании механической энергии в электрическую имеют место потери энергии, т.е. не весь вход преобразуется в выход. Эти потери подразделяются в основном на три типа:

Потери в меди. Эти потери возникают при протекании тока по обмоткам и бывают трех типов: потери в меди в якоре, потери в обмотке возбуждения и потери из-за сопротивления щеток.

Потери в железе — Из-за индукции тока в якоре возникают потери на вихревые токи и потери на гистерезис. Эти потери также называются потерями в сердечнике или магнитными потерями.

Механические потери. Потери, возникающие из-за трения между частями генератора, называются механическими потерями.

Типы генераторов постоянного тока

Существует три типа генераторов постоянного тока с самовозбуждением:

• Серийные генераторы обмотки.

• Генераторы шунтовых ран.

• Генераторы составных ран.

Применение генераторов постоянного тока

Применение генераторов постоянного тока:

1. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением используется для питания и освещения с помощью регуляторов возбуждения.

2. Генератор постоянного тока серии используется в дуговых лампах для генератора стабильного тока, освещения и усилителя.

3. Уровневые составные генераторы постоянного тока применяются для электроснабжения общежитий, офисов, лоджей.

4. Составные генераторы постоянного тока используются для питания сварочных аппаратов постоянного тока.

5. Генератор постоянного тока используется для компенсации падения напряжения в фидерах.

Генератор постоянного тока: принцип работы и схемы

Прежде чем мы сможем объяснить принцип работы генератора постоянного тока, нам нужно познакомиться с основами генераторов.

Существует два типа генераторов – генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока. Генераторы постоянного и переменного тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Генератор постоянного тока производит прямую мощность, а генератор переменного тока производит переменную мощность.

Оба этих генератора производят электроэнергию на основе закона электромагнитной индукции Фарадея.

Этот закон гласит, что когда проводник движется в магнитном поле, он пересекает магнитные силовые линии, что индуцирует электромагнитную силу (ЭДС) в проводнике.

Величина этой индуцированной ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока (силы магнитной линии) связи с проводником. Эта ЭДС вызывает протекание тока, если цепь проводника замкнута.

Таким образом, двумя основными основными частями генератора являются:

1. Магнитное поле
2. Проводники, которые движутся внутри этого магнитного поля.

Теперь, когда мы поняли основы, мы можем обсудить принцип работы генератора постоянного тока . Вам также может быть полезно узнать о типах генераторов постоянного тока.

На рисунке выше одна петля проводника прямоугольной формы помещена между двумя противоположными полюсами магнита.

Рассмотрим прямоугольную петлю проводника ABCD, которая вращается внутри магнитного поля вокруг своей оси ab.

Когда петля поворачивается из вертикального положения в горизонтальное, она пересекает линии потока поля. Так как при этом движении две стороны, т. е. AB и CD петли, пересекают силовые линии, то в обеих сторонах (AB и BC) петли будет индуцироваться ЭДС.

Когда петля замыкается, по петле циркулирует ток. Направление тока можно определить по правилу правой руки Флемминга.

Это правило гласит, что если большой, указательный и средний пальцы правой руки вытянуть перпендикулярно друг другу, то большие пальцы указывают направление движения проводника, указательный — направление магнитного поля, т.е. , N – полюс к S – полюс, а средний палец указывает направление тока через проводник.

Теперь, если мы применим это правило правой руки, мы увидим, что при этом горизонтальном положении петли ток будет течь из точки A в B, а на другой стороне петли ток будет течь из точки C в D.

Теперь, если мы позволим петле двигаться дальше, она снова вернется в свое вертикальное положение, но теперь верхняя сторона петли будет CD, а нижняя сторона будет AB (как раз напротив предыдущего вертикального положения).

В этом положении тангенциальное движение сторон петли параллельно силовым линиям поля. Следовательно, не будет и речи о срезании потока, а следовательно, и тока в петле.

Если петля вращается дальше, она снова приходит в горизонтальное положение. Но теперь указанная сторона петли AB находится перед полюсом N, а сторона CD находится перед полюсом S, то есть прямо напротив предыдущего горизонтального положения, как показано на рисунке рядом.

Здесь тангенциальное движение стороны петли перпендикулярно линиям потока; следовательно, скорость срезания потока здесь максимальна, и, согласно правилу правой руки Флемминга, в этом положении ток течет от B к A, а с другой стороны от D к C.

Теперь, если петля продолжает вращаться вокруг своей оси. Каждый раз, когда сторона AB оказывается перед полюсом S, ток течет от A к B. Опять же, когда сторона AB проходит перед полюсом N, ток течет от B к A.

Аналогично, каждый раз, когда сторона CD входит перед полюсом S ток течет от C к D. Когда сторона CD оказывается перед полюсом N, ток течет от D к C.

петля находится перед полюсом N, ток будет течь через эту сторону в том же направлении, т. е. вниз к плоскости отсчета.

Аналогично, каждая сторона контура заходит перед полюсом S, ток через него течет в том же направлении, т. е. вверх от плоскости отсчета. Отсюда мы подойдем к теме принципа работы генератора постоянного тока .

Теперь петля открыта и соединена с разрезным кольцом, как показано на рисунке ниже. Разрезные кольца, выполненные из проводящего цилиндра, разрезают на две половинки или сегменты, изолированные друг от друга.

Мы соединяем клеммы внешней нагрузки с двумя угольными щетками, которые опираются на эти разъемные сегменты токосъемных колец.

Принцип работы генератора постоянного тока

Мы видим, что в первой половине оборота ток всегда течет по ABLMCD, т.е. щетка № 1, контактирующая с сегментом а.

В следующем полуобороте, как показано на рисунке, направление индукционного тока в катушке меняется на противоположное. Но в то же время положение сегментов a и b также меняется на противоположное, в результате чего щетка № 1 касается сегмента b.

Следовательно, ток в сопротивлении нагрузки снова течет от L к M. Форма волны тока через цепь нагрузки показана на рисунке. Этот ток однонаправленный.

Приведенное выше содержание представляет собой основной принцип работы генератора постоянного тока , объясняемый моделью генератора с одним контуром.

Расположение щеток генератора постоянного тока таково, что переключение сегментов а и b с одной щетки на другую происходит, когда плоскость вращающейся катушки находится под прямым углом к ​​плоскости силовых линий . Чтобы стать в таком положении, ЭДС индукции в катушке равна нулю.

электрогенератор | инструмент | Британика

электрогенератор

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Чарльз Протеус Стейнмец Рукс Эвелин Белл Кромптон Джон Хопкинсон Сильванус Филлипс Томпсон Эдвард Уэстон

Похожие темы:

магнитогидродинамический генератор энергии термоэмиссионный преобразователь энергии генератор переменного тока коммутатор статор

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электрический генератор , также называемый динамо-машиной , любая машина, которая преобразует механическую энергию в электричество для передачи и распределения по линиям электропередач бытовым, коммерческим и промышленным потребителям. Генераторы также производят электроэнергию, необходимую для автомобилей, самолетов, кораблей и поездов.

Механическая мощность для электрического генератора обычно получается от вращающегося вала и равна крутящему моменту вала, умноженному на вращательную или угловую скорость. Механическая энергия может поступать из ряда источников: гидравлические турбины на плотинах или водопадах; Ветряные турбины; паровые турбины, использующие пар, полученный с использованием тепла от сжигания ископаемого топлива или ядерного деления; газовые турбины, сжигающие газ непосредственно в турбине; или бензиновые и дизельные двигатели. Конструкция и скорость генератора могут значительно различаться в зависимости от характеристик механического первичного двигателя.

Почти все генераторы, используемые для питания электрических сетей, генерируют переменный ток, который меняет полярность с фиксированной частотой (обычно 50 или 60 циклов или двойное изменение направления в секунду). Поскольку несколько генераторов подключены к электрической сети, они должны работать на одной частоте для одновременной генерации. Поэтому они известны как синхронные генераторы или, в некоторых случаях, генераторы переменного тока.

Генераторы синхронные

Основная причина выбора переменного тока для силовых сетей заключается в том, что его постоянное изменение во времени позволяет использовать трансформаторы. Эти устройства преобразуют электроэнергию любого напряжения и силы тока в высокое напряжение и малый ток для передачи на большие расстояния, а затем преобразуют ее в низкое напряжение, подходящее для каждого отдельного потребителя (обычно 120 или 240 вольт для бытовых нужд). Конкретной используемой формой переменного тока является синусоида, которая имеет форму, показанную на рисунке 1. Она была выбрана потому, что это единственная повторяющаяся форма, для которой две волны, смещенные друг от друга во времени, могут быть сложены или вычтены и имеют такая же форма возникает в результате. В идеале тогда все напряжения и токи имеют синусоидальную форму. Синхронный генератор предназначен для воспроизведения этой формы настолько точно, насколько это практически возможно. Это станет очевидным, когда основные компоненты и характеристики такого генератора будут описаны ниже.

Викторина «Британника»

Энергия и ископаемое топливо

От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

Ротор

Простейший синхронный генератор показан в разрезе на рис. 2. Центральный вал ротора соединен с механическим первичным двигателем. Магнитное поле создается проводниками или катушками, намотанными в пазы, прорезанные на поверхности цилиндрического железного ротора. Этот набор катушек, соединенных последовательно, известен как обмотка возбуждения. Положение катушек возбуждения таково, что направленная наружу или радиальная составляющая магнитного поля, создаваемая в воздушном зазоре к статору, примерно синусоидально распределяется по периферии ротора. На рисунке 2 плотность поля в воздушном зазоре максимальна снаружи вверху, максимальна внутрь внизу и равна нулю с двух сторон, что приближает синусоидальное распределение.

Статор простейшего генератора на рис. 2 состоит из цилиндрического кольца из железа, обеспечивающего свободный путь для магнитного потока. В этом случае статор содержит только одну катушку, две стороны которой размещены в пазах в железе, а концы соединены вместе изогнутыми проводниками по периферии статора. Катушка обычно состоит из нескольких витков.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

При вращении ротора в обмотке статора индуцируется напряжение. В любой момент величина напряжения пропорциональна скорости, с которой магнитное поле, окружаемое катушкой, меняется со временем, то есть скорости, с которой магнитное поле проходит две стороны катушки. Следовательно, напряжение будет максимальным в одном направлении, когда ротор повернется на 90° от положения, показанного на рисунке 2, и будет максимальным в противоположном направлении через 180° позже. Форма сигнала напряжения будет приблизительно синусоидальной, показанной на рисунке 1. 9.0003

Конструкция ротора генератора на рис. 2 имеет два полюса: один для магнитного потока, направленного наружу, и соответствующий полюс для потока, направленного внутрь. В катушке статора индуцируется одна полная синусоида за каждый оборот ротора. Таким образом, частота электрической мощности, измеряемая в герцах (циклах в секунду), равна скорости вращения ротора в оборотах в секунду. Например, чтобы обеспечить подачу электроэнергии с частотой 60 герц, частота вращения первичного двигателя и ротора должна составлять 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Это удобная скорость для многих паровых и газовых турбин. Для очень больших турбин такая скорость может быть избыточной по причинам механического напряжения. В этом случае ротор генератора выполнен с четырьмя полюсами, разнесенными с интервалом 90°. Напряжение, индуцируемое в катушке статора, расположенной под таким же углом в 90°, будет состоять из двух полных синусоид за один оборот. Требуемая скорость ротора для частоты 60 герц составляет тогда 1800 оборотов в минуту. Для более низких скоростей, используемых в большинстве водяных турбин, можно использовать большее количество пар полюсов. Возможные значения частоты вращения ротора в оборотах в минуту равны 120 f / p , где f — частота, а p — число полюсов.

Двигатель постоянного тока. Определение, конструкция и принцип работы

Двигатель постоянного тока использует постоянный ток (электрическую энергию) для создания механического движения. Вращательное движение. Когда он преобразует электрическую энергию в механическую, его называют двигателем постоянного тока, а когда он преобразует механическую энергию в электрическую, его называют генератором постоянного тока. . Принцип действия двигателя постоянного тока основан на том, что проводник с током при внесении его в магнитное поле испытывает механическую силу и начинает вращаться. Направление его вращения зависит от правила левой руки Флеминга. Двигатели постоянного тока используются во многих приложениях, например. B. Роботы для управления движением, игрушки, квадрокоптеры, CD/DVD приводы в ПК/ноутбуках , и т. д.

Конструкция

Конструкция двигателя постоянного тока

В основном состоит из двух основных частей:

1. Статор – Статическая часть двигателя.
2. Ротор – Вращающаяся часть двигателя.

теоретическая схема двигателя постоянного тока

Южный и северный полюсы постоянного магнита или электромагнита являются частью статора двигателя постоянного тока, а якорь, соединенный с коллектором, является вращающейся частью двигателя. Южный и северный полюса используются для создания магнитного поля, как показано на рисунке. проводящий материал, помещенный между магнитным полем, создаваемым северным и южным полюсами. Ток (i), показанный на рисунке, протекает через якорь. Щетки используются для подключения источника питания постоянного тока якоря через коммутатор, сегменты которого соединены с каждым концом проводящего якоря. Следовательно, вместе с якорем вращается и коллектор. Щетки являются частью статора, которые всегда остаются в контакте с коллектором.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока представляет собой электрическую машину , которая преобразует электрическую энергию в механическую. Основной принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Правило левой руки Флеминга и его величина определяют направление этой силы.

 

Где,

B = плотность магнитного потока,

I = ток и

L = длина проводника в пределах магнитного поля.

При подключении обмотки якоря к источнику постоянного тока в обмотке возникает электрический ток. Постоянные магниты или обмотки возбуждения (электромагнетизм) создают магнитное поле. В этом случае проводник якоря, по которому течет ток, испытывает силу, обусловленную магнитным полем, согласно Коммутатор сегментирован для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы на противоположное при каждом изменении направления движения проводника в магнитном поле. Вот как работает двигатель постоянного тока!

Управление скоростью скорости

Скорость (n) двигателя постоянного тока измеряется при обороне (вращение в минуту) и дается как,

n = 60ae / pz φ

, где,

E = Back EMF

A = =

E = Back EMF

A = = =

E = Back EMF

A = =

E = Back EMF

A =. Параллельные пути

z = № АРМАТРОВАННЫЕ ПРОВОДОВАНИЕ

P = Компания Полюсов

φ = Flux

Постоянная устройства K = 60A/PZ

Back EMF E = V — IARA

Следовательно, скорость   N = K * (V – IARA) / Φ

Здесь мы видим, что скоростью двигателя постоянного тока можно управлять с помощью,

• Напряжение на клеммах якоря, т. е.
• Поток поля, т.е. Φ

Из приведенных выше параметров управления скоростью мы можем найти, что V и RA связаны с цепью якоря, а Φ связаны с магнитным полем, поэтому они классифицируются как

• Метод управления якорем
• Метод управления полем

Мы можем изменять V на клеммах двигателя, используя методы ШИМ.

Метод широтно-импульсной модуляции

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

TON — это время, в течение которого сигнал ВЫСОКИЙ, а TOFF — это время, в течение которого он НИЗКИЙ. Таким образом, напряжение на клеммах, подаваемое на двигатель постоянного тока, действительно только в течение времени TON (ВКЛ) периода. Для ШИМ с рабочим циклом 50%, как показано на рисунке выше, на клемму двигателя подается среднее напряжение ≈50%. Таким образом, мы получаем простое управление скоростью двигателя постоянного тока методом ШИМ. Более высокий рабочий цикл обеспечивает более высокую скорость, а более низкий рабочий цикл обеспечивает более низкую скорость. Мы можем точно изменять ширину импульса с помощью микроконтроллера, чтобы иметь точный контроль над двигателем постоянного тока. Теперь посмотрим, как изменить направление вращения двигателей постоянного тока.

Двунаправленный двигатель постоянного тока с использованием конфигурации Н-моста

Как показано на рисунке, есть две клеммы «A» и «B» двигателя постоянного тока. Если теперь мы подключим клемму A к источнику питания + Ve, а клемму B к источнику питания -Ve или земле, ток от двигателя будет течь от A к B, и двигатель будет вращаться в одном направлении, скажем, по часовой стрелке (CW) или в прямом направлении. Теперь меняем клеммы питания, как показано на втором рисунке. B подключен к + Ve и A к земле. Ток течет от двигателя от B к A, и двигатель вращается в другом направлении (против часовой стрелки, против часовой стрелки или назад).

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока определяется следующим образом: «Когда проводник с током помещается в магнитное поле, проводник испытывает силу, которая стремится к проводнику».

Направление вращения двигателя определяется правилом левой руки Флеминга , а его величина механической силы определяется F = BIL Ньютон .

Конструкция двигателя постоянного тока

Конструктивно нет разницы между генератором постоянного тока и двигателем постоянного тока. Фактически, машину постоянного тока можно взаимозаменяемо использовать как генератор или как двигатель.

Наиболее важными частями двигателя постоянного тока являются ротор и статор . Ротор имеет обмотку якоря, а статор содержит обмотку возбуждения.

Частями двигателя постоянного тока являются

1. Магнитная рама или ярмо
2. Полюсный сердечник и полюсный башмак
3. Катушка или обмотка возбуждения
4. Сердечник и обмотка якоря
5. Коллектор
6. Щетки
7. Подшипники и вал двигатели постоянного тока, такие как двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, двигатель постоянного тока последовательного действия и двигатель постоянного тока комбинированного типа.

   Подробное изучение устройства машин постоянного тока.

   Принцип работы двигателя постоянного тока

   Задумывались ли вы, как работает двигатель постоянного тока при включении питания?

   Чтобы понять принцип работы двигателя постоянного тока , давайте рассмотрим следующий рисунок. На рисунке показана часть многополюсного двигателя постоянного тока. Он имеет два полюса поля: северный (северный) полюс и южный (южный) полюс. Ротор нарисован в виде полукруга, который несет проводник якоря (показан маленькими кружками).

   Когда двигатель постоянного тока подключен к источнику постоянного тока, постоянный ток протекает через щетки и коммутатор к обмотке якоря. Как только ток проходит через коммутатор, он становится переменным.

   По проводникам якоря под северным полюсом протекает ток во внутреннем направлении (показан плюсом). Точно так же проводники под южным полюсом несут ток в направлении наружу (обозначен минусом). Следовательно, группа проводников под последовательными полюсами поля несет ток в противоположном направлении.

   Теперь на каждый проводник под соответствующим полюсом действует сила в направлении, заданном правилом левой руки Флеминга.

   Правило левой руки Флеминга

   Девятка0155 Правило левой руки Флеминга гласит: «Вытяните указательный, средний и большой пальцы левой руки таким образом, чтобы они были взаимно перпендикулярны друг другу. Если указательный палец представляет направление поля (B), а средний палец представляет направление тока (I), то большой палец указывает направление силы (F)».

   В соответствии с приведенным выше правилом, когда проводник с током помещен в магнитное поле перпендикулярно, на него действует механическая сила в направлении, взаимно перпендикулярном как к полю, так и к проводнику с током.

   Стрелка над каждым проводником указывает направление силы, действующей на него. Эти силы в совокупности создают вращающий момент, который вращает двигатель постоянного тока.

   Величина механической силы определяется как обмотка якоря и l — длина проводника в пределах магнитного поля.

   Когда источник постоянного тока подключен к обмотке якоря, ток начинает течь через двигатель постоянного тока. Магнитное поле создается обмоткой возбуждения. Согласно уравнению (1), механическая сила вращения, испытываемая проводниками якоря, зависит от тока, магнитного поля и длины проводника.

   Таким образом, преобразование электрической энергии в механическую происходит во время работы двигателя постоянного тока.

   Обратный ЭДС

   Как только проводники якоря начинают вращаться, он отсекает магнитное поле. Таким образом, динамически индуцированная ЭДС индуцируется в проводниках якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Создаваемая таким образом ЭДС называется обратной ЭДС или противоЭДС.

   Направление этой ЭДС индукции таково, что она противодействует току якоря, который определяется законом Ленца.

   TНа приведенной выше схеме представлена ​​схема двигателя постоянного тока, в которой E _b обозначает противо-ЭДС, а стрелка вверх обозначает направление ЭДС индукции.

   Величина этой противоЭДС индукции равна ЭДС, индуцированной в генераторе постоянного тока, которая определяется формулой

      

   , где Φ — создаваемый магнитный поток,

   Н — скорость вращения ротора в оборотах в минуту,

   Z — общее количество проводников,

   P — общее количество полюсов и

   A — количество параллельных путей.

   Приложенное напряжение должно вызывать ток через проводники якоря против противо-ЭДС E _b .

   Таким образом, производимая механическая энергия является результатом преодоления током якоря динамической ЭДС.

   Значение противо-ЭДС

   Эквивалентная схема двигателя постоянного тока показана на рисунке ниже. Цепь якоря состоит из сопротивления якоря R _а, задняя ЭДС Е _б и щеточный контакт капли В _бр . Он подключен к источнику постоянного тока V вольт.

   Из схемы видно, что приложенное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы постоянно компенсировать падения сопротивления якоря, щеточного контакта и противо-ЭДС. Он определяется как,

      

   Где V — приложенное напряжение, E _b — развиваемая противо-ЭДС, I _a — ток якоря, R _a — сопротивление якоря, В _br — капля щеточного контакта.

   Так как падение контакта щетки очень мало, им можно пренебречь. Следовательно, приведенное выше уравнение можно переписать как

      

   Из уравнения (1) можно заметить, что индуцированная противо-ЭДС (E _b ) зависит от скорости якоря (N). Аналогично из уравнения (2) видно, что ток якоря (Ia) зависит от противоэдс (Eb) при постоянном приложенном напряжении и сопротивлении якоря.

   Рассматривая оба уравнения, мы можем сказать, что когда скорость якоря высока, противо-ЭДС будет большой и, следовательно, ток якоря мал. Если скорость мала, то меньше противо-ЭДС, что приводит к большому значению тока якоря. Следовательно, создается высокий крутящий момент.

   Таким образом, наличие противо-ЭДС заставляет двигатель постоянного тока действовать как регулятор или саморегулирующаяся машина.

   FAQs

   • Facebook
   • Twitter
   • LinkedIn
   • Copy Link
   • Email
   • Print
   • More

   What Is The DC Power System And Как это работает?

   Содержание

   Что такое постоянный ток (DC)?

   Постоянный или постоянный ток можно определить как поток электрического заряда в одном направлении. Электрохимический элемент постоянного тока рассматривается как один из основных примеров системы питания постоянного тока . Он может течь через проводник или полупроводник, вакуум, ионные пучки или изоляторы.

   Известно, что электрический ток течет в постоянном направлении, что отличает его от переменного тока или переменного тока. Этот ток ранее был известен как гальванический ток. Эти термины часто обозначаются аббревиатурами AC и DC, относящимися к переменному и постоянному току.

   Источник переменного тока можно использовать для преобразования источника постоянного тока с помощью выпрямителя. Он состоит из электрохимических или электронных элементов, которые пропускают ток в одном направлении. С помощью инвертора постоянный ток можно преобразовать в переменный.

   Постоянный ток в качестве термина используется для обозначения энергосистем, которые известны тем, что используют одну полярность тока или напряжения, и относится к нулевой частоте, постоянной или менее изменяющейся местной средней величине тока или напряжения.

   Было замечено, что напряжение на источнике постоянного напряжения остается постоянным, когда ток проходит через источник постоянного тока. Решение постоянного тока электрической цепи — это решение, состоящее из постоянных токов и напряжений. Можно сказать, что стационарная форма волны напряжения или тока разлагается на сумму, состоящую из составляющей постоянного тока и составляющей с нулевым средним, изменяющейся во времени.

   Значение системы питания постоянного тока здесь определяется как ожидаемое значение, постоянный ток и среднее значение напряжения. Постоянный ток обычно называют постоянной полярностью, здесь напряжения постоянного тока изменяются во времени, как это наблюдается в необработанном выходе флуктуирующего голосового сигнала на телефонной линии или выпрямителе.

   Почему сейчас используется постоянный ток?

   Известно, что электроэнергия вырабатывается, передается и распределяется в форме переменного тока. Энергия используется во многих приложениях, а в некоторых необходима прямая мощность. Машины с регулируемой скоростью, оснащенные двигателями постоянного тока, и критические области, требующие аккумуляторной батареи, — это лишь некоторые из областей, в которых она требуется.

   Было замечено, что достижения в области силовой электроники ускорили преобразование уровней постоянного напряжения и преобразования переменного тока в постоянный. Распределение солнечной и ветровой энергии быстро увеличивается, оба эти источника в основном являются источниками постоянного тока.

   Огромному количеству бытовой и офисной техники для внутренних нужд требуется постоянный ток с низким напряжением. Эти приборы питаются переменным током, который затем преобразуется внутренней схемой в низковольтный постоянный ток.

   В настоящее время постоянный ток свободен от проблем балансировки фаз, скин-эффектов и гармоник. Этот вид энергии может быть легко сохранен в топливных элементах и ​​батареях, которые могут быть использованы в будущем в случае сбоя в электроснабжении.

   Постоянный ток или Система питания постоянного тока имеет множество применений, ее можно использовать для зарядки аккумуляторов для подачи большой мощности для электронных систем, двигателей и т. д. Большое количество электроэнергии, которая доставляется постоянным током, используется в электрохимических процессах, плавке алюминия и на железных дорогах.

   Постоянный ток высокого напряжения используется для передачи огромной мощности для соединения сетей переменного тока или с удаленных генерирующих объектов. Постоянный ток обычно используется в низковольтных и сверхнизковольтных приложениях. Это происходит в основном там, где они питаются от солнечных батарей или аккумуляторов.

   Обычно бытовые установки постоянного тока имеют различные типы разъемов, приспособлений, розеток и выключателей, отличные от тех, которые подходят для переменного тока. Это происходит в основном из-за использования более низких напряжений, что приводит к более высоким токам для производства того же количества энергии.

   Известно, что многие автомобильные приложения используют постоянный ток; автомобильный аккумулятор обеспечивает питание для освещения, системы зажигания и запуска. Система питания постоянного тока используется в устройстве с печатной платой, это происходит потому, что микросхемы, присутствующие в этих устройствах, нуждаются в однонаправленном и постоянном потоке электронов для работы и хранения данных.

   Цепь питания каждого дома имеет встроенную систему инвертора постоянного тока, которая обеспечивает питание постоянного тока для устройств, находящихся внутри корпуса. Ноутбуки являются еще одним примером, поскольку они также содержат батарею, которая обеспечивает питание в формате постоянного тока.

   Вы также можете прочитать: Что такое цифровой запоминающий осциллограф и принцип работы цифрового запоминающего осциллографа?

   Энергия постоянного тока в основном вырабатывается такими источниками, как термопары, батареи и солнечные элементы. Он используется в приложениях с низким напряжением, таких как автомобильные приложения, зарядные батареи, авиационные приложения и другие приложения с низким напряжением / током. В наши дни все солнечные панели производят энергию постоянного тока.

   Он широко применяется в фотоэлектрической промышленности, включая автономные приборы и портативные солнечные системы. Неиспользование солнечного инвертора для преобразования постоянного тока в переменный снижает стоимость систем такого типа.

   Подробнее о системе питания постоянного тока

   Система питания постоянного тока состоит из электрической цепи, представляющей собой комбинацию резисторов и источников постоянного тока. Ток и напряжение в цепи не зависят ни от какого временного фактора. Ток или напряжение в цепи не зависят от предыдущего значения тока или напряжения в цепи.

   Это означает, что система уравнений, представляющая цепь постоянного тока, не имеет производных или интегралов по времени. После добавления катушки индуктивности или конденсатора в цепь постоянного тока получающаяся цепь не является цепью постоянного тока. Тем не менее, у него есть решение для постоянного тока, которое обеспечивает токи и напряжения в цепи, когда цепь достигает устойчивого состояния постоянного тока.

   Этот тип схемы представлен системой, состоящей из дифференциальных уравнений. Решение, применяемое к этим типам уравнений, обычно состоит из переходной или изменяющейся во времени части в дополнение к стационарной или постоянной части. Эта стационарная часть является решением постоянного тока.

   В некоторых схемах нет решения для постоянного тока, например, источник постоянного напряжения, подключенный к катушке индуктивности, и источник постоянного тока, подключенный к конденсатору. Цепь, которая питается от источника постоянного напряжения, такого как выход источника питания постоянного тока или батарея, обычно упоминается в электронике. Это происходит даже тогда, когда здесь подразумевается, что схема питается от системы питания постоянного тока .

   В конце 19 ^-го -го века Эдисон построил первую электрическую распределительную сеть, основанную на технологии постоянного тока. Однако позже, с изобретением трансформаторов, система переменного тока была признана намного лучше, чем система постоянного тока. Системы переменного тока были приняты во всем мире для производства электроэнергии, передачи и распределения электроэнергии.

   Типы Распределение постоянного тока

   Переменный ток может быть выпрямлен из сети передачи на подстанции с помощью преобразовательного оборудования и питания системы распределения постоянного тока. Это происходит везде, где требуется распределение мощности постоянного тока. Используя преобразователь постоянного тока в переменный, потребители переменного тока могут быть подключены к системе постоянного тока.

   Существует много типов распределения питания постоянного тока ; Система распределения постоянного тока низкого напряжения делится на два типа: однополярная система распределения постоянного тока и биполярная система распределения постоянного тока. Давайте подробно прочитаем об обоих этих типах.

   Однополярная система распределения постоянного тока

   Униполярная система распределения постоянного тока также известна как двухпроводная система постоянного тока. В этой системе используются два проводника, как указано в названии, среди которых один положительный, а другой отрицательный. Энергия передается всем потребителям с помощью этой системы только на одном уровне.

   Биполярная система распределения постоянного тока

   Биполярная система распределения постоянного тока также известна как 3-проводная система постоянного тока. Его можно определить как комбинацию двух рядов, которые представляют собой связанные между собой униполярные системы постоянного тока. Он состоит из двух внешних проводников, среди которых один положительный, а другой отрицательный, трех проводников и среднего проводника, нейтрального.

   В этом типе потребитель имеет множество вариантов подключения, включая следующие. Соединение может быть создано между положительным проводником и нейтралью, между отрицательным и нейтральным, между положительным и отрицательным с двойным напряжением и между положительным и отрицательным нейтралью.

   Обратите внимание, что преобразователь постоянного тока в переменный или преобразователь постоянного тока в постоянный может быть установлен в помещении пользователя в соответствии с его/ее требованиями или требованиями нагрузки. Потребители также могут быть подключены напрямую к распределителям постоянного тока, если уровень напряжения распределения соответствует требованию.

   Типы распределителей постоянного тока

   Распределители постоянного тока подразделяются на основе способа их питания. Существует четыре типа распределителей постоянного тока: распределитель с питанием с одного конца, распределитель с питанием с обоих концов, распределитель с питанием в центре и кольцевой распределитель. Давайте прочитаем обо всем этом подробно.

   Распределитель с питанием с одного конца

   В распределителе с питанием с одного конца распределитель подключен к источнику питания с одного конца. Грузы прикрепляются в различных точках по его длине. Ток в различных участках распределителя, удаленных от точки питания, продолжает уменьшаться.

   Напряжение продолжает снижаться вдали от точки питания. В случае неисправности, обнаруженной в любой из секций распределителя, весь распределитель необходимо отключить от питания. Это является причиной того, что непрерывность питания прерывается.

   Распределитель с питанием на обоих концах

   Когда дело доходит до этого, здесь распределитель подключен к источнику питания с обоих концов. Напряжения, доступные в точках питания, могут быть или не быть на равных уровнях. Минимальное напряжение возникает в точке нагрузки, которая смещается при изменении нагрузки на различных участках распределителя.

   В случае обнаружения неисправности в точке питания необходимо обеспечить непрерывность подачи от другой точки питания. Если неисправность наблюдается в секции распределителя, необходимо убедиться, что подача продолжается с обеих сторон неисправности вместе с соответствующими точками питания.

   Вы также можете прочитать:  Что такое гидравлическая система и как она работает?

   Здесь площадь поперечного сечения проводника требует двойного распределителя с двойным питанием и меньше по сравнению с требованием для распределителя с одним вводом.

   Распределитель с питанием в центре

   Как следует из названия, в этом типе распределитель получает питание в центральной точке, поскольку напряжение падает на самых дальних концах. Это падение напряжения не такое большое, как могло бы быть в распределителе, питающемся с одного конца. Это эквивалентно двум распределителям, которые питаются индивидуально. При этом каждый распределитель имеет общеупотребительную точку питания длиной, составляющей половину от общей.

   Кольцевой главный распределитель постоянного тока

   Этот тип распределителя существует в виде замкнутого кольца, которое питается в одной точке. Это эквивалентно прямому распределителю, который питает с обоих концов одинаковые напряжения. В этом случае два конца соединяются вместе, образуя замкнутое кольцо. Эти типы различных колец распределителя постоянного тока могут питаться в различных точках.

   Какова основная функция

   источника питания постоянного тока ?

   Источник питания постоянного тока создает выходное постоянное напряжение, известное тем, что обеспечивает подачу питания на одну или несколько нагрузок. В соответствии с ним выход формируется путем преобразования входных сигналов в выходные. Базовый источник питания постоянного тока состоит из четырех секций или цепей, где каждый блок представляет определенную цепь, выполняющую определенную функцию.

   Как работает система электропитания постоянного тока?

   Давайте прочитаем о функция блока питания постоянного тока . Базовый источник питания постоянного тока может состоять из четырех секций, каждая из которых представляет собой определенную схему, выполняющую уникальную задачу. Он состоит из различных частей, таких как трансформатор, выпрямитель, фильтр и регулятор.

   Трансформатор

   Сигнал переменного тока подается на вход трансформатора, который генерируется с использованием линейного напряжения, аналогичного питанию от электрической розетки. Основная функция трансформатора состоит в понижении или повышении сигнала для получения желаемого уровня постоянного тока, необходимого на выходе источника питания.

   Он играет роль изолятора, так как во многих приложениях важно изолировать эти входные сигналы от сигнала, генерируемого внутри самого устройства.

   Выпрямитель

   Сигнал, полученный на выходе выпрямителя, далее подается на вход выпрямителя. Выпрямитель может быть двухполупериодным или двухполупериодным и состоит из выпрямленного пульсирующего сигнала постоянного тока.

   В данном случае пульсирующий сигнал представляет собой сигнал напряжения или тока, который не меняет своей полярности и имеет величину как функцию времени. Типичные из них построены с использованием резисторов и диодов.

   Фильтр

   Фильтр необходим для преобразования пульсирующего сигнала постоянного тока в непульсирующий сигнал постоянного тока. Как правило, конденсаторного фильтра достаточно, и генерируемое им выходное напряжение представляет собой постоянное напряжение, состоящее из незначительных изменений переменного тока и пульсаций.

   Регулятор

   Регулятор обычно имеет две функции: сглаживание сигнала от фильтра путем создания постоянного сигнала без каких-либо пульсаций и создание постоянного напряжения на выходе. Напряжение, доступное на выходе регулятора, постоянно даже при наличии колебаний. Эти изменения могут присутствовать в изменениях нагрузки или входного напряжения.

   Преимущества и недостатки постоянного тока (DC)

   Постоянный ток имеет свои преимущества и недостатки, давайте прочитаем об этом.

   Преимущества постоянного тока

   Хотя система питания постоянного тока имеет множество преимуществ, самым большим преимуществом постоянного тока является то, что его легче хранить по сравнению с переменным током. Это происходит, когда он хранится в небольших масштабах. Хранение электроэнергии для последующего использования считается критически важным для гибридной независимой электростанции.

   Когда электричество накапливается, его можно использовать в любое время, поскольку его хранение увеличивает плотность. Таким образом, мощность может использоваться в соответствии с требованиями эксплуатации мощного оборудования. Генераторную установку можно отключить после накопления электроэнергии, поскольку это помогает экономить топливо.

   Когда электричество постоянного тока используется для независимой электростанции, преимущество состоит в том, что электричество для сети переменного тока может быть эффективно выработано за счет использования дизельного генератора постоянного тока и преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока основного типа.