Електричні машини постійного струму

Побудова та принцип дії машинного генератора. Явище електромагнітної індукції, правило "правої руки". Будова індуктору, якорю та колектору генератора. Фізичні явища і процеси в елементах конструкції пристрою. Енергетична діаграма та розрахункова схема.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1

13

Електричні машини постійного струму

1. Побудова та принцип дії машинного генератора

Електрична машина, у якій механічна енергія обертового вала перетворюється в електричну енергію, називається генератором. Робота генератора заснована на явищі електромагнетизму та явищі електромагнітної індукції.

Явище електромагнетизму полягає в тому, що навколо провідника зі струмом утворюється магнітне поле. Закон електромагнетизму: потокозчеплення (добуток кількості витків котушки на пронизуючий їх магнітний потік) прямо пропорційно індуктивності котушки та силі струму, який протікає в котушці:

0 = wФ = LI . (6.1)

Явище електромагнітної індукції полягає в тому, що в провідному контурі, який пронизується змінним магнітним полем, наводиться е.р.с. Закон електромагнітної індукції: значення е.р.с., яка наводиться у контурі, прямо пропорційно кількості витків та швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує контур:

. (6.2)

Елементами конструкції найпростішого генератора є виток (провідний контур) та індуктор, який створює магнітне поле. Розглянемо принцип дії генератора постійного струму на його конструктивній схемі (рис.6.1). У магнітному полі постійних магнітів (N - S) поміщений виток, укріплений на вісі. До двох кінців витка прикріплені металеві півкола, на які накладаються щітки (ковзні контакти, до яких підключається навантаження R_нав). При обертанні даного витка з кутовою швидкістю виникає явище електромагнітної індукції й у ньому наводиться е.р.с. При підключенні до нього навантаження у витку буде протікати електричний струм I.

Напрям електрорушійної сили, що наводиться, визначається за правилом «правої руки»: якщо розташувати праву руку так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а великий відігнутий палець збігався з напрямом руху витка, то чотири пальці будуть вказувати напрям електрорушійної сили, яка наводиться у витку. Значення електрорушійної сили, яка наводиться в сторонах витка, дорівнює:

е = Вlv sin , (6.3)

де е - миттєве значення е.р.с., яка наводиться в сторонах витка, В;

В - магнітна індукція поля, Тл;

l - довжина однієї сторони витка, м;

v - лінійна швидкість витка, м/с;

- кут повороту витка щодо горизонталі, град.

Електрорушійна сила, яка наводиться у витку, змінюється в часі за синусоїдним законом та створює різницю потенціалів на кінцях витка. Знаки потенціалів на кінцях витка (позитивний, негативний) через півоберти теж зміняться, тому що зміниться напрям е.р.с., яка наводиться в сторонах витка. Однак знаки потенціалів щіток змінюватися не будуть. Це пояснюється тим, що при обертанні витка вони нерухомі та завжди підключені до сторони витка, на кінці якої потенціал однакового знака (тобто е.р.с. у стороні витка спрямована в той самий бік). Завдяки ковзному контакту на одній щітці утворюється позитивний потенціал, а на іншій - негативний. Щітки кріпляться в щіткотримачі, який встановлений на корпусі генератора. До щіток генератора підключається приймач електроенергії.

Таким чином, конструкція генератора наступна: індуктор (нерухома частина), який створює магнітне поле та якір (обертаюча частина), у якому наводиться е.р.с. Вони відділені один від одного мінімальним повітряним зазором.

Індуктор являє собою котушку індуктивності, укріплену на полюсах генератора. Затиски обмотки збудження (котушки індуктивності на індукторі) виводять на клемну коробку і позначають буквами Ш1 і Ш2. Полюси генератора виготовляють з феромагнітного матеріалу та кріплять до чавунного корпусу (який має вигляд кола) за допомогою болтів та ізолюючих прокладок. До них кріплять полюсні наконечники у вигляді півкіл для поліпшення розподілу магнітного потоку в повітряному зазорі генератора.

Якір генератора має форму циліндра, який розташований на валу. Його магнітопровід виконують з феромагнітного матеріалу та укріплюють на валу генератора. На вал генератора встановлюють підшипники, які запресовують у підшипникові щити. Ці підшипникові щити, які служать опорою для вала генератора, кріплять до корпуса генератора. Якірна обмотка, яку укладають у пази магнітопроводу якоря генератора, складається з декількох витків, кожний з яких кріплять до окремої колекторної пластини. Колекторні пластини ізольовані одна від одної та від вала генератора. На колекторні пластини накладають щітки, затиски яких виводять на клемну коробку і позначають буквами Я1 і Я2. Сукупність таких колекторних пластин, які дозволяють при наявності змінної е.р.с. у якірній обмотці отримувати постійну полярність щіток, називають колектором. Напруга з колектора знімається за допомогою щіткового механізму. Отже, призначення колектора і щіткового механізму в генератора - це спрямлення електрорушійної сили (тобто перетворення змінної е.р.с. у постійну е.р.с.).

Спрямлена електрорушійна сила є пульсуючою, тобто змінюється за подвоєним синусоїдним законом при збереженні знака (рис.6.2а). Зі збільшенням кількості колекторних пластин пульсація е.р.с. зменшується (рис.6.2б: е_рез - результуюча е.р.с. між щітками; е₁ - е.р.с., яка наводиться в першому витку обмотки якоря; е₂ - е.р.с., яка наводиться в другому витку обмотки якоря):

. (6.4)

Середнє значення цієї спрямленої електрорушійної сили, яка діє між щітками, визначається наступним виразом:

, (6.5)

де k - коефіцієнт;

Ф - магнітний потік полюсів генератора, Вб;

- кутова швидкість обертання вала генератора, рад/с.

Обмотка збудження та обмотка якоря можуть включатися незалежно одна від одної, тоді в генератора буде незалежне збудження (затиски Н1 і Н2 підключають до стороннього джерела постійної е.р.с., а до затисків Я1 і Я2 підключають навантаження).

У генератора буде самозбудження, якщо різниця потенціалів на затисках обмотки збудження створюється е.р.с., яка наводиться в обмотці якоря. У цьому випадку при підключенні обмотки збудження паралельно обмотці якоря в генератора буде паралельне збудження (Ш1 до Я1, Ш2 до Я2, при цьому до затисків Я1 та Я2 підключають навантаження).

2. Фізичні явища і процеси в елементах конструкції генератора

При обертанні якоря в магнітному полі індуктора (тобто при роботі генератора) в елементах конструкції генератора спостерігаються наступні фізичні явища і процеси.

В індукторі:

явище електричного струму в обмотці збудження;

явище електромагнетизму в обмотці збудження;

явище теплової дії струму в обмотці збудження;

процес нагрівання обмотки збудження.

В якорі:

явище електромагнітної індукції в обмотці якоря;

явище електричного струму в обмотці якоря;

явище електромагнітної сили від дії струму в обмотці якоря;

явище електромагнетизму в обмотці якоря;

явище теплової дії струму в обмотці якоря;

процес нагрівання обмотки якоря;

явище електромагнітної індукції в магнітопроводі якоря;

явище вихрових струмів у магнітопроводі якоря;

явище електромагнітної сили від дії вихрових струмів;

явище теплової дії вихрових струмів у магнітопроводі якоря;

явище гістерезису магнітопроводу якоря;

явище теплової дії гістерезису магнітопроводу якоря;

явище тертя в підшипниках;

явище тертя між колектором та щітками;

явище тертя якоря об повітря;

процес нагрівання магнітопроводу якоря.

3. Енергетична діаграма генератора

Енергетична діаграма генератора - це зображення перетворення в ньому енергії. При роботі генератора, як показано вище, частина споживаної ним енергії втрачається марно та розсіюється у вигляді теплоти. Втрачену енергію в одиницю часу називають втратами потужності (або втратами). У генераторі є три шляхи втрат енергії: у механічній системі, в електричних колах, у магнітопроводі якоря.

Механічні втрати (Р_мх):

втрати на тертя в підшипниках (Р_підш);

втрати на тертя між щітками та колектором (Р_щіт);

втрати на вентиляцію...