Двигатели постоянного тока

метки: Двигатель, Постоянный, Исполнительный, Машин, Управление, Регулирование, Система, Момент

Принцип действия генератора постоянного тока

Возможность построения механического генератора появилась после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции в 1831 г.

Если проводник перемещать в магнитном поле так, чтобы он пересекал магнитные линии, то на концах проводника появится разность потенциалов — эдс (электродвижущая сила).

Простейшим генератором является рамка на оси, помещенная в магнитном поле (рис. 1.1), которую вращают.

Рис. 1.1. Схема работы машины переменного тока

Концы проводников соединены с кольцами, которые вращаются вместе с рамкой. На кольцах помещены неподвижные щетки. Присоединенный к щеткам вольтметр покажет разность потенциалов, т.е. эдс рамки, которая будет изменяться как по величине, так и по направлению. Направление эдс определяется по правилу правой ладони, состоящему в следующем.

Ладонь правой руки располагают в магнитном поле так, чтобы линии магнитной индукции были направлены в ладонь, а большой палец отводят относительно других пальцев в плоскости ладони на 90 градусов и направляют по движению проводника; тогда остальные пальцы руки покажут направление наведенной в проводнике эдс.

В общем случае , если t, то . С некоторым приближением допускаем, что индукция под полюсами изменяется по синусоидальному закону, тогда

где — угол поворота, так как , то при = const вместо можно горизонтальную ось обозначать осью времени t.

Частота наводимой переменной эдс

где Т — период полного цикла изменения эдс (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Синусоида индукции

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор. Для этого проводники простейшего генератора соединяют с двумя медными полукольцами, названными коллекторными пластинами (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема работы машины постоянного тока

Пластины жестко связаны с валом рамки, но изолированы друг от друга. Щетки на коллекторных пластинах устанавливаются так, чтобы они переходили с одной коллекторной пластины на другую в тот момент, когда эдс равна нулю. Таким образом, щетка контактирует с полукольцом одного направления эдс. В этом случае ток на щетках и по внешнему участку цепи, через потребитель, протекает в одном направлении, но величина его изменяется с течением времени; эдс и ток имеют пульсирующую форму (рис. 1.4).

Расстройство здоровья и смерть от крайних температур и электрического тока

... кости. 7) Копоть из легких может попадать в просвет кровеносных сосудов и током крови заносится во внутренние органы. При действии на тело горячих и кипящих ... с целью самоубийства разделся и лег на лед реки, тут же выпив пол литра водки. Через несколько часов он был обнаружен мертвым. При падении температуры ...

Если взять n рамок (обмотка якоря) и 2n коллекторных пластин (коллектор), то увеличится и число пульсирующих эдс за период времени Т (рис. 1.5).

Если пульсаций менее 2 %, то ток считается постоянным.

Рис. 1.4. Выпрямленная эдс и ток

Рис. 1.5. Выпрямленная эдс и ток в реальном генераторе

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменную эдс витков якоря в постоянную эдс на щетках и цепи. Совокупность витков составляет обмотку якоря. генератор ток электродвигатель редукторный

Если к щеткам подсоединить потребитель электрической энергии, то потечет электрический ток, который в обмотке якоря будет создавать падение напряжения. Вследствие этого напряжение на зажимах генератора будет меньше эдс на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря

где а — индекс параметров якорной обмотки.

Формула (1.1) является основным уравнением эдс и напряжения генератора. Но на проводник с током в магнитном поле действует выталкивающая сила F, направленная навстречу вращению. Ток в обмотке якоря будет создавать противодействующий вращению момент . Чем больше , тем больше необходимо усилий для преодоления противодействующего момента

где — диаметр якоря;

1.2 Принцип действия двигателя постоянного тока

В силу обратимости электрических машин принцип действия электрического двигателя можно рассмотреть по рис. 1.3, только к щеткам необходимо подвести напряжение сети.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле действует выталкивающаяся сила, определяемая правилом левой руки (см. рис. 1.3)

Это действие можно проследить по рис. 1.6.

С правой стороны магнитные линии складываются (поле усиливается), с левой — наоборот, появляется сила F согласно правилу левой руки.

Если поместить рамку с током в магнитное поле, то появляется вращающий электромагнитный момент (рис. 1.7)

Рамка повернется только до горизонтального положения. Чтобы направление вращения было в одну сторону, необходимо периодически менять направление тока.

Рис. 1.6. Выталкивающая сила, действующая на проводник с током

Рис. 1.7 Вращающий момент, действующий на рамку с током

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный в обмотке якоря и работает таким образом в качестве механического инвертора.

Так как проводники все время пересекают магнитное поле, то в них наводится эдс, величина которой определяется равенством и которая направлена встречно подводимому напряжению, поэтому эту эдс еще называют противоэлектродвижущей силой (противоэдс) в двигателе.

Основное уравнение эдс и напряжения двигателя

1.3 Область применения машин постоянного тока

Машина постоянного тока как и любая электрическая машина обратима: может работать как генератор и как двигатель. Причем двигатели нашли большее применение, чем генераторы.

В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых электрических машин постоянного тока.

Таблица 1.1- Характеристики электрических машин постоянного тока

Назначение	Использование	Р, кВт	I, А	U, В	Примечание
Двигатели	Трамвай	4050	75100	550	Имеют преимущества перед двигателями переменного тока: 1) широкое регулирование частоты вращения; 2) развивают большой пусковой момент
	Электровоз	600900	400600	1500
	Прокатный стан	11500	11500	1000
	Атомоход «Ленин»	18000	18000	1000
Генераторы	Для электролиза	60120	10000	612	Чаще используются генераторы переменного тока с выпрямителями
	Тепловоз (старые модификации)	2700	3600	750

2. Применение электродвигателей постоянного тока

2.1 Двигатель трамвая

Двигатели трамвая — чаще всего тяговые двигатели постоянного тока. В последнее время появилась электроника, позволяющая преобразовывать постоянный ток, которым питается трамвай, в переменный, что позволяет использовать двигатели переменного тока. От двигателей постоянного тока они выгодно отличаются тем, что практически не требуют технического ухода и ремонта (асинхронные двигатели переменного тока не имеют быстроизнашивающихся подводящих ток щёток и прочих трущихся деталей).

Для передачи вращающего момента от тягового электродвигателя к оси колёсной пары на трамвайных вагнонах используется карданно-редукторная передача (механический редуктор и карданный вал).

Система управления двигателем.

Устройство регулирования тока через ТЭД называется системой упра

• В простейшем случае регулировка тока через двигатель осуществляется с помощью мощных сопротивлений, которые подключают последовательно с двигателем дискретно. Такая система управления бывает трёх типов:
• Непосредственная система управления (НСУ) — исторически первый вид СУ на трамваях. Водитель посредством рычага, соединённого с контактами, непосредственно коммутирует сопротивление в электрических цепях ротора и обмоток ТД.

— Косвенная неавтоматическая реостатно-контакторная система управления — в этой системе водитель с помощью педали или рычага контроллера осуществлял коммутацию низковольтных электрических сигналов, которыми управлялись высоковольтные контакторы.

— Косвенная автоматическая РКСУ — в ней замыканием и размыканием контакторов управляет специальный серводвигатель. Динамика разгона и торможения определяется заранее заданной временной последовательностью в конструкции РКСУ. Узел коммутации силовой цепи в сборе с устройством-посредником иначе называется контроллером.

— Тиристорно-импульсная система управления (ТИСУ) — СУ на базе сильноточных тиристоров, в которой необходимый по величине ток создаётся не коммутацией сопротивлений в цепи двигателя, а посредством формирования временной последовательности токовых импульсов заданной частоты и скважности. Изменяя эти параметры, можно изменять средний протекающий через ТЭД ток, а следовательно и управлять его вращающим моментом. Преимуществом перед РКСУ является больший коэффициент полезного действия, так как в ней сведены к минимуму тепловые потери в пусковых сопротивлениях силовой цепи, но торможение эта СУ обеспечивает, как правило, только электродинамическое.

— Электронная система управления (транзисторная СУ) асинхронным ТЭД. Одно из самых экономичных по расходу электроэнергии и современных решений, но достаточно дорогостоящее и в ряде случаев довольно капризное (напр., неустойчиво к внешним воздействиям).

Активное применение в таких системах управляющих программируемых микроконтроллеров создаёт опасность воздействия программных ошибок на функционирование всей системы в целом.

2.2 Машины постоянного тока большой мощности, Области применения

Основными установками, использующими крупные машины постоянного тока, являются прокатные станы, крупные шагающие экскаваторы, шахтные подъемники, гребные установки и различные испытательные стенды, в которых применяется мощный электропривод с регулируемой частотой вращения.

Применение в этих приводах двигателей постоянного тока (ДПТ) обеспечивает большую производительность труда, что экономически оправдывает дополнительные затраты, связанные с использованием электрооборудования на постоянном токе. Развитие отраслей промышленности, в которых находят применение мощные ДПТ, приводит к необходимости непрерывного повышения их мощности и вращающего момента, улучшению динамических показателей. В настоящее время питание крупных ДПТ осуществляется от тиристорных преобразователей. Однако существует и потребность в мощных, свыше 5000 кВт, генераторах постоянного тока.

Для питания мощных прокатных ДПТ применяют тиристорные преобразователи. Тиристорное питание из-за пульсации напряжения и тока якоря ухудшает коммутацию ДПТ, вызывает появление добавочных потерь от переменных составляющих тока и потока и дополнительную вибрацию. Применение тиристорных преобразователей обеспечивает возможность использования быстродействующих систем регулирования для форсировки напряжения якоря. В связи с этим к изоляции обмоток якорной цепи и коллектора ДПТ, питаемых от тиристорных преобразователей, предъявляются дополнительные требования: она должна допускать нормальную эксплуатацию с амплитудным значением напряжения вентильной обмотки трансформатора преобразователя. Для ДПТ с номинальным напряжением 930 В это напряжение составляет 1500 В. Такое напряжение оказывает неблагоприятное влияние на потенциальные условия на коллекторе.

Для ограничения вредного воздействия тиристорного преобразователя ДПТ выполняют с шихтованным магнитопроводом и применяют 12-фазные схемы выпрямления (реже 6-фазные полностью управляемые).

Для станов горячей прокатки реверсирование ДПТ осуществляется путем изменения знака напряжения на якоре. Из числа возможных схем реверсирования применяют встречно-параллельную и перекрестную схемы без уравнительных реакторов.

При проектировании ДПТ задаются допустимыми пульсациями тока якоря, как правило, в пределах от 2 до 7 %. В большинстве случаев индуктивность якорной цепи оказывается достаточной для ограничения заданного значения пульсации. В противном случае применяют дополнительные сглаживающие реакторы.

Крупные ДПТ работают в системе автоматизированного привода, и основное требование, предъявляемое к ним со стороны эксплуатации, — надежность работы. Поэтому ДПТ комплектуются вспомогательными устройствами, обеспечивающими, с одной стороны, работу в автоматизированном приводе, с другой — контроль за параметрами ДПТ во время эксплуатации.

Комплектно с ДПТ поставляются тахогенератор типа ПТ-32 или ПТ-42, реле скорости типа РМН7011, воздухоохладители типа ВО-100-2 или ВО-150А, ящик резисторов.

Для контроля температуры входящего и выходящего из ДПТ воздуха поставляются два термометра сопротивления, для контроля работы подшипников — термометр манометрический сигнализирующий и указатель уровня масла. Обмотки возбуждения и компенсационная снабжены термоэлектрическими преобразователями, которые позволяют производить контроль температур этих обмоток. Термометры сопротивления, заложенные в обмотку якоря, выводятся на контактные кольца и траверсу, что позволяет следить за температурой обмотки якоря при работе. К каждому крупному ДПТ постоянного тока завод-изготовитель поставляет запасные части (комплекты катушек главных и дополнительных полюсов, секции обмотки якоря, щетки, щеткодержатели, вкладыш подшипника и др.), а также наборы специальных приспособлений, устройств и инструмента, необходимых для монтажа, эксплуатации и ремонта.

Двигатели для

Реверсивные и нереверсивные ДПТ, предназначенные для главных электроприводов прокатных станов, выпускаются ЛПЭО «Электросила» им. С. М. Кирова, заводом «Электротяжмаш» (г. Харьков) и ПО ХЭМЗ.

Условия эксплуатации двигателей:

Высота над уровнем моря не более 1000 м.

Температура охлаждающего воздуха:

исполнение УХЛ4…. 1ч 40 °С, исполнение О4….. 1ч 45 °С.

Относительная влажность воздуха при 25 °С (исполнение УХЛ4) не более 80 %.

То же при 35 °С (исполнение О4) не более 98 %.

Запыленность охлаждающего воздуха не более 0,2 мг/м3

Количество охлаждающего воздуха на 1 кВт фактических потерь не более (3,5 ч 4) м3/мин.

Охлаждающий воздух не содержит химически агрессивных и токопроводящих примесей. Окружающая среда — невзрывоопасная, не содержащая агрессивных примесей и токопроводящей пыли в концентрациях, снижающих параметры двигателей ДПТ

Структура условного обозначения двигателей

где 1 — серия двигателей П2; 2 — высота оси вращения, мм; 3 — условный диаметр якоря (габарит); 4 — условная длина сердечника якоря; 5 — количество щеток на каждом бракете; 6 — буква С — исполнение на подшипниках скольжения; буква К — исполнение на подшипниках качения; 7 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70.

Привод механизмов прокатных станов требует регулирования частоты вращения в широких пределах, частых реверсов и сопровождается большими кратковременными перегрузками по току при условии, что среднеквадратичный (за время технологического цикла) ток не превышает номинального. Допустимая рабочая перегрузка, как правило, (1,8ч2,25) Iн (не более 15 с) в зависимости от частоты вращения и назначения ДПТ. Отключающая перегрузка, как правило, 2,5 Iн . Режимы работы SI, S7 или S8 по ГОСТ 183-74.

Двигатели допускают нагрузку по току 1,15/ном длительно во всем диапазоне регулирования частоты вращения при превышении температуры обмоток не выше допустимой для изоляции нагревостойкости класса F по ГОСТ 8865-70. Питание ДПТ осуществляется от статических и вращающихся преобразователей.

Двигатели допускают регулирование частоты вращения от нуля до номинальной изменением напряжения на якоре и от номинальной до максимальной ослаблением магнитного поля. Устойчивость работы ДПТ при частоте вращения, близкой к нулю, обеспечивается системой управления. Конструктивное исполнение ДПТ по способу монтажа — IM7312 по ГОСТ 2479-79.

Станины двигателей шихтованные, магнитопровод разъемный по горизонтали, состоит из листов электротехнической стали, запрессованных в стальной сварной корпус. Рабочий конец вала цилиндрический.

В ДПТ применены подшипники скольжения с комбинированной (кольцевой и принудительной проточной) системой смазки. При отказе принудительной системы смазки допускается работа ДПТ на кольцевой смазке не более 2 мин. Кожух ДПТ сварной, имеют люки и двери для обслуживания. Места прилегания кожуха и двери уплотнены резиной. Кожухи крепят прижимами. Посадку крестовины якоря и полумуфты на вал выполняют с гарантированным натягом без шпонок. Для повышения эксплуатационной надежности ДПТ для крепления активной стали якоря применяют системы клиньев радиального и тангенциального распоров.

Двигатели монтируют на стальных фундаментных плитах. Вентиляция ДПТ принудительная по замкнутому или разомкнутому циклу с применением воздухоохладителей. В замкнутом цикле вентиляции должно быть обеспечено избыточное давление 50 Па. Подвод охлаждающего воздуха осуществляется со стороны, противоположной коллектору, отвод — со стороны коллектора. Способ охлаждения — ICA97 или ICA37 по ГОСТ 20459-75

Для ДПТ главных приводов реверсивных станов горячей прокатки (блюмингов, слябингов, толстолистовых станов) характерен режим с очень малой продолжительностью включения. Для достижения оптимальной производительности стремятся вести прокатку во время первых проходов с максимально возможными обжатиями. Когда сечение прокатываемого металла становится меньше, обжатие следует уменьшить, в связи с этим для сокращения длительности проходов повышают скорость прокатки, поэтому ДПТ должен обладать большой перегрузочной способностью во всем диапазоне частот вращения, способностью быстрого регулирования частоты вращения в большом диапазоне с малыми потерями в обоих направлениях.

Двигатели одноклетьевых станов холодной прокатки для привода моталок должны обеспечивать постоянное натяжение полосы и необходимое ускорение при растяге от заправочной до рабочей скорости прокатки. Основные требования, предъявляемые к ДПТ, — пониженный момент инерции якоря и большой диапазон регулирования частоты вращения ослаблением поля. Выбор ДПТ прокатной клети производят по требуемым моменту и скорости прокатки.

Для малых обжатий при более высоких скоростях, как правило, допустимо изменение потока возбуждения в пределах от 1:2 до 1:2,5.

Аналогичные требования предъявляются к ДПТ привода непрерывных станов холодной прокатки. Часто выгодно распределить мощность каждого привода по нескольким двигателям, так как при этом можно существенно уменьшить ускоряемые массы.

Крупные двигатели постоянного тока, отвечающие специальным требованиям

На основе крупных ДПТ, предназначенных для привода механизмов прокатных станов, выпускаются ДПТ, удовлетворяющие повышенным требованиям, для привода специальных стендов, гребных установок и т. д.

Двигатель типа П2-630-204,5-4КУЗ предназначен для привода линеек манипулятора блюминга. Двигатель допускает рабочую перегрузку, равную 3 Iн, длительностью не более 15 с при номинальной частоте вращения; нечасто повторяющуюся при частоте вращения, близкой к нулю, перегрузку, равную 3,2 Iн, длительностью не более 10 с и отключающую перегрузку, равную 3,5 Iн.

Двигатель выполняется в закрытом исполнении на двух стояковых подшипниках качения, с цилиндрическим рабочим концом вала и вторым нерабочим кольцом вала для подсоединения аппаратуры автоматизации, на собственной фундаментной плите.

Двигатель типа 2МП25000-750 предназначен для привода мощных компрессоров, выполнен с трехходовой обмоткой якоря, что позволяет реализовать кратковременно мощность 12 500 кВт в диаметре якоря 2500 мм.

Двигатель типа 2МП17600-130 предназначен для привода судовых гребных винтов. Двигатель выполнен в брызгозащищенном исполнении. Вентиляция принудительная, от двух вентиляторов, установленных на его станине. Выполнение магнитопровода шихтованным обеспечивает высокую коммутационную надежность при работе с большими скоростями, частыми реверсами, большими кратковременными перегрузками по току. Два якоря ДПТ имеют общий полый вал, вращающийся на двух стояковых подшипниках скольжения с дисковой смазкой. Вал ДПТ имеет фланец для присоединения к гребному валу судна.

Двигатели постоянного тока для электроприводов шахтно-подъемных механизмов

Для электроприводов шахтно-подъемных механизмов разработана серия ДПТ 21-го и 25-го габаритов.

Двигатели допускают работу при относительной влажности воздуха до 98% при + 25 °С (исполнение О4).

Окружающий воздух не должен быть взрывоопасным, не должен содержать агрессивных примесей, паров масла, токопроводящей пыли. Рабочая перегрузка — 2 Iн в течение не более 15 с, отключающая -2,25 Iн.Рабочий конец вала цилиндрический, ступенчатый. В ДПТ применены подшипники качения. Смазка подшипников консистентная. Амплитуда вибрации не должна превышать 90 мкм. Действующее значение переменной составляющей тока якоря не должно превышать 2% при номинальной частоте вращения. Двигатели 21-го габарита могут изготовляться в консольном исполнении. Конструктивное исполнение для консольных машин — IM5705 по ГОСТ 2479-79, при такой конструкции якорь ДПТ насаживают на вал барабана шахтного подъемника, что позволяет снизить массу машины в 1,2ч1,4 раза.

Заключение

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.

Список используемых источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inauka.net/referat/ispolnitelnyie-dvigateli-postoyannogo-toka/

1. Дементьев И.А. Электродвигатели: справочное пособие / И.А. Дементьев. — Ухта: УГТУ, 2010. — 78 с.

2. Москаленко В.В. Электродвигатели специального назначения. / В.В. Москаленко — М.: Энергоиздат., 1998. — 159 с.

3. Проскуряков, В.С. Электрические машины постоянного тока: учебное пособие по предмету «Электротехника» / В.С. Проскуряков — Екатеринбург.: Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ, 2008. — 41 с.