DC električni stroji: namen, konstrukcija, naprava in načelo delovanja

Stroji enosmerni tok (MPT) je splošen izraz, ki združuje generatorje (GPT) in motorje (DPT). Pri MAT-u praviloma govorimo o bipolarnih strojih, ki imajo izmenične "severne" in "južne" magnetne pole in mehansko ali elektronsko stikalno enoto toka vrtljivega navitja armature z enim samim obročnim polom (v nasprotju z unipolarnimi stroji). To načelo se bomo tudi držali.

Klasifikacija MAT

V elektrotehniki in teoriji električnih strojev je običajno razdeliti MPT na naprave z eksplicitnimi in implicitno izraženimi vzbujevalnimi poli, z valjasto ali večstransko posteljo, z vzbujanjem z enosmernim ali trajnim magnetom, z mehanskim kolektorjem, ki je zasidran ali brezkontakten. Imenovanje DC strojev jih deli na splošne industrijske in specializirane. Med slednjimi se lahko imenuje, na primer, vlečni DPT, ki se uporablja v železniškem prometu. Obstajajo tudi metalurški DPT, zlasti motorji za valjarne itd.

Kot je znano, so enosmerni navitji razdeljeni na navitja (OM) in armaturo (OH). Prvi služi za vzbujanje magnetnega polja naprave, drugi pa za pridobivanje energije iz napajalne napetosti v motornem načinu ali za napajanje električne obremenitve v generatorskem načinu. Obstajajo tudi navitiji dodatnih polov, ki se uporabljajo za lažje preklapljanje.

Električni DC stroji, ne glede na to, ali so generatorji ali motorji, se lahko razvrstijo na podlagi povezovalnih diagramov njihovih vzbujalnih in armaturnih navitij. Lahko tvorijo en sam električni krog ali pa sploh nimajo električne povezave (neodvisno vzbujanje). To načelo klasifikacije deli MAT na dve glavni vrsti. Njihovo nadaljnjo razvrstitev boste razumeli na spodnjem diagramu.

Strojna naprava DC

GPT se lahko uporablja kot DPT brez kakršnih koli sprememb zasnove. Seveda industrija proizvaja stroje, ki so namenjeni za delo z motorji, in stroji, ki so generatorji. Razlike med njimi pa so v konstrukciji posameznih delov, v fazi splošnega spoznavanja pa se lahko zanemarijo. Zato bomo nadalje razmislili o napravi DC stroja na splošno, ne da bi upoštevali način njegovega delovanja.

Spodnja slika prikazuje prečni prerez preprostega MPT z dvema paroma ločenih polov. Njena zasnova vsebuje dva glavna dela: stator in sidro. Razmislite, katere dele sestavljajo.

Stator vsebuje okvir in glavne in dodatne pole med njimi (ni prikazano na sliki).

Postelja je zunanja konstruktivna prevleka MPT. Lahko je oblikovana iz litega železa (na strojih starih konstrukcij) ali pa je varjena iz debele pločevine. Postelja mehansko trdno drži celoten sklop MPT. Poleg tega služi kot magnetni vodnik za magnetni tok, ki ga proizvajajo glavni poli.

Slednji so pritrjeni na okvir z vijaki ali varjenjem. Njihov glavni namen je prenašanje navitja navitja vzbujevalnega navitja na njih in zaporedno medsebojno povezovanje tako, da se magnetna polarnost polov izmenjuje, kar pomeni, da bo po "severnem" polu sledil "južni" itd.

Konice (čevlji) za pole, ki so podaljšek glavnih stebrov, služijo dvema namenoma: preprečiti drsenje kolobarjev in enakomerno porazdeliti polje vzbujanja nad večino oboda zračne reže.

Sidro DC stroja sestavljajo jedro z navitjem, rokav in gred. Jedro je jekleno ogrodje cilindrične oblike, izdelano iz tankih jeklenih pločevin, obojestransko prevlečeno z izolacijskim lakom. To naredimo, da preprečimo pojav vrtinčnih tokov, ki želijo zapreti v debelini jedra. V svojih utorih so položeni odseki zanke ali navijanja valov armature, kolektorja DC stroja in ščetk. Navitje armature mora biti priključeno na zunanje enosmerno napajanje. Toda ne morete neposredno povezati zatiča za navijanje z omrežnim vhodom, ker se vrti. Zato je med omrežjem in navitjem armature nameščen stikalni kolektor, ki je niz bakrenih plošč, ki so med seboj izolirane in tvorijo zunanjo cilindrično površino, ločeno z izolacijskimi potmi. Fiksne kontaktne krtače se potisnejo po njej, ko se sidro s kolektorjem vrti. Tako fiksne ščetke fizično v stiku z vrtečim se navitjem armature in z njihovo pomočjo lahko že priključite na zunanje omrežje DC stroja.

Razvoj struktur MTF

Prvi industrijski model MPT se je pojavil v 70. letih. 19. stoletje Sprva so imeli obročno sidro s toroidalnim (Gram) navitjem. Po izumu sidra bobna so pridobili dokončan videz, ki ustreza zgornji sliki. Vendar pa je oblikovanje DC strojev v drugi polovici 20. stoletja. precej dramatične spremembe. Najprej so se dotaknili statorja. Namesto jasno izraženih glavnih polov so začeli uporabljati implicitno polno konstrukcijo. V njej je bila koncentrirana vzbujalna tuljava vsakega glavnega droga zamenjana z rahlo manjšimi tuljavami, ki se nahajajo v režah laminiranega statorja, ki ima pravokotno ali večstransko obliko, kot je prikazano na spodnji sliki. V istih utorih statorja je nameščen in kompenzacijski navitje, o katerem bomo razpravljali kasneje. Zaradi tega je oblikovanje DC strojev postalo veliko lažje.

V povezavi z razvojem nadzorovanega asinhronega električnega pogona nekateri strokovnjaki izrazijo mnenje o bližajočem se premiku asinhroni motorji DPT iz svojih tradicionalnih aplikacij, kot so pogonski pogon ali pogon metalurških mehanizmov. Vendar je še prezgodaj govoriti o tem kot o končnem dejstvu.

Splošno načelo oblikovanja navitja armature

Katerikoli od armaturnih navitij je neprekinjeno električno vezje, ki je zaprto samo po sebi, sestavljeno iz zaporedno povezanih delov (tuljav). V najenostavnejšem primeru lahko odsek predstavlja samo en obrat z dvema žičnima vodnikoma ali pa je lahko več obrat. Stranice reže so vedno ločene z razdaljo, ki je nekoliko manjša od delitve pola - del oboda armature, ki pade na en glavni pol. Zato so v vsakem odseku vedno pod glavnimi polovami nasprotne polarnosti. V enem samem zaprtem krogu so odseki povezani s kolektorskimi ploščami. Način, kako ta povezava določa vrsto navitja. Na spodnji sliki je pojasnjeno načelo oblikovanja armaturnega navitja enosmernega stroja iz šestih vrtilnih delov, priključenih na kolektorske plošče.

V položaju, ki je prikazan na sliki, ščetke razdelita navitje armature v dve vzporedni veji: zgornji, ki je sestavljen iz delov L1 _, L2, L3 in spodnji, ki sestoji iz odsekov L4 _, L5, L6. Število takšnih vej je odvisno od vrste navitja armature, vendar je vedno enak in ne more biti manjši od dveh.

Navitja armaturne zanke in zanke

To sta dve glavni vrsti navitij, od katerih ima vsaka več sort. Preučili bomo njihove najpreprostejše možnosti. Slika na levi spodaj prikazuje obliko odsekov, ki sestavljajo preprosto navijanje zanke armature DC strojev. Kot lahko vidite, je enaka oblika odsekov značilna za navijanje valov.

V prvi izvedbi je en (začetni, zagonski) izhod vsakega odseka z dvojnim zavojem povezan z i-to ploščo zbiralnika, drugi (končni, končni) izhod pa je priključen na sosednjo (i + 1) -no kolektorsko ploščo z začetnim izhodom naslednjega odseka (glej sliko) zgoraj). Tako so zaključki vsakega odseka pritrjeni na dve sosednji plošči, in sam odsek, ki je sestavljen iz dveh utorov in dveh čelnih delov, je oblikovan kot zanka (od tod tudi ime navitja).

Odsek valovnega navitja ima zaključke, ki niso povezani s sosednjimi kolektorskimi ploščami, temveč tisti, ki so ločeni z določenim korakom, imenovani korak navitja vzdolž kolektorja pri. Za preprosto navijanje zanke, yk = 1 in za navadno navijanje, yk = (K ± 1) / p, kjer je K število kolektorskih plošč, je p število parov glavnih polov. Kot je razvidno iz slike, zaradi tega načina spajanja odseki dobijo obliko, ki je podobna pol valu sinusnega vala, kar je povzročilo ime navitja.

Načelo delovanja v generatorskem načinu

Glede na izvirno interpretacijo pojava elektromagnetna indukcija v gibljivem prevodniku, ki ga dobimo s Faradayem, ko prehaja magnetne linije med gibanjem, se v njem inducira EMF. V skladu s tem načelom je mogoče razložiti razlog za vodenje elektromagnetnega valja v aktivnih vodnikih (tistih, ki so položeni v utore) navitja armature MPT. Dejansko se premikajo pod glavnimi drogovi in ​​prečkajo črte polja. Ker so slednji zvezni, bo vsak vodnik armature, ne glede na to, ali se nahaja na njegovi površini (kot je bil v prvih MPT konstrukcijah) ali v režah, ki potekajo pod polom, prečkal vse poljske linije, ki izhajajo iz njegove konice. Smer delovanja, ki se pojavi v vodniku EMF, se lahko določi z uporabo pravila za desno roko, ki ponazarja spodnjo sliko.

V zavojih navitja njegovega navitja so vključeni žični vodniki armature v parih. Vsota EMF tuljav daje EMF tuljave. Fiksne krtače razdelijo celotno navijanje armature na več (vsaj dveh) vzporednih vej. Vsota EMF vseh tuljav, ki so vključeni v vzporedno vejo, daje EMF celotnega navitja armature MPT. Načelo delovanja DC strojev pri delovanju z generatorjem se tako lahko oblikuje na naslednji način: armatura vzbujenega stroja se vrti z motorjem, v navitju se inducira elektromotorna napetost, ki povzroči tok enosmernega toka armature v zaprtem krogu, ki vključuje navitje, kolektor, krtače in zunanje omrežje z obremenitvijo.

V prisotnosti toka armature začne zanj delovati zavorni elektromagnetni moment. Ustvari obremenitev pogonskega motorja. Večja je električna moč obremenitve generatorja, večja je njegova armatura in višja je obremenitev pogonskega motorja. V tem primeru, glede na ohranjanje energije slednji porabi toliko goriva, da poganja armaturo generatorja, tako da bi bila kemična energija, ki se sprosti med izgorevanjem, zmanjšana za izgube energije v motorju in generatorju enako energiji, ki jo je vzela električna obremenitev stroja DC.

Naprava in načelo delovanja v načinu motorja

V tem načinu se pri zagonu dovoda toka armature iz napajalnega omrežja. Amperne sile delujejo na žične vodnike armature s tokom, ki so pod glavnimi poli. Njihova smer je določena s pravilom leve roke, kar je prikazano na spodnji sliki. Njihova vsota ustvarja rotirajoči elektromagnetni moment armature (v nasprotju z zaviranjem v generatorskem načinu) in se vrti.

Toda pri vrtečih se vodnikih z režami, kot v generatorskem načinu, se sproži emf, kar daje celotno emf navitja armature. Deluje v nasprotju z napajalno napetostjo in jo delno izravna. To je načelo delovanja strojev na enosmerni tok, ko motor deluje. V tem primeru, po zakonu o ohranjanju energije, motor iz električnega omrežja vzame toliko električne energije mehanska energija za pogon pritrjenega mehanizma ob upoštevanju izgub energije (električnih in mehanskih). Z drugimi besedami, čim bolj je mehansko obremenjen motor, to je večja teža in vztrajnost mehanizmov, ki jih sprožijo, ali večji je trenutek upora medija, ki ovira njihovo gibanje, večja je količina električne energije, ki jo porabi motor iz omrežja.

Na fizikalni mehanizem vodenja EMF v vodnikih MPT navitja armature

Treba je opozoriti, da teoretični fiziki ne marajo zgornjega (in priljubljenega v strokovni literaturi) fizičnega mehanizma vodenja elektromagnetnega polja, saj so linije magnetnega polja le špekulativna slika, ki jo je Faraday izumil za opis. Nobenega dokaza o njihovem dejanskem obstoju kot resničnih fizičnih predmetov ni.

Alternativni mehanizem za usmerjanje elektromotornih sil v gibljivem reže v vodniku navitja MPT je učinek na elektrone znotraj nje Lorentzove sile, ki je sorazmerna z magnetno indukcijo na mestu vodnika. Vendar pa je tu protislovje, ki je sestavljeno iz dejstva, da je v armaturnih režah magnetna indukcija izginila majhna in to ne vpliva na vrednost EMF vodnikov. Zato se namesto indukcije v žlebu v formulo nadomesti indukcija v zračni reži, kar je seveda napačno, toda daje rezultat blizu tistemu, ki ga opazimo v praksi.

Izhod iz tega trka je prehod na opis magnetnega polja ne s pomočjo vektorja magnetne indukcije, ampak s pomočjo vektorskega magnetnega potenciala. Aktivni zagovornik tega pristopa je bil tudi ugledni ruski elektro inženir KM Polivanov. Podrobneje s tem problemom najdemo v delih avtorja.

MPT magnetno polje pod obremenitvijo

V obremenjenem magnetnem polju obstajata dve vrsti magnetnega pretoka: tok OM in tok SN, ki ga povzročata toka teh navitij. Sile sile prvega od njih so usmerjene vzdolž osi para polov, skozi katere se zapira, kot je prikazano na sliki 1 na spodnji sliki. Tak tok vzbujanja se imenuje vzdolžni. Če je v MPT več kot dva pola, je to polje tudi vzdolžno v zračni reži pod konico vsakega od njih.

Električni vodovi OHA toka so zaprti po osi polov, tako da, kot se uporabljajo za MPT, govorijo o prečnem polju armature, kar je prikazano na sliki 2 v isti sliki.

Pretok armature se sešteje s pretokom vzbujanja, ki tvori nastali tok. To kaže na reakcijo armature enosmernega toka, ki je sestavljena iz učinka prečnega polja na vzdolžno vzbujevalno polje, katerega sile so tako izkrivljene, zgoščene blizu enega roba pola in se redčijo v bližini drugega. V GPT se zgostitev poljskih sil sile, tj. Njeno ojačanje glede na polje vzbujanja, odvija pod robom pola, ki se giblje proti sidru, in v DPT - pod spuščenim robom, kot je prikazano na sliki 3.

Neželeni učinki sidrne reakcije

Zaradi pojava magnetnega zasičenja jekla se nastalo polje pod robom pola, kjer se poveča, ne more povečati v enakem obsegu, kot je oslabljeno pod nasprotnim robom. Rezultat tega učinka je torej splošno zmanjšanje magnetnega polja obremenjenega stroja. V primeru generatorja, slabitev polja zmanjšuje nastalo napetost.

Reakcija DC-armature izkrivlja prostorski vzorec poljskih napajalnih vodov, zato se položaj magnetno-nevtralnega (MN) spreminja - v bipolarnem MPT je pravokotno na močnostne vode vzbujalnega toka in sovpada z geometrijsko nevtralno GN. Krtače je treba položiti na MN, sicer bodo pod njimi nastale iskre. Zato je zaradi reakcije sidra težko določiti točen položaj MN. Vendar pa so v praksi dokazane metode.

Druga negativna posledica tega učinka, ki bistveno poslabša obratovalne lastnosti enosmernega stroja, je povečanje maksimalne napetosti med sosednjima ploščama. Ponovno poiščite diagram navitja. Če so stranice nekaterih odsekov sočasno pod robovi dveh sosednjih nasprotnih glavnih polov s povečanim poljem zaradi reakcije armature, potem lahko napetost, inducirana v tem odseku in zato napetost med parom sosednjih kolektorskih plošč, znatno preseže njeno vrednost, ko je reakcija armature odsotna v stanju mirovanja. Poleg tega se takšen presežek ponavadi zgodi naenkrat v več delih kolektorja, ki se nahajajo na območjih povečanega polja. Posledično lahko pride do takšnega pojava, kot je krožni požar na kolektorju, ki ga lahko popolnoma uniči. Zato brez posebnih konstruktivnih metod za preprečevanje reakcije armature praktično ni možno delovanje enosmernega in srednje močnega stroja.

Načini za reševanje reakcije sidra

Najpreprostejša in prva pojavljena metoda je bila povečanje zračne reže od sredine do robov konic polov, to je izvedba divergentne vrzeli. Hkrati se je povečala magnetna upornost toka reakcije armature in njen učinek na polje vzbujanja se je zmanjšal. Odpornost pa se je povečala za vzbujalni tok, ki je prisilil k povečanju dimenzij tuljav na glavnih polih.

Za oslabitev pretoka armature pri izdelavi glavnih polov se uporablja elektropločevina z magnetno anizotropijo svojih lastnosti (magnetna permeabilnost) vzdolž in vzdolž osi polov. Drogovi takšnega jekla imajo dober vzdolžni tok vzbujanja in slab pretok sidra. Vendar je takšno jeklo zelo drago in njegove lastnosti so močno odvisne od temperature in se sčasoma spreminjajo.

Nazadnje je bilo ugotovljeno, da se radikalno ukvarja z reakcijo armature DC stroja. Naprava in načelo njenega delovanja se nista bistveno spremenila hkrati, dodana pa je bila še ena navijanje - kompenzacijska. Postavljen je v reže na konicah glavnih polov (ali v reže statorja skupaj z vzbujevalnim navitjem z implicitno polno strukturo), kot je prikazano na spodnji sliki, in je zaporedno priključen na navitje armature, tj. Skozi njih teče isti tok.

Vendar pa je smer toka okoli zavojev kompenzacijskega navitja izbrana tako, da je magnetni tok, ki ga vzbuja, usmerjen proti toku reakcije armature in ga kompenzira.

Vsi sodobni DC električni stroji, ki imajo srednjo in visoko moč, so opremljeni s takšnim navitjem.