ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ

 

.

 

 

Минск

 

Бабёр А. И. Электрические машины. Пособие для учащихся средних учебных заведений специализации автоматика.

 

 

Введение

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, слу­жащее для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Если вырабатывается механическая энергия за счет электрической, машина называется электродвигателем, если за счет механической энергии вырабатывается электрическая энергия, машина называется электрогенератором. Генераторы работают, в основном, на электростанциях (тепловых, атомных, гидро, ветро, приливных и других). В большинстве случаев энергия источника используется для перемещения ротора генератора, вырабатывающего электроэнергию. Существуют и другие способы выработки электроэнергии, например, путем прямого преобразования солнечного излучения в напряжение (солнечные батареи). Но они пока в промышленности используются мало, да и к электрическим машинам вряд ли могут быть отнесены.

Около 70% электроэнергии используется в промышленности и на транспорте для создания механической работы. В настоящее время электродвигатель используется значительно чаще других благодаря его уникальным качествам: хорошая управляемость, большой диапазон мощностей и скоростей, относительная простота, а следовательно, дешевизна и т. д. В настоящее время, благодаря успехам промышленности, в состав электрических машин вошли микромашины, мощность которых может быть от долей до сотен Вт. Использование микромашин значительно упрощает конструкцию устройства. К электрическим машинам относят и такие микромашины, которые связаны с преобразованием информации и в устройствах являются датчиками. К ним относятся тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины и т.п.

К электрическим машинам относят трансформаторы. В них хотя и нет движущихся частей, электромагнитные процессы происходят подобно процессам в электрических машинах. Трансформаторы не преобразуют один вид энергии в другой, а изменяют характеристики электроэнергии—напряжение и ток. Существуют и другие виды электрических машин, например, преобразователи частоты, преобразователи однофазного напряжения в трехфазное и т.д. Таким образом, электрические машины это электромеханические устройства, служащие для преобразования механической энергии в электрическую и обратно; для преобразования характеристик электрической энергии, а также для преобразования информации о перемещениях в электрический сигнал и преобразований этого сигнала.

Классификация электрических машин производится по различным признакам.

По назначению—силовые (энергетические) и информационные. К силовым относятся, в основном, исполнительные двигатели (асинхронные, постоянного тока, шаговые). К информационным—тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы и другие.

По принципу действия—коллекторные и бесколлекторные. К коллекторным относятся двигатели постоянного тока, универсальные и др. К бесколлекторным—асинхронные, синхронные.

По способу возбуждения—с обмоткой возбуждения, с постоянными магнитами возбуждения и т.д. Внутри каждого вида двигателей существует своя классификация—по конструктивным и другим признакам. Например, асинхронные двигатели могут быть одно и многофазные, могут быть с короткозамкнутым или с фазным ротором и т.д.

 

1 Коллекторные машины

1.1 Коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ)

Принцип действия электродвигателя основан на законе электромагнитной индукции: если проводник длины l внешней силой перемещается перпендикулярно вектору магнитной индукции В со скоростью , то в проводнике возникнет электродвижущая сила (ЭДС)

Е= В l 1.1

 

 

Рисунок 1.1 Проводники в магнитном поле

 

Направление ЭДС определяется правилом правой руки. Эта ЭДС, если проводник замкнуть внешним проводом с сопротивлением R, вызовет ток I, который взаимодействуетс полем В (по правилу левой руки), вызывая силу

F = В l I. 1.2

Эту силу необходимо преодолеть, чтобы передвигать проводник со скоростью . Так получается элементарный генератор. Внешняя сила F₁ передвигает проводник, совершая работу по его перемещению. Часть работы уходит на нагрев проводника— I² R.

Точно так же можно показать, что если в проводник, помещенный в магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции, от внешнего источника подать ток, проводник будет двигаться в магнитном поле (по правилу левой руки), создавая силу. Так получается элементарный двигатель (рис. 1.1а).

Поступательное движение проводника ограничено в пространстве. Поэтому большинство двигателей изготавливают вращающимися. Электрические двигатели, построенные на описанном принципе, обладают обратимостью, т.е. одна и та же электрическая машина может работать в режиме двигателя или генератора. Для получения двигателя вращения в магнитное поле помещают два проводника, токи в которых равны и противоположны. За счет этого на проводники действуют равные противоположно направленные силы, создающие вращающий момент вокруг оси. На практике такие проводники создаются рамкой (рис.1.1б), торцы которой находятся вне магнитного поля и потому на работу двигателя влияния не оказывают.

Для того, чтобы по нижнему проводнику ток тек всегда в одну, а в верхнем—в другую сторону, необходим коммутатор, который представляет собой вращающиеся вместе с рамкой пластины, называемые коллектором. Ток на коллектор поступает через угольные пластины, называемые щетками. Для увеличения момента рамки выполняют многовитковыми. Их называют секциями. Концы секции присоединяют к двум пластинам коллектора. Главное качество секции заключается в том, что верхние проводники, в которых ток течет в одну сторону, перемещаются мимо одного полюса, например N, нижние, с током в другую сторону, мимо противоположного полюса (S). На схемах двигателей секции условно показывают одним витком. Чем больше секций, тем равномернее момент, развиваемый двигателем. Если секции не соединены друг с другом, время взаимодействия секции с магнитным полем, определяется дугой окружности, занимаемой пластиной коллектора. Это невыгодно, так как в таком случае секции работают поочередно. В коллекторных двигателях секции соединяют друг с другом последовательно: конец одной секции и начало другой присоединяют к одной коллекторной пластине. Это приводит к тому, что а) число коллекторных пластин равно числу секций, б) ток двигателя мало меняется при переходе щеток с одной пары коллекторных пластин на другую. На рис. 1.2 показано устройство двигателя с одной парой полюсов. Секции якоря, как было сказано выше, изображены одновитковыми. Соединения со стороны коллектора показаны сплошными линиями, проводники за якорем -- пунктирными. Начала секций обозначены номерами 1…6, концы -- 1а…6а. Расположение начал и концов близко к диаметральному. Так, например, секция 1 начинается от коллекторной пластины (сплошная линия), по проводнику проходит вдоль якоря (кружок со знаком +), в тыльной части якоря проходит на противоположную сторону (штриховая линия со стрелкой) и проводником 1а возвращается к лобовой части со стороны коллектора, образуя конец секции. Конец секции 1 вместе с началом секции 2 присоединены к следующей коллекторной пластине. Проводники концов секций можно располагать в тех же пазах, в которых расположены начала соседних секций.

 

Рисунок 1.2 Присоединение витков к коллекторным пластинам. Сплошными линиями показаны соединения со стороны коллектора, штриховыми -- за пакетом ротора.

 

Щетки, условно показанные внутри коллектора, разделяют проводники ротора на параллельные ветви, в которых ток течет в противоположных направлениях: в секциях 1, 2, 3 в одну, в секциях 4, 5, 6 --в другую, что и необходимо для вращения якоря. Направления токов показаны стрелками. По секциям 1, 2, 3 ток течет по следующему пути: щетка + - провода секции 1(1 и 1а) - провода секции 2 (2 и 2а) - провода секции 3 (3 и 3а) - щетка -. По секциям 4, 5, 6 ток течет в обратном направлении по следующему пути: щетка + -провода 6а и 6 - провода 5а и 5 - провода 4а и 4 - щетка -. Щетки расположены на линии nn, называемой нейтралью. Когда проводник расположен над нейтралью, ток должен течь в нем в одну сторону, под нейтралью—в другую. Отсюда важное качество: щетки должны располагаться только на геометрической нейтрали между полюсами магнитов. Если они сдвинуты, коммутация произойдет раньше или позже и на часть витков, расположенных между щеткой и нейтралью, начнет действовать момент противоположного направления, что существенно может изменить общий вращающий момент двигателя. Когда говорят о расположении щеток на нейтрали, подразумевают такое положение щеток, при котором изменение тока на противоположный в секции происходит при пересечении её витками нейтрали. Реальное положение щеток, особенно в многополюсных машинах, может существенно отличаться.

Взаимодействие рамки с магнитным полем в процессе вращения различно. Когда проводники движутся перпендикулярно полю, сила, действующая на каждый из проводников максимальна и равна F = В l I. Когда проводники движутся параллельно полю, сила (а, следовательно, момент) равна нулю. Сила зависит от угла поворота рамки и равна

F= В l I sin 1.3

 

Если число секций невелико, движение будет неравномерным, а работа неустойчивой. Для увеличения устойчивости число секций и пластин коллектора берут большим.

 

1.2 Устройство коллекторного двигателя (рис.1.3)

 

Рисунок 1.3 Устройство коллекторного двигателя.

1--статор, 2-- обмотка возбуждения, 3-- полюсной наконечник, 4--якорь, 5--щётки, 6-- коллектор, 7-- лапы крепления

 

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная— якорем. Статор состоит из станины, на которой устанавливаются полюса и лапы для крепления машины на месте установки. В малых машинах лапы не применяются. Станину изготавливают из стали с большой магнитной проницаемостью . Полюса служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Полюс состоит из сердечника, закрепленного на статоре, и катушки.. Сердечник изготавливают из листовой холоднокатаной электротехнической стали. Такие пластины обладают большей магнитной проницаемости вдоль проката по сравнению с магнитной проницаемостью поперек проката, что способствует уменьшению потока рассеяния и других недостатков двигателя. Для создания необходимой магнитной индукции в зазоре между полюсом и якорем служат полюсные наконечники. Количество пар полюсов машины –не мене одной.

Катушку изготавливают из медного намоточного провода. В малых машинах катушки делаются бескаркасными, в больших—на каркасе. В некоторых машинах катушки делают секционными для увеличения поверхности охлаждения.

Якорь это подвижная часть машины. Он состоит из шихтованного сердечника, набранного из пластин изотропной электротехнической стали, напрессованных на вал, и якорной обмотки.. На поверхности якоря имеются продольные пазы для укладки обмотки. Обмотка выполняется медным проводом круглого или прямоугольного сечения.. Чтобы под действием центробежных сил провода не расходились, их закрепляют в пазах либо гетинаксовыми или текстолитовыми клиньями, либо нетокопроводящим бандажом.

В торцевой части якоря располагается коллектор. Он выполнен в виде набора медных пластин, закрепленных, в основном двумя способами: в больших машинах—со стальными конусными шайбами, в малых—залитыми в пластмассу. Со стороны обмотки коллекторные пластины имеют продольный паз для укладки и припайки выводов обмотки. Эта часть коллектора называется петушком.

Электрический контакт коллектора с источником напряжения осуществляется посредством щеток, расположенных в щеткодержателях. Щетки изготавливаются из материала на основе графита. Добавки определяют электрическое сопротивление, износостойкость, переходное сопротивление щеток. Щетки не должны изнашивать пластины коллектора. Одно из условий надежной работы машины—плотный контакт между щетками и коллектором. Недопустимо как слабое, так и чрезмерное усилие прижатия щеток. Якорь устанавливается в подшипниках, которые располагаются в переднем (со стороны коллектора) и заднем подшипниковых щитах.

Обмотку якоря выполняют в виде секций, концы которых присоединены к двум коллекторным пластинам. К каждой пластине присоединяют конец одной и начало другой секции. Схемы обмоток делают развернутыми. Существует два основных вида якорных обмоток. В петлевой обмотке каждая секция присоединена к двум лежащим рядом коллекторным пластинам. В волновых обмотках последовательно соединяют секции, расположенные под разными парами полюсов.

Относительно щеток в обмотках образуются параллельные ветви., которые из-за неточности изготовления, из-за дефектов материалов, из-за недостаточной точности центровки могут быть несимметричными. Это вызовет уравнительные токи, увеличивающие потери в том числе и на нагрев машины. Увеличивается искрение, щетки нагружаются неравномерно. Чтобы уменьшить влияние этих явлений, точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковы, соединяют между собой. В этом случае уравнительные токи протекают внутри якоря, не нагружая щетки.. Искрение и нагрев обмоток уменьшаются. Чем больше мощность машины, тем большее внимание уделяют уравнительным соединениям.

Кроме указанных обмоток применяют сложные петлевые и сложные волновые обмотки, а также их комбинации.

При вращении якоря на нем возникает ЭДС. При нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, при смещении щеток в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, что вызовет уменьшение общей ЭДС. Так как ЭДС уравновешивает внешнее напряжение, смещение щеток увеличивает ток нагрузки при той же мощности двигателя, вызывая его нагрев. Между пластинами коллектора имеется напряжение, которое существенно влияет на работу машины. Чем оно меньше, тем лучше.

 

1.3 Магнитная цепь электрической машины

В воздушном зазоре между полюсным наконечником и якорем возникает индукция

В. Магнитный поток проходит по станине, полюсным наконечникам, зазору между наконечником и якорем и якорю. Магнитная индукция в зазоре пропорциональна магнитному потоку Ф. Машины работают в режиме, близком к насыщению.

В режиме холостого хода ток в якоре отсутствует. Магнитный поток создается только обмотками возбуждения и располагается симметрично относительно якоря (рис. 1.4а). График индукции В в зазоре имеет вид, близкий к трапеции (рис. 1.4 б).

Если по обмотке течет ток, он создает свое магнитное поле, вектор магнитного потока Ф которого направлен по нейтрали. Силовые линии этого поля показаны на рис. 1.4 в, а график индукции-- на рис. 1.4г. Это поле суммируется с основным полем катушек возбуждения. Результирующая картина показана на рис 1.4 д. Там, где поля суммируются, индукция выше, вычитаются—ниже. Один край полюса подмагничивается, другой размагничивается. Результирующий магнитный поток поворачивается на угол к геометрической нейтрали. То же можно сказать и о повороте физической нейтрали. Чем больше ток якоря, т.е. нагрузка машины, тем больше угол смещения физической нейтрали. В двигателе физическая нейтраль смещается против вращения якоря. Неравномерность магнитной индукции под полюсными наконечниками приводит к к неравномерности возникающей в якоре ЭДС, увеличению разности межу максимальным и минимальным значениями, к увеличению разности потенциалов между соседними пластинами коллектора. Увеличивается искрение, которое при наличии токопроводящих частиц графита от щеток может привести к мощной дуге.

При насыщенной магнитной системе влияние реакции якоря не столь критично. Это связано с тем, что в насыщенной стали магнитная индукция практически не возрастает в месте сложения полей (заштрихованная область 4 на рис. 1.4д), и уменьшается в месте вычитания. Но результирующая мощность падает.

 

 

 

Рисунок 1.4 Магнитное поле машины.

1--упрощенная форма индукции в зазоре от основных полюсов; 2 -- упрощенная форма индукции в зазоре от тока якоря; 3 -- суммарная индукция в зазоре; 4 --потери индукции за счет насыщения стали полюсов.

 

Подобное действие оказывает смещение щеток с геометрической нейтрали, так как вместе со щетками поворачивается и вектор МДС якоря. МДС помимо поперечной составляющей приобретает и продольную, направленную вдоль полюсов. При смещении щеток по направлению вращения продольная составляющая подмагничивает машину.

Устранение вредного влияния реакции якоря осуществляют двумя способами: применением компенсационной обмотки и увеличением воздушного зазора над главными полюсами.

Так как магнитное поле якоря направлено по геометрической нейтрали и величина магнитного потока пропорциональна току якоря, можно на станине разместить обмотку, по которой пропустить ток якоря. Направление магнитного потока ее должно быть противоположно потоку якоря. Такая обмотка называется компенсационной. Выполняют ее распределенной. Укладывают ее в пазы полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря. Компенсационные обмотки применяют в машинах большой мощности (свыше 150 кВт) в связи с удорожанием машины.

В машинах малой и средней мощности ослабление влияния реакции якоря осуществляют путем увеличения воздушного зазора под полюсами. Это вызывает увеличение магнитного сопротивления магнитной цепи. Однако, увеличение зазора требует увеличения МДС полюсов намагничивания машины.

Реакция якоря уменьшается при применении анизотропной стали для изготовления полюсов возбуждения. Пластины располагают так, чтобы большая магнитная проницаемость была вдоль полюса, а малая –поперек. Так как большая часть магнитного потока якоря проходит по полюсам в поперечном направлении (рис. 1.4 в), она значительно ослабляется. В то же время основной поток проходит без ослабления.

 

1.4 Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения, ДПТ разделяются на двигатели параллельного возбуждения (ДПТ ПрВ), двигатели последовательного возбуждения (ДПТ ПсВ) и двигатели смешанного возбуждения. К двигателям параллельного возбуждения можно отнести двигатели независимого возбуждения (ДПТ НВ), в которых обмотка возбуждения подключается к отдельному источнику, либо выполнена с помощью постоянного магнита. В двигателях малой мощности возбуждение постоянными магнитами применяется преимущественно. Схема ДПТ ПрВ показана на рис. 1.5.

 

 

Рисунок 1.5 Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения

 

При подаче напряжения U на двигатель под действием электромагнитного момента якорь двигателя начинает вращаться.. Он вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Е_Я , которая направлена против тока якоря I_Я, называется противо-ЭДС и уравновешивает часть напряжения. Вторая часть создает падение напряжения на сопротивлении якоря r_Я и на внешнем сопротивлении r_Д.

U = Е_Я + I_Я r, 1.4_.

где r= r_Я + r_Д.

ПротивоЭДС Е_Я пропорциональна числу оборотов якоря n и магнитному потоку возбуждения Ф, т.е.

Е_Я = С_ЕФn, 1.5

где С_Е —коэффициент пропорциональности.

Двигатель развивает момент М. который пропорционален току якоря и магнитному потоку возбуждения, т.е.

М= С_М I_ЯФ, 1.6

где С_М —коэффициент пропорциональности.

Используя 1.5 и 1.4, можно получить выражение для числа оборотов двигателя:

n = = = = n₀ – n. 1.7

n₀ = скорость идеального холостого хода (при I_Я =0),

 

n = -изменение скорости в зависимости от тока якоря.

Выражение 1.7 представляет собой электромеханическую характеристику ДПТ ПрВ—зависимость числа оборотов двигателя от тока якоря.

Часто используют механическую характеристику ДПТ ПрВ—зависимость числа оборотов от момента М на валу двигателя. Она получается подстановкой в 1.7 тока, выраженного из соотношения 1.6: I_Я= . 1.8

n= . 1.9

При постоянном потоке возбуждения Ф и постоянном напряжении обе характеристики представляют собой семейство отрезков прямых, исходящих из одной точки n₀ с наклоном, зависящим от добавочного сопротивления r_Д в цепи якоря (рис. 1.6).

 

 

Рисунок 1.6 Механические характеристики ДПТ ПрВ.

 

. Одной из характеристик двигателя является жесткость его механической характеристики, определяемая величиной наклона ее к оси М. Жесткость характеризует сохранение частоты вращения при изменении нагрузки. Использование характеристик и способы регулирования скорости ДПТ ПрВ изучаются в курсе электропривода

В результате умножения обеих частей равенства 1.4 на I_Я получается следующее равенство:

U I_Я= r+Е_ЯI_Я 1.10

В выражении 1.9 слева –мощность, получаемая двигателем от сети. Первое слагаемое в правой части—падение напряжения на омических нагрузках внешней цепи и якоря. Эта энергия уходит на нагрев.

Второе слагаемое представляет собой электромагнитную мощность двигателя. Это легко показать, подставив выражения для Е_Я и I_Я из 1.5 и 1.8.

Е_ЯI_Я= С_ЕФn = . Более детальное рассмотрение коэффициентов С_Е и С_М показывает, что С_Е=2 С_М. Исходя из этого,

U I_Я=2 n М = , 1.11

где --круговая частота вращения якоря, а электромагнитная мощность двигателя.

Часто эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками —зависимостью частоты вращения n, тока I, полезного момента М₂, от мощности на валу двигателя Р₂ при Ф =Const и U = Const.

 

1.5 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

Так как обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, по ней протекает полный ток якоря (рис. 1.7).

Из соотношения 1.6, которое действительно и для двигателя последовательного возбуждения (ДПТ ПсВ), следует, что так как магнитный поток Ф=кI_Я, момент двигателя

М=С_МI_Я кI_Я=С_Мк . 1.11

 

 

Рисунок 1.7 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

 

Таким образом, момент ДПТ ПрВ при ненасыщенном состоянии магнитной системы, пропорционален квдрату тока.

Выражение для механической характеристики приобретет вид

n= =. - = - С₃ , 1.12

где С₁, С₂ и С₃—постоянные, полученные в результате действий над постоянными величинами, входящими в исходное выражение. В постоянную С₃ входит и величина r.

Из выражения 1.12 следует, что электромеханическая характеристика ДПТ ПсВ представляет собой гиперболу (рис. 1.12). Механическая характеристика так же представляет собой гиперболу. При больших r_Д характеристики проходят ниже. При изменении нагрузки частота вращения значительно меняется. Характеристика называется мягкой.

При больших нагрузках величина тока возрастает и магнитная система может насытиться. В этом случае магнитный поток почти постоянный и при возрастании нагрузки характеристики почти прямолинейны. При уменьшении нагрузки частота вращения резко увеличивается. Работа двигателя при нагрузках менее 25% от номинальной может привести к опасным для двигателя оборотам (разнос). Поэтому стараются, чтобы нагрузка была жестко связана с валом двигателя.

Используются двигатели смешанного возбуждения, в которых имеется последовательная и параллельная обмотки возбуждения. Двигатели смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между ДПТ ПрВ и ДПТ ПсВ.

 

1.6 Универсальные двигатели

Коллекторный двигатель принципиально может работать как в цепи постоянного, так и переменного тока, так как при переходе от положительного полупериода к отрицательному меняется направление тока как в якоре, так и в обмотке возбуждения. Однако применение параллельных обмоток возбуждения затруднительно в связи с их большой индуктивностью и большим фазовым сдвигом между токами обмотки возбуждения и якоря. Последовательные обмотки имеют малое число витков, а значит, и меньшую индуктивность. В универсальных коллекторных двигателях стремятся получить примерно одинаковую частоту вращения как на постоянном, так и на переменном токе при номинальной нагрузке. Осуществляется это применением последовательной обмотки возбуждения с ответвлениями. На постоянном токе используется вся обмотка, на переменном часть. Действие индуктивного сопротивления части обмотки для переменного тока равносильно действию увеличения активного сопротивления всей обмотки для постоянного тока (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 Универсальный двигатель

 

 

Надо отметить, что характеристики двигателя при работе на постоянном и переменном токах отличаются. Магнитные потери на переменном токе выше, значит, и КПД ниже.

 

1.7 Бесколлекторные двигатели постоянного тока

В бесколлекторных двигателях (БДПТ) щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором. Чтобы исключить механическую коммутацию токов, якорь двигателя выполнен в виде постоянных магнитов, а рабочая обмотка располагается на сердечнике статора. Рис. 1.9 позволяет понять принцип действия БДПТ.

 

Рисунок 1.9 Принцип действия бесколлекторного двигателя

 

На рис.1.9а катушка показана в виде витка, внутри которого размещен постоянный магнит, и последовательные фазы поворота магнита.

В положении 1 на магнит действует максимальный момент, если по по вертикальной катушке течет ток. Магнит повернется на 90⁰ и остановится в положении 2, так как момент в этом положении равен нулю. Магнит по инерции может пройти это положение. Если в момент перехода через положение равновесия ток в катушке переключить на противоположный, то магнит повернется через положение 3 с максимальным моментом в положение 4 и т.д.

Рисунок 1.10 Вращающие моменты, создаваемые обмотками бесколлекторного двигателя

Величина вращающего момента М в зависимости от угла поворота показана на рис 1.10а. Для продолжения вращения должна быть еще одна обмотка, перпендикулярная первой, и ток в нее должен быть подан, как показано на рисунке в положении 2. Ток в первой обмотке в положении 2 должен быть выключен. Положения 3 и 4 показывают дальнейшую работу двигателя.

Токи в перпендикулярных обмотках сдвинуты на 90⁰. Момент, создаваемый второй катушкой, показан на рис. 1.10б. Суммарный момент (рис. 1.10 г) никогда не равен нулю. Из рис.1.9 б видно, что в неподвижных катушках в определенные моменты необходимо коммутировать ток на противоположный. Это можно осуществить с помощью схемы на рис 1.11а. Управлять транзисторами схемы должны датчики, установленные на валу двигателя. В первом положении открыты nранзисторы VT1 и VT4, во втором—VT2 и VT3. Обычно применяют индуктивные датчики, либо датчики Холла. Положение датчика на валу во многих конструкциях регулируется.

Рисунок 1.11 Схема управления обмотками БДПТ.

 

Применяются и другие конструкции БДПТ, например, такие, как показано на рис. 1.11б. В ней обмотки включаются поочередно. Конструкция близка к конструкции синхронного двигателя. В обеих конструкциях имеется существенный недостаток. В первом случае обмотка работает только половину периода, во втором—одну треть, т.е. обмотки используются недостаточно. Имеются двигатели с тремя реверсивными обмотками, что улучшает их использование.

КПД БДПТ выше по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока., что объясняется отсутствием электрических и механических потерь в щеточно-коллекторном узле. У них выше надежность, они могут работать в различных средах, где недопустима работа коллекторных двигателей. Недостатком является высокая стоимость, сложность схемы управления. В настоящее время выпускаются микросхемы-драйверы по управлению БДПТ.

Вопросы для самопроверки

1 Как разделяются коллекторные машины по способу возбуждения?

2 Как понимать термин обратимая машина? Какие машины обратимы?

3 Какую функцию выполняет коллектор?

4 Что понимают под механической характеристикой? Какова механическая характеристика ДПТ НВ?

5 Для чего используется механическая характеристика? Можно ли ее построить экспериментально?

6 Что понимают под скоростью идеального холостого хода? Каким выражением она может быть определена?

7 Как устроены ДПТ? Чем отличаются обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателей параллельного и последовательного возбуждения?

8 Почему при несомненном прогрессе в области полупроводников бесколлекторные двигатели не вытеснили коллектоные?

 

 

2 Трансформаторы

2.1 Принцип действия

Трансформаторы преобразуют одну систему тока (напряжение, ток) в другую. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Рисунок 2.1 Устройство (а) и принципиальная схема трансформатора (б).

 

 

При подключении к первичной обмотке переменного напряжения U₁ в ней возникает ток i₁, который создает переменный магнитный поток Ф, пропорциональный току. В каждой из обмоток поток создает ЭДС, пропорциональную количеству витков w.

 

 

е₁= -w₁ 2.1

 

е₂= -w_{2 .}

 

По нагрузке Z во вторичной цепи потечет ток i₂, на выводах вторичной обмотки возникнет напряжение U₂ < е₂ за счет потерь на рассеяние магнитного потока, за счет потерь в стали, за счет активных потерь на сопротивлении вторичной обмотки. Из 2.1 видно, что ЭДС, наводимые в обмотках, отличаются лишь за счет разного числа витков. Трансформаторы, вторичное напряжение которых выше первичного, называются повышающими, ниже—понижающими. От того, какая из обмоток выбрана первичной, трансформатор будет понижающим, либо повышающим (свойство обратимости).

Трансформаторы классифицируются по разным признакам.

По назначению—силовые, импульсные, специальные.

По числу фаз—однофазные, трехфазные.

По виду охлаждения—с воздушным и масляным охдаждением.

По форме магнитопровода—П-образные, Ш-образные, тороидальные и др.

 

 

2.2 Устройство трансформатора

Трансформатор включает две активные части—магнитопровод и обмотки. В магнитопроводе замыкается основной магнитный поток трансформатора. Он набирается (шихтуется) из тонких пластин электротехнической стали, покрытых с соприкасающихся сторон изолирующей пленкой. Это уменьшает вихревые токи. Пластины плотно стягиваются шпильками или другими способами. В зависимости от расположения катушек на магнитопроводе трансформаторы разделяются на стержневые, броневые, тороидальные и их сочетания. Устройство таких трансформаторв показано на рис.2.2.

 

 

 

Рисунок 2.2 Конструкция трансформаторов и формы пластин сердечников.

 

 

2.3 Основные соотношения трансформатора.

Под действием подаваемого в магнитопровод синусоидального напряжения в нем возникает магнитный поток синусоидальной формы

Ф=Ф_msin t, 2.2

где Ф_m —амплитудное значение потока, а =2 f (f- частота сети ).

Подстановка этого выражения в 2.1 и выполнение дифференцирования даст мгновенное значение напряжений в первичной и вторичной обмотках:

 

 

е₁= -w_{1 =} w₁Ф_m sin( t- ), 2.3

 

 

е₂= -w_{2 .=} w₂ Ф_msin( t- ).

В этих выражениях амлитудное значение Е ₁= w₁Ф_m,, Е ₂= w₂Ф_m , а действующие значения

Е ₁= w₁Ф_m=4,44 w₁Ф_m 2.4

 

Е ₂= w₂Ф_m= 4,44 w₂Ф_m.

Отношение ЭДС обмотки с высоким напряжением к ЭДС обмотки с низким напряжением называется коэффициентом трансформации.

 

ЭДС распределяется на индуктивное сопротивление и на активное сопротивление обмотки., которые относительно невелики, и на внешнее н