Практическое занятие №01
Тема: Расчёт и составление схемы обмотки якоря машины постоянного тока.
Цель: Овладеть навыками расчета и построения развернутых схем обмоток якоря машины постоянного тока.
Теоретические основы.
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрические постоянные тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель).
Электрическая машина постоянного тока обратима. Для работы машины постоянного тока необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая служит для создания в машине постоянного тока магнитного поля, т. е. для возбуждения, а посредством второй происходит преобразование энергии. Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного тока, в которых имеется лишь одна (якорная) обмотка, так как магнитное поле (возбуждение) в этих машинах создается постоянными магнитами.
Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.
Элементом обмотки якоря является секция, которая содержит один или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пластинам. Секция состоит из активных сторон, заложенных в пазы сердечника якоря, и лобовых частей, соединяющих эти стороны. При вращении якоря в каждой из активных сторон индуктируется э. д. с. В лобовых же частях секции э. д. с. не индуктируется.
Расположение активных сторон на сердечнике якоря
Чтобы э. д. с., индуктируемые в активных сторонах секций, складывались, т. е. действовали согласно, секцию следует расположить в пазах сердечника якоря так, чтобы ширина секции была равна или незначительно отличалась от полюсного деления.
Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя. При этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то ее другая сторона находится в верхней части другого паза. Верхняя сторона одной секции и нижняя сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют элементарный паз. В реальный паз может быть и более двух активных сторон, например, четыре, шесть, восемь и т. д. В этом случае реальный паз состоит из нескольких элементарных пазов.
Так как секция имеет две активные стороны, то каждой секции соответствует один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяется начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина.
Для более удобного и наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости и все соединения проводников изображают прямыми линиями на плоскости чертежа. Выполненная в таком виде схема обмотки называется развернутой.
В зависимости от формы секций и от способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток: простая петлевая, сложная петлевая, простая волновая, сложная волновал и комбинированная.
Простая петлевая обмотка
В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. На рисунке 1 изображена одновитковая секция петлевой обмотки. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции соединяют с концом предыдущей секции, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. с. обмотка замыкается.
Рисунок 1 – Одновитковая секция простой петлевой обмотки
Шаги обмотки — расстояние между активными сторонами секций по якорю. Кратчайшее расстояние между активными сторонами одной секции на поверхности якоря называют первым частичным шагом обмотки по якорю и обозначают через y1. Это расстояние измеряется в элементарных пазах и, как было указано ранее, должно быть равным пли незначительно отличаться от полюсного деления.
Расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и активной стороной верхнего слоя второй секции называют вторым частичным шагом обмотки по якорю, обозначают через y2 и измеряют в элементарных пазах.
Знание шагов обмотки y1 и y2 дает возможность определить результирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой расстояние между расположенными в одном слое активными сторонами двух следующих друг за другом секций.
На рисунке 2 показаны шаги петлевой обмотки.
Рисунок 2 - Шаги петлевой обмотки:
а) – правоходовая обмотка: б) левоходовая обмотка
Прежде чем приступить к выполнению схемы, необходимо отметить следующее:
1. Все пазы сердечника якоря н секции обмотки нумеруются. При этом номер секции определяется номером паза, в верхней части которого находится одна из ее активных сторон.
2. Активные стороны верхнего слоя изображают на схеме сплошными линиями, а стороны нижнего слоя — пунктирными так, что одна половина секции, относящаяся к верхнему слою, показывается на схеме сплошной линией, а другая, относящаяся к нижнему слою, — пунктирной.
Простая волновая обмотка.
Простой волновой обмоткой называется обмотка, в которой последовательно соединяются секции (рисунок 3), находящиеся под разными парами полюсов. При этом расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединяются концы секции, примерно равно двойному полюсному делению
т.е. за один обход по якорю укладывается столько секций, сколько пар полюсов имеет машина. При этом конец последней по обходу секции присоединяют к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной слева или справа. В зависимости от этого обмотку называют левоходовой или правоходовой. Обычно применяют левоходовую обмотку.
Рисунок 3 - Простая волновая обмотка
Входной контроль.
1. Дайте определение машине постоянного тока.
2. Каким свойством обладает машина постоянного тока?
3. Что из себя представляет обмотка якоря машины постоянного тока?
Ход работы.
Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простой петлевой обмотки якоря.
Чертеж выполняется на миллиметровой бумаге.
Данные для расчетов (по вариантам) взять из таблицы 1.
Таблица 1 – Данные для расчетов
| Вариант | Число пар полюсов Р | Число секций S |
| 1. | ||
| 2. | ||
| 3. | ||
| 4. | ||
| 5. | ||
| 6. | ||
| 7. | ||
| 8. | ||
| 9. | ||
| 10. | ||
| 11. | ||
| 12. | ||
| 13. | ||
| 14. | ||
| 15. | ||
| 16. | ||
| 17. | ||
| 18. | ||
| 19. | ||
| 20. |
Выходной контроль.
1. Какое назначение обмотки якоря машины постоянного тока?
2. Назовите отличия правоходовой и левоходовой обмоток якоря.
3. Запишите формулы для расчета первого и второго частичного шагов по якорю.
Практическое занятие №2
Тема: Определение МДС реакции якоря.
Цель: Научиться определять МДС обмотки якоря.
Теоретические основы.
Магнитодвижущая сила (МДС) — физическая величина, характеризующая способность электрических токов создавать магнитные потоки. Используется при расчётах магнитных цепей; является аналогом ЭДС в электрических цепях.
Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства СМ, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке якоря, а, следовательно, изменением и ряда других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу СМ зависит от значения и характера нагрузки.
Активная нагрузка. В рассматриваемый момент времени ротор (вращается против движения часовой стрелки) занимает вертикальное положение, что соответствует максимуму ЭДС Е0 в фазной обмотке. Ток совпадает по фазе с ЭДС, следовательно, будет максимум тока. МДС якоря F1 направлена перпендикулярно МДС возбуждения Fво. Такое воздействие вызывает ослабление магнитного поля под набегающим краем полюса и усиление под сбегающим краем полюса. В итоге магнитная система размагничивается. Это приводит к уменьшению ЭДС машины Е1. Магнитное поле искажается.
Индуктивная нагрузка. Ток якоря I1 отстает по фазе от ЭДС Е0 на 900. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота вперед на 900 относительно его положения, соответствующего максимуму ЭДС Е0. При этом МДС якоря F1 действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС возбуждения Fво. В этом случае реакция якоря в СГ оказывает продольно-размагничивающее действие. Магнитное поле не искажается.
Емкостная нагрузка. Ток якоря I1 опережает по фазе ЭДС Е0 на 900 и своего максимума достигнет раньше, чем ЭДС. МДС якоря F1 действует вдоль оси полюсов ротора согласно с МДС возбуждения Fво. При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. В этом случае реакция якоря в СГ оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле не искажается.
Смешанная нагрузка. При смешанной нагрузке ток якоря сдвинут по фазе относительно ЭДС Е0 на угол ψ1 (0< ψ1 < ± 900).
При активно-индуктивной нагрузке вектор F 1 отстает от вектора Е 0 на угол 0< ψ1 < 900. Разложим вектор F 1 на две составляющие:
- продольную составляющую МДС якоря F1d = F1 sin(ψ1);
- поперечную составляющую МДС якоря F1q = F1 соs(ψ1).
Аналогичное разложение проведено в случае активно-емкостной нагрузки.
Поперечная составляющая МДС якоряF1q, представляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропорциональна активной составляющей тока нагрузки Iq = I1 соs(ψ1).
Продольная составляющая МДС якоряF1d, представляющая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки Id = I1 sin(ψ1).
При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отстает по фазе от ЭДС Е0 (R – L нагрузка), то МДС F1d размагничивает СГ, если же реактивная составляющая Id опережает по фазе ЭДС Е0 (R – С нагрузка), то МДС F1d подмагничивает СГ.
Направление вектора F 1d относительно вектора F во определяется характером реакции якоря, который при токе I1, отстающем по фазе от ЭДС Е0, является размагничивающим, а при токе I1, опережающем по фазе ЭДС Е0 – подмагничивающим.
МДС реакции якоря по продольной F1d и поперечной F1q осям создают в магнитопроводе СМ магнитные потоки реакции якоря. Основные гармоники этих потоков:
- по продольной оси 
- по поперечной оси 
Rмd и Rмq – магнитные сопротивления СМ потокам основной гармоники по продольной и поперечным осям.
В неявнополюсной СМ воздушный зазор по периметру расточки якоря одинаковый поэтому Rмd = Rмq = Rм. Магнитные потоки реакции якоря, сцепляясь с обмоткой статора, наводят в этой обмотке ЭДС реакции якоря:
- по продольной оси 
- по поперечной оси 
Ха – индуктивное сопротивление реакции якоря, представляющее собой главное индуктивное сопротивление обмотки якоря.
В явнополюсных СМ магнитные сопротивления машины потокам основной гармоники по продольной и поперечной осям не одинаковы Rмq > Rмd.
kd и kq коэффициенты формы поля. Определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля якоря по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью зазора в машинах с явнополюсным ротором.
Входной контроль.
1. Дайте определение магнитодвижущей силы.
2. Что оказывает влияние на рабочие свойства двигателя?
3. На сколько градусов ток I1 отстает по фазе от ЭДС Е1?
Ход работы.
Определить магнитодвижущую силу реакции якоря синхронной машины по продольным и поперечным осям. Данные для расчета по вариантам приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Данные для расчета
| Вариант | RM,Ом | kd | kq | Fl | Ψl |
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 | |||||
| kd*1,2 |
Выходной контроль.
1. Из чего состоит поперечная МДС якоря?
2. Чем определяется направление вектора F 1d относительно вектора F во?
3. Что определяют kd и kq коэффициенты формы поля?
Практическое занятие №3
Тема: Определение ЭДС якоря для номинального режима работы.
Цель: Научитьсяопределять ЭДС якоря для номинального режима работы.
Теоретические основы
Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Номинальный режим (продолжительный режим) — такой режим работы машин и оборудования, при котором они могут наиболее эффективно работать на протяжении неограниченного времени (более нескольких часов). Для оборудования, связанного с рассеиванием энергии (резисторы), либо с её преобразованием (двигатели, генераторы), номинальный режим определяется возможностью работы оборудования без превышения предельно допустимых температур.
При вращении якоря машины постоянного тока в его обмотке индуцируется ЭДС. ЭДС якоря зависит от величины магнитного потока возбуждения и частоты вращения якоря. ЭДС в одном проводнике обмотки якоря определяется индукцией магнитного поля и скоростью движения проводника в магнитном поле.
Номинальный ток потребителя определяется по формуле:
| (3.1) |
ЭДС генератора определяется по формуле:
| (3.2) |
Электромагнитный момент двигателя определяется по формуле:
| (3.3) |
Входной контроль
1. Дать определение ЭДС
2. Что понимают под номинальным режимом?
3. При каком условии индуцируется ЭДС в обмотке якоря?
Ход работы
Генератор постоянного тока независимого возбуждения имеет следующие номинальные параметры: Pном,кВт; Uном,В; Rном, об/мин; рабочее сопротивление якоря Rя,Ом. Определить номинальные токи потребителя и цепи возбуждения, если Iв ном = 5%*Iя ном. Чему равны ЭДС в номинальном режиме работы и электромагнитный момент генератора?
Значение переменны выбрать из таблицы 2 согласно своему варианту.
Таблица 2 – Параметры генератора постоянного тока
| Вариант | Pном, кВт | Uном, В | Rном, об/мин | Rя, Ом |
| 0,05 | ||||
| 0,08 | ||||
| 0,04 | ||||
| 0,07 | ||||
| 0,05 | ||||
| 0,06 | ||||
| 0,04 | ||||
| 0,02 | ||||
| 0,07 | ||||
| 0,06 | ||||
| 0,04 | ||||
| 0,06 | ||||
| 0,07 | ||||
| 0,09 | ||||
| 0,05 | ||||
| 0,03 | ||||
| 0,02 | ||||
| 0,09 | ||||
| 0,08 | ||||
| 0,04 |
Выходной контроль.
1. Зависит ли индукция ЭДС в каждом отдельном проводнике от режима работы?
2. По каким параметрам определяется ЭДС?
Практическое занятие № 4
Тема: Определение потерь и КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
Цель: Научиться определять потери КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
Теоретические основы.
Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) — электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.
Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.
Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.
Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) В данном двигателе обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику питания. Характерная особенность ДПТ НВ — его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя так как питание обмотки возбуждения независимое.
В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющей являются потери встали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.
Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями, встали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.
Магнитная индукция определяет ЭДС машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его вращения постоянны.
Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, - Робм.
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными - меняются при изменениях нагрузки.
Третья составляющая - механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери также постоянны, не зависят от нагрузки.
КПД машины в процентах определяется по следующей формуле:
| (4.1) |
где, Р2 - полезная мощность;
Р1 - потребляемая машиной мощность.
Потребляемая мощность определяется по формуле:
| (4.2) |
Полезная мощность определяется по формуле:
| (4.3) |
где, 
– электрические потери мощности;
– магнитные потери мощности.
Входной контроль.
1. Дать определение двигателя постоянного тока.
2. В чем основная особенность двигателя постоянного тока независимого возбуждения?
3. Из каких, составляющих складывается потеря энергии при работе машин постоянного тока?
Ход работы.
Произвести расчет параметров двигателя постоянного тока независимого возбуждения и определить КПД.
Данные для расчета взять из таблицы 4 по вариантам.
Таблица 4
| Вариант | U, В | I, А | 
| 
|
Выходной контроль.
1. По какой формуле определяется КПД машины?
2. Что относят к первой составляющей потерь?
3. Что относят к второй составляющей потерь?
4. Что относят к третьей составляющей потерь?