Чертежи стирлинг машины

Министерство образования РФ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Автоматики и электромеханики

Кафедра Электрические машины и аппараты

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Реферат по дисциплине «Электрические машины»

Исполнитель

студент группы 7А91 _____________________Вакер В.С.

(подпись, дата)

Руководитель

доцент, к.т.н. _____________________Игнатович В.М..

(подпись)

_____________________

(дата)

Томск-2002

Введение.

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов ( с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

Основные элементы конструкции МПТ

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1). По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая — располагается [image]

[image]

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока:

1 — обмотка возбуждения; 2 — полюсы; 3 — ярмо; 4 — полюсный наконечник; 5 — якорь; 6 — проводники якорной обмотки; 7 — зубец якорного сердечника; 8 — воздушный зазор машины

Рис. 2. Полюс машины постоянного тока:

2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения 5 — болт для крепления полюса; 6 — ярмо

вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

[image] На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла ?. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4). В теории электрических машин, кроме угла ?_г, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла ?_э, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол ?_э=360 эл. град или 2? эл. рад. Поэтому

?_э=??_г (1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем ?_э=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника

Рис. 3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени:

а — пространственное распределение индукции под полюсом; б — изменение э.д.с.. проводника во времени; в — выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках

e=B_?l?, (2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;

v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

[image]

Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:

а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e?B_?_. (3)

Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре В_?, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е.

(4)

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w, выраженное через механическую скорость вращения

имеем

(5)

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая — отрицательной.

[image]

Рис. 5. Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:

1— медные пластины; 2 — виток обмотки якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 5), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3, в).

[image]

Рис. 6. Устройство коллектора:

1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 — «петушок» — часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

[image]

Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока:

а — при двух витках на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.

Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (6) и (7) при U = const и i_B = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

(6)

(7)

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_a поток Ф_? несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряжения R_aI_a вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8; 1 — при преобладании влияния R_aI_a; 2 — при взаимной компенсации влияния R_aI_a и уменьшения; 3 — при преобладании влияния уменьшения Ф_?.

Ввиду того что изменение Ф_? относительно мало, механические характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (7), при U= const и i_B== const совпадают по виду с характеристиками n= f(I_a) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_? под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения. [image]

Изменение скорости вращения ?_n (рис. 8) при переходе от холостого хода (I_a =I_a₀) к номинальной нагрузке (I_a=I_a_н) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% от n_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_p _в (см. рис. 11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_pa= 0) и U = const характеристики n =f(I_a) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных значений R_р.в. ,I_B или Ф_? имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(I_a) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_a, который равен

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой М_ст=f(п) для рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

Точка холостого хода двигателя (М = М₀, I_a = I_a₀) лежит несколько правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь М₀ и I₀₀ также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то Е_а=c_eФ_?т будет увеличиваться, а I_а и М будут, согласно равенствам

уменьшаться. При I_а = 0 и М. =0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

[image]

Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_pa (рис. 10, а), то вместо выражений (6) -и (7) получим

(8)

(9)

Сопротивление R_pa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

[image]

Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M) и n=f(I_a) для различных значений R_pa = const при U = const и i_B = const изображены на рис. 10, б (R_pa₁ < R_pa₂< R_pa₃)- Верхняя характеристика (R_pa = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0, э.д.с. Е_а имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего

а момент двигателя М действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (I_a = I_a₀) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим I_a=0, а затем I_a изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси ординат).

Как видно из рис. 10, б, при включении R_pa характеристики становятся менее жесткими, а при больших величинах R_pa — круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления M_ст=f(n) имеет вид, изображенный на рис. 10, б штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения R_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше R_pa, тем меньше n и ниже к. п. д.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности Р₁ потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п. д. ?] от полезной мощности Р₂, при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис. 11.

[image] Одновременно с увеличением мощности на валу Р₂ растет и момент на валу М. Поскольку с увеличением Р₂ и М скорость n несколько уменьшается, то М = Р₂/п растет несколько быстрее Р₂. Увеличение Р₂ и М, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность Р₁. При холостом ходе (Р₂ = 0) к. п. д. ?= 0, затем с увеличением Р₂ сначала ?| быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря ? снова начинает уменьшаться.

Рис. 11. Рабочие характеристики

двигателя параллельного возбуждения

Р_Н = 10 квт, U_Н = 220 в, п_Н = 950 об/мин

Заключение.

При написание реферата я узнал, что достоинство двигателя постоянного тока параллельного возбуждения заключается:

большой диапазон скоростей;

удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения;

Недостаток:

сложность конструкции;

наличии скользящего контакта в коллекторе;

необходим источник постоянного тока;

Я так же узнал, что чаще всего неисправность в машинах постоянного тока связана с коллектором.

Литература

Кулик Ю.А. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971

Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1974

Содержание.

Введение 2
Основные элементы конструкции МПТ 3
Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения 8
Заключение 12
Литература 13
Содержание 14

Чертежи стирлинг машины

Похожие курсовые работы