Основы электромеханики. Машины постоянного тока
Электромеханика в деталях: обзор основ и машин постоянного тока
Данное учебное пособие, разработанное преподавателями МГТУ им. Н.Э. Баумана, представляет собой введение в теорию электромеханики и детальный разбор машин постоянного тока (МПТ). Книга предназначена для студентов, изучающих электротехнику, и может служить подспорьем при подготовке к экзаменам.
Фундаментальные принципы электромеханического преобразования
В основе электромеханики лежит процесс преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Этот процесс базируется на законах электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. Ключевым элементом является электрическая машина (ЭМ), в которой происходит взаимосвязь электрических, магнитных и механических явлений. В пособии рассматриваются индуктивные ЭМ, где преобразование энергии осуществляется посредством магнитного поля.
Основными законами, определяющими эти процессы, являются закон электромагнитной индукции, описывающий возникновение ЭДС в проводнике при изменении магнитного потока, и закон электромагнитной силы (Ампера), определяющий воздействие магнитного поля на проводник с током. Рассмотрены понятия ЭДС трансформации и ЭДС движения, а также правила определения направления ЭДС и силы.
Устройство и классификация электрических машин
Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (подвижной части), разделенных воздушным зазором. Внутри машины находятся обмотки возбуждения и якоря, создающие магнитное поле и обеспечивающие преобразование энергии.
ЭМ классифицируются по принципу действия, типу тока (постоянный или переменный), способу возбуждения и другим параметрам. Рассматриваются различные типы ЭМ, включая генераторы и двигатели, а также микромашины, применяемые в автоматике и других областях.
Машины постоянного тока: устройство и особенности
Машина постоянного тока (МПТ) – это машина с механическим коллектором, преобразующим переменный ток в постоянный. Основные компоненты МПТ включают статор с полюсами, ротор (якорь) с обмоткой и коллектором, а также щетки.
В генераторном режиме вращение якоря в магнитном поле приводит к наведению ЭДС и возникновению тока во внешней цепи. Коллектор выполняет функцию механического выпрямителя. В двигательном режиме подача напряжения на щетки вызывает протекание тока в обмотке якоря, что приводит к возникновению электромагнитной силы и вращению ротора.
Устройство и функциональные особенности коллекторных МПТ
Детально рассматривается конструкция МПТ, включая статор, якорь, коллектор и щетки. Описываются различные типы статоров, способы крепления полюсов, а также конструкция якоря с обмоткой. Особое внимание уделяется коллектору, его устройству и роли в коммутации тока.
Реакция якоря и коммутация
Рассматривается влияние тока якоря на магнитное поле машины, известное как реакция якоря, и ее влияние на работу машины. Обсуждается процесс коммутации, то есть изменение направления тока в проводниках обмотки якоря при переходе от одного полюса к другому. Рассматриваются способы улучшения коммутации, направленные на уменьшение искрения щеток.
Способы возбуждения и характеристики ДПТ
Описываются различные способы возбуждения МПТ: независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение. Рассматриваются уравнения ДПТ, определяющие взаимосвязь между напряжением, током, ЭДС и скоростью вращения. Анализируются скоростные, механические и рабочие характеристики ДПТ, а также их зависимость от способа возбуждения.
Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование и торможение
Рассматриваются особенности пуска ДПТ, включая необходимость ограничения пускового тока. Обсуждаются способы регулирования скорости ДПТ, такие как якорное управление, полюсное управление и регулирование сопротивлением в цепи якоря. Рассматриваются различные режимы торможения ДПТ, включая генераторное, динамическое и противовключение.
Двигатели последовательного возбуждения и универсальные двигатели
Рассматриваются особенности ДПТ последовательного возбуждения, их характеристики и области применения. Обсуждаются универсальные коллекторные двигатели, способные работать как от постоянного, так и от переменного тока, и их особенности.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Ю.Г. Шерстняков, Б.В. Стрелков, Н.А. Роднов ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012
УДК 621.313(075.8) ББК 31.25 Ш50 Рецензенты: О.Д. Гольдбер, В.Г. Чернышев Шерстняков Ю. Г. Ш50 Основы электромеханики. Машины постоянного тока : учеб. пособие / Ю.Г. Шерстняков, Б.В. Стрелков, Н.А. Роднов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 46, [2] с. : ил. Изложены основы теории электромеханики – процессов взаимного преобразования электрической и механической энергий. Показана связь между электрическими, магнитными и механическими величинами на основе законов электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. Рассмотрены физические процессы в машинах постоянного тока, их устройство и функциональные особенности, а также характеристики двигателей постоянного тока. Для студентов факультетов ИУ , РЛ и БМТ, изучающих электрические машины и механизмы в курсе «Электротехника». Может быть полезно при подготовке к экзамену по соответствующему разделу курса. УДК 621.313(075.8) ББК 31.25 c ⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012
ВВЕДЕНИЕ Наша жизнь неразрывно связана с электричеством как с самой удобной и универсальной формой энергии. Без электрической энергии нельзя представить современное производство, быт и в целом жизнь цивилизованного общества. Широкое применение электрической энергии обусловлено возможностями ее производства, передачи на большие расстояния, распределения, управляемости, а также возможностью ее преобразования в другие виды энергии с высоким КПД. Б´ ольшая часть электрической энергии преобразуется в механическую энергию. Эту функцию выполняют электромеханические преобразователи (электрические машины). Электромеханическое преобразование энергии — одно из удивительнейших явлений окружающего нас мира. Несмотря на большое разнообразие электромеханических преобразователей по назначению и конструктивному исполнению, их объединяет единый механизм преобразования электрической энергии в механическую энергию и наоборот. Эти преобразования осуществляются на основе фундаментальных физических законов и описываются сходными уравнениями.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Электромеханика изучает взаимодействие электрических и механических систем с целью преобразования энергии, управления объектами и получения информации. Основой электромеханических процессов является движение проводниковых и ферромагнитных элементов в магнитном и электрическом полях. Электромеханическое преобразование энергии есть взаимосвязь электрических, магнитных и механических явлений. Устройства, осуществляющие преобразования энергии, называются электрическими машинами (ЭМ). Если преобразование энергии в ЭМ происходит посредством магнитного поля, они называются индуктивными, а если посредством электрического поля — емкостными. Емкостные машины пока не нашли широкого применения из-за низких энергетических характеристик, поэтому в пособии они не рассматриваются. Основными физическими законами, устанавливающими связи между электрическими, магнитными и механическими величинами, являются законы электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. 1.1. Основные физические законы электромеханического преобразования энергии Закон электромагнитной индукции определяет процесс наведения ЭДС в контурах или проводниках, находящихся в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции было впервые открыто М. Фарадеем в 1831 г. опытным путем. Сущность этого явления заключается в том, что в проводящем теле, пересекающем магнитные силовые линии при движении в магнитном поле, наводится 4
ЭДС. Причина наведения ЭДС кроется в изменении потокосцепления контура при движении контура (или проводника) в магнитном поле или в результате изменения связанного с контуром потока. Наведенная ЭДС количественно равна скорости изменения потокосцепления (формулировка Максвелла): e = −dψ dt — формула, отражающая закон электромагнитной индукции в обобщенном виде. Знак минус в этом выражении обусловлен инерционным характером электромагнитной индукции: ток, возникающий в контуре под действием наведенной ЭДС, всегда направлен таким образом, что созданный им поток препятствует изменению магнитного потока, пронизывающего контур (правило Ленца). ЭДС может возникнуть как в неподвижном контуре при изменении потокосцепления с ним, так и при движении контура в магнитном поле. В общем случае могут иметь место оба вида изменения потокосцепления: dψ = ∂ψ ∂t dt + ∂ψ ∂x dx, а наведенная ЭДС e = −∂ψ ∂t + ∂ψ ∂x dx dt = −∂ψ ∂t + v∂ψ ∂x = et + ev, где v = dx/dt — относительная скорость движения контура в магнитном поле. Слагаемое et = −∂ψ/∂t представляет собой ЭДС трансформации, а слагаемое ev = −v(∂ψ/∂x) — ЭДС движения. Понятия «ЭДС трансформации» и «ЭДС движения» являются условными и зависят от выбора системы координат. Часто бывает удобно определять ЭДС движения контура через ЭДС движения прямолинейных проводников (в формулировке Фарадея), составляющих этот контур. Если прямолинейный проводник длиной l движется в однородном магнитном поле c индукцией B со скоростью v (рис. 1.1, а), то ev = [vB]l, где l — вектор, учитывающий длину и ориентацию проводника. Когда векторы v, B, l взаимно ортогональны (это случай, обычно реализуемый на практике), ev = Вlv. Если абсолютные величины индукции B, длины l 5
Похожие