Macchine elettriche a corrente continua: scopo, design, dispositivo e principio di funzionamento

macchinario corrente continua (MPT) è un termine generale che combina generatori (GPT) e motori (DPT). Di norma, quando si parla di MAT, si intendono macchine bipolari, che alternano poli di eccitazione magnetica "settentrionale" e "meridionale" e un quadro elettrico o meccanico della corrente dell'armatura rotante che si avvolge con un solo polo ad anello (a differenza delle macchine unipolari). Adereremo anche a questo principio.

Classificazione di MAT

Nell'ingegneria elettrica e nella teoria delle macchine elettriche, è consuetudine suddividere l'MPT in dispositivi con pali di eccitazione espliciti e implicitamente espressi, con un letto cilindrico o sfaccettato, con eccitazione tramite corrente continua o magneti permanenti, con collettore meccanico collettore ancorato o senza contatto. L'appuntamento delle macchine DC li divide in generali industriali e specializzati. Tra questi ultimi si può chiamare, ad esempio, la trazione DPT utilizzata nel trasporto ferroviario. Esistono anche DPT metallurgici, in particolare motori per laminatoi, ecc.

Come è noto, gli avvolgimenti in corrente continua sono suddivisi in avvolgimenti di campo (OM) e armatura (OH). I primi servono per eccitare il campo magnetico del dispositivo, e il secondo - per prendere il potere dalla rete di alimentazione in modalità motore o per alimentare il carico elettrico in modalità generatore. Ci sono anche avvolgimenti di pali aggiuntivi, usati per facilitare il processo di commutazione.

Le macchine elettriche a corrente continua, indipendentemente dal fatto che siano generatori o motori, possono essere classificate sulla base degli schemi di collegamento degli avvolgimenti di eccitazione e di armatura. Possono costituire un circuito elettrico singolo o non possono avere alcun collegamento elettrico (eccitazione indipendente). Questo principio di classificazione divide MAT in due tipi principali. Capirai la loro ulteriore classificazione dallo schema sottostante.

Dispositivo macchina DC

GPT può essere utilizzato come DPT senza modifiche di progettazione. Certo, l'industria produce macchine progettate per funzionare come motori e macchine che sono generatori. Tuttavia, le differenze tra loro consistono nella costruzione di singole parti, e nella fase di familiarizzazione generale possono essere ignorate. Di conseguenza, considereremo ulteriormente il dispositivo di una macchina DC in generale, senza riferimento alla modalità del suo funzionamento.

La figura seguente mostra una sezione trasversale di un MPT semplice con due coppie di poli distinti. Il suo design contiene due parti principali: lo statore e l'ancora. Considera in che parti sono costituiti.

Lo statore contiene una cornice, così come i poli principali e aggiuntivi tra di loro (non mostrati nella figura).

Il letto è una copertura costruttiva esterna di MPT. Può essere stampato in ghisa (su macchine di vecchie strutture) o saldato da lamiere d'acciaio spesse. Il letto sostiene meccanicamente l'intero assemblaggio di MPT. Inoltre, funge da conduttore magnetico per il flusso magnetico prodotto dai poli principali.

Questi ultimi sono attaccati al telaio con viti o saldature. Il loro scopo principale è quello di trasportare le bobine della ferita di avvolgimento di eccitazione su di esse e collegate in serie l'una con l'altra in modo tale che la polarità magnetica dei poli si alterni, cioè dopo che il polo "nord" seguirà il "sud", ecc.

Le punte polari (scarpe), che sono un'estensione dei poli principali, hanno due scopi: evitare che le bobine scivolino e distribuire uniformemente il campo di eccitazione su gran parte della circonferenza del traferro.

L'ancoraggio della macchina DC è costituito da un nucleo con un avvolgimento, un manicotto e un albero. Il nucleo è una struttura in acciaio di forma cilindrica, fatta di sottili fogli di acciaio elettrico, rivestiti su entrambi i lati con vernice isolante. Questo è fatto per prevenire la comparsa di correnti parassite, cercando di chiudere nello spessore del nucleo. Nelle sue scanalature giacciono le sezioni dell'anello o dell'avvolgimento ondoso dell'armatura, il collettore della macchina DC e le spazzole. L'avvolgimento dell'indotto deve essere collegato a un alimentatore CC esterno. Ma non è possibile collegare direttamente i pin di avvolgimento all'ingresso di rete, perché ruota. Pertanto, tra la rete e l'avvolgimento di indotto, è installato un interruttore-collettore, che è un insieme di piastre di rame isolate l'una dall'altra, formando una superficie cilindrica esterna separata da percorsi di isolamento. I pennelli a contatto fissi scivolano su di esso quando l'ancora con il collettore ruota. Pertanto, le spazzole fisse sono fisicamente in contatto con l'avvolgimento dell'armatura rotante e, con il loro aiuto, è già possibile connettersi alla rete esterna della macchina DC.

Sviluppo di strutture MTF

Il primo MPT del design industriale è apparso negli anni '70. 19 ° secolo All'inizio avevano un'ancora ad anello con un avvolgimento toroidale (Gram). Dopo l'invenzione dell'ancoretta del tamburo, hanno acquisito un aspetto finito, approssimativamente corrispondente alla figura sopra. Tuttavia, il design delle macchine DC nella seconda metà del 20 ° secolo. ha subito cambiamenti piuttosto drammatici. Prima di tutto, hanno toccato lo statore. Invece dei poli principali chiaramente espressi, iniziarono a usare una costruzione implicita del palo. In esso, la bobina di eccitazione concentrata di ciascun polo principale è stata sostituita da bobine leggermente più piccole situate nelle fessure dello statore laminato, che ha una forma rettangolare o sfaccettata, come nella figura sottostante. Nelle stesse scanalature dello statore è posto e l'avvolgimento di compensazione, che sarà discusso più avanti. Di conseguenza, la progettazione di macchine DC è diventata molto più semplice.

In connessione con lo sviluppo di un azionamento elettrico asincrono controllato, alcuni esperti esprimono un parere sull'imminente spostamento motori asincroni DPT dalle loro applicazioni tradizionali, come la trazione o i meccanismi metallurgici. Tuttavia, è troppo presto per parlare di questo come un fatto compiuto.

Il principio generale della formazione dell'avvolgimento dell'armatura

Uno qualsiasi degli avvolgimenti dell'indotto è un circuito elettrico continuo chiuso in sé stesso, costituito da sezioni collegate in serie (bobine). Nel caso più semplice, una sezione può rappresentare solo una svolta con due conduttori a fessura o può essere multi-giro. I lati della fessura della sezione sono sempre separati da una distanza leggermente inferiore alla divisione dei poli - la parte della circonferenza dell'armatura che cade su un palo principale. Pertanto, in ciascuna delle sezioni sono sempre sotto i poli principali di polarità opposta. In un unico circuito chiuso le sezioni sono collegate alle piastre del collettore. Il modo in cui questa connessione determina il tipo di avvolgimento. La figura seguente spiega il principio di formazione dell'avvolgimento dell'armatura di una macchina DC da sei sezioni multigiro collegate su piastre di raccolta.

Nella posizione mostrata in figura, i pennelli suddividono l'avvolgimento di armatura in due rami paralleli: quello superiore, che consiste nelle sezioni L _1, L ₂ , L ₃ e quella inferiore, costituito dalle sezioni L _{4 ,} L ₅ , L ₆ . Il numero di tali rami dipende dal tipo di avvolgimento dell'armatura, ma è sempre uniforme e non può essere inferiore a due.

Avvolgimento di armatura ad anello e ad onda

Questi sono i due tipi principali di avvolgimenti, ognuno dei quali ha diverse varietà. Considereremo le loro opzioni più semplici. La figura a sinistra in basso mostra la forma delle sezioni che costituiscono il semplice avvolgimento del circuito dell'armatura delle macchine DC. Come puoi vedere, la stessa forma delle sezioni è caratteristica dell'avvolgimento delle onde.

Nella prima versione, una uscita (iniziale, iniziale) di ciascuna sezione a doppia rotazione è collegata alla piastra di raccolta i-esima e la seconda uscita (finale, finale) è collegata alla piastra di raccolta adiacente (i + 1) -th con l'uscita iniziale della sezione successiva (vedere figura sopra). Pertanto, le conclusioni di ciascuna sezione sono collegate a due piastre adiacenti e la sezione stessa, composta da due scanalature e due parti frontali, ha la forma di un anello (da cui il nome dell'avvolgimento).

La sezione dell'avvolgimento ad onda ha delle conclusioni collegate non alle adiacenti piastre di raccolta, ma a quelle separate da un certo passo, chiamato il passo dell'avvolgimento lungo il collettore in corrispondenza. Per un avvolgimento semplice del circuito, yk = 1, e per un avvolgimento a onda semplice, yk = (K ± 1) / p, dove K è il numero di piastre del collettore, p è il numero di coppie di poli principali. Come si può vedere dalla figura, come risultato di questo metodo di unione, le sezioni acquisiscono una forma simile alla semionda di un'onda sinusoidale, che ha causato il nome dell'avvolgimento.

Il principio di funzionamento nella modalità generatore

Secondo l'interpretazione originale del fenomeno induzione elettromagnetica in un conduttore mobile, dato da Faraday, quando attraversa le linee del campo magnetico mentre si muove, viene indotto un EMF. Seguendo questo principio, è possibile spiegare il motivo della guida EMF nei conduttori attivi (quelli che sono disposti nelle scanalature) dell'MPT dell'avvolgimento dell'armatura. Infatti, si muovono sotto i poli principali, attraversando le linee del campo. Poiché questi ultimi sono continui, ogni conduttore dell'armatura, indipendentemente dal fatto che si trovi sulla sua superficie (come era nelle prime costruzioni MPT) o nelle fessure, passando sotto il polo, attraverserà tutte le linee di campo che emanano dalla sua punta. La direzione di azione indotta nel conduttore EMF può essere determinata applicando la regola della mano destra, che illustra la figura sottostante.

I conduttori a fessura dell'armatura a coppie sono inclusi nelle spire delle bobine dell'avvolgimento. La somma dei campi elettromagnetici delle bobine dà l'EMF della bobina. Le spazzole fisse dividono l'intero avvolgimento dell'armatura in diversi (almeno due) rami paralleli. La somma dell'EMF di tutte le bobine incluse nel ramo parallelo, fornisce all'EMF l'intero avvolgimento dell'MPT dell'armatura. Così, il principio di funzionamento delle macchine a corrente continua quando si lavora con un generatore può essere formulato come segue: l'indotto di una macchina eccitata viene fatto ruotare da un motore di azionamento, una tensione elettromotrice viene indotta nel suo avvolgimento, che provoca il flusso di una corrente continua dell'armatura in un circuito chiuso comprendente un avvolgimento, un collettore, spazzole e una rete esterna con un carico.

In presenza di una corrente di armatura, un momento elettromagnetico di frenata inizia ad agire su di esso. Crea un carico per il motore di azionamento. Maggiore è la potenza elettrica del carico del generatore, più l'armatura viene decelerata e maggiore è il carico del motore di azionamento. In questo caso, secondo legge di risparmio energetico quest'ultimo consuma così tanto carburante da pilotare l'armatura del generatore in modo che l'energia chimica rilasciata durante la sua combustione diminuisca le perdite di energia nel motore e il generatore sia uguale all'energia prelevata dal carico elettrico dalla macchina a corrente continua.

Il dispositivo e il principio di funzionamento in modalità motore

In questa modalità, la corrente di armatura viene fornita all'avvolgimento dalla rete di alimentazione durante l'avviamento. Le forze di ampère agiscono sui conduttori di fessura dell'armatura con corrente, che sono sotto i poli principali. La loro direzione è determinata dalla regola della mano sinistra, che è illustrata nella figura sottostante. La loro somma crea un momento elettromagnetico rotante dell'armatura (in contrasto con la frenata in modalità generatore) e entra in rotazione.

Ma nei conduttori a fessura rotanti, come nel modo generatore, viene indotta la fem, che fornisce la fem totale dell'avvolgimento dell'armatura. Agisce in opposizione alla tensione di alimentazione, parzialmente equilibrandola. Questo è il principio di funzionamento delle macchine DC quando il motore è in funzione. In questo caso, secondo la legge di conservazione dell'energia, la maggior parte dell'energia elettrica viene prelevata dalla rete di alimentazione dal motore secondo necessità energia meccanica per guidare il meccanismo collegato tenendo conto delle perdite di energia (elettriche e meccaniche). In altre parole, più il motore è caricato meccanicamente, cioè maggiore è il peso e il momento di inerzia dei meccanismi messi in moto da loro, o maggiore è il momento di resistenza del mezzo che impedisce il loro movimento, maggiore è la quantità di elettricità consumata dal motore dalla rete.

Sul meccanismo fisico della guida EMF nei conduttori dell'MPT dell'avvolgimento dell'armatura

Va notato che i fisici teorici non amano il meccanismo fisico sopra descritto (e popolare nella letteratura tecnica) della guida EMF, dal momento che le linee del campo magnetico sono solo un'immagine speculativa inventata da Faraday per descriverla. Nessuna prova della loro reale esistenza come oggetti fisici reali esiste.

Un meccanismo alternativo per indirizzare le forze elettromotrici in un conduttore a fessura mobile nell'avvolgimento di armatura di un MPT è l'effetto sugli elettroni al suo interno di una forza di Lorentz, che è proporzionale all'induzione magnetica nella posizione del conduttore. Tuttavia, qui c'è una contraddizione che consiste nel fatto che all'interno delle fessure dell'armatura l'induzione magnetica è estremamente piccola, e questo non influenza il valore dell'EMF dei conduttori. Pertanto, anziché l'induzione nel solco, l'induzione nel traferro viene sostituita nella formula, che, naturalmente, è errata, ma dà un risultato vicino a quello osservato nella pratica.

L'uscita da questa collisione consiste nel passare alla descrizione di un campo magnetico non per mezzo di un vettore di induzione magnetica, ma per mezzo di un potenziale magnetico vettoriale. Un importante ingegnere elettrico russo, KM Polivanov, fu un attivo sostenitore di questo approccio. Più in dettaglio con questo problema può essere trovato nelle opere dell'autore.

Campo magnetico MPT sotto carico

In un campo magnetico caricato, ci sono due tipi di flusso magnetico: il flusso di OM e il flusso di RH generato dalle correnti di questi avvolgimenti. Le linee di forza del primo di esse sono dirette lungo gli assi della coppia di poli, attraverso cui si chiude, come mostrato nella figura 1 nella figura sottostante. Tale flusso di eccitazione è chiamato longitudinale. Se ci sono più di due poli in MPT, allora questo campo è anche longitudinale nel traferro sotto la punta di ciascuno di essi.

Le linee elettriche del flusso OHA sono chiuse attraverso l'asse dei poli, quindi, come applicato a MPT, parlano del campo trasversale dell'armatura, che è mostrato in figura 2 nella stessa figura.

Il flusso dell'armatura è sommato al flusso di eccitazione, formando il flusso risultante. Questo mostra la reazione dell'armatura della macchina a corrente continua, che consiste nell'effetto del campo trasversale sul campo longitudinale di eccitazione, le cui linee di forza sono quindi distorte, ispessite vicino a un bordo del polo e diradate vicino all'altra. In GPT, l'ispessimento delle linee di forza di campo, cioè la sua amplificazione rispetto al campo di eccitazione, avviene sotto il bordo del polo che si muove verso l'ancora, e in DPT - sotto il bordo di fuga, come mostrato in figura 3.

Effetti collaterali della reazione di ancoraggio

A causa del fenomeno della saturazione magnetica dell'acciaio, il campo risultante sotto il bordo del polo, dove aumenta, non può aumentare nella stessa misura in cui è indebolito sotto il bordo opposto. Pertanto, il risultato di questo effetto è una diminuzione generale del campo magnetico della macchina caricata. Nel caso di un generatore, l'indebolimento del campo riduce la tensione generata.

La reazione dell'armatura DC distorce la configurazione spaziale delle linee elettriche di campo, quindi, la posizione delle variazioni del neutro magnetico (MN) - in un MPT bipolare è perpendicolare alle linee elettriche del flusso di eccitazione e coincide con la GN neutra geometrica. Le spazzole dovrebbero essere posizionate sul MN, altrimenti causerebbero scintille sotto di loro. Pertanto, a causa della reazione dell'ancora, è difficile determinare la posizione esatta del MN. Tuttavia, per questo ci sono metodi collaudati nella pratica.

La seconda conseguenza negativa di questo effetto, che altera in modo significativo le caratteristiche operative della macchina DC, è un aumento della tensione massima tra piastre adiacenti. Guarda ancora il semplice diagramma di avvolgimento del circuito. Se i lati di alcune delle sue sezioni sono simultaneamente sotto i bordi di due poli principali opposti adiacenti con un campo aumentato a causa della reazione di armatura, allora la tensione indotta in questa sezione e, quindi, la tensione tra una coppia di piastre di collettore adiacenti può superare significativamente il suo valore quando la reazione di armatura è assente cioè al minimo. Inoltre, tale eccesso di solito si verifica in una sola volta in diverse sezioni del collettore situato in aree di un campo allargato. Di conseguenza, potrebbe esserci un fenomeno come un fuoco circolare sul collettore, che può distruggerlo completamente. Pertanto, senza particolari metodi costruttivi di soppressione della reazione dell'armatura, il funzionamento di una macchina a corrente continua con potenza media e alta è praticamente impossibile.

Modi per affrontare la reazione dell'ancora

Il più semplice e il primo dei metodi apparsi era un aumento del traferro dal centro verso i bordi delle punte dei poli, cioè l'esecuzione di un divario divergente. Allo stesso tempo, la resistenza magnetica al flusso della reazione di armatura è aumentata e il suo effetto sul campo di eccitazione è diminuito. Ma la resistenza crebbe per il flusso di eccitazione, che costrinse ad aumentare le dimensioni delle bobine ai poli principali.

Per indebolire il flusso dell'armatura nella produzione dei poli principali, viene utilizzato acciaio elettrico con anisotropia magnetica delle sue proprietà (permeabilità magnetica) lungo e attraverso l'asse dei poli. I poli di questo acciaio hanno un buon flusso longitudinale di eccitazione e male - il flusso trasversale dell'armatura. Tuttavia, tale acciaio è molto costoso e le sue proprietà dipendono fortemente dalla temperatura e cambiano nel tempo.

Infine, è stato trovato un modo radicale per affrontare la reazione dell'armatura della macchina DC. Il dispositivo e il principio della sua azione non sono cambiati molto nello stesso momento, ma è stata aggiunta un'altra bobina - compensativa. Si trova nelle fessure ricavate nelle punte dei poli principali (o nelle fessure dello statore insieme con l'avvolgimento di eccitazione con una struttura polare implicita), come mostrato nella figura sotto, ed è collegato in serie all'avvolgimento dell'indotto, cioè la stessa corrente scorre attraverso di esse.

Tuttavia, la direzione del flusso attorno alle spire dell'avvolgimento di compensazione viene scelta in modo tale che il flusso magnetico eccitato da esso sia diretto verso il flusso della reazione dell'indotto e lo compensi.

Tutte le moderne macchine elettriche DC, di media e alta potenza, sono dotate di un avvolgimento di questo tipo.