Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт электронного обучения

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

профиль «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Принцип работы, история открытия и создания двигателей постоянного тока

Томск - 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. История открытия и создания двигателей постоянного тока

2. Двигатели постоянного тока

3. Принцип действия электродвигателя постоянного тока

3.1 Как работает двигатель постоянного тока

3.2 Принцип действия современных электродвигателей

4. Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

Заключение

Список литературы

Введение

Первой из всех изобретенных в 19 веке вращающихся электромашин является двигатель постоянного тока. Принцип действия его известен с середины прошлого столетия, и до настоящего времени двигатели постоянного тока (ДПТ) продолжают верно служить человеку, приводя в движение множество полезных машин и механизмов.

Электродвигатели - это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока.

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.

Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).

1. История открытия и создания двигателей постоянного тока

Начальный период развития электродвигателя тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 году Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея является наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.

Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалось и во многих других экспериментах. Так в 1824 году Питером Барлоу было описано устройство, известное под названием "колеса Барлоу" и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя.

Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси и соприкасающихся с ванночками наполненными ртутью, которые находились между полюсами постоянных магнитов (рис 1.1). При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться.

Рис. 1.1- Колесо Барлоу: 1 - деревянная подставка; 2, 3 - желобки, наполненные ртутью; 4, 5 - зажимы для подключения гальванической батареи; 6, 7 - медные зубчатые колеса; 8 - ось

Характерным для 1-го этапа развития электродвигателя примером, отражающим иное конструктивное направление, может служить прибор американского физика Джозефа Генри (рис.1.2), описанный им в 1831 году.

Рис.1.2-Двигатель Генри:1, 2 - постоянные магниты; 3, 4 - электромагнит; 5, 6 - гальванические элементы; 7 - 10 - чашечки со ртутью; 11 - 14 - проводники

Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита, способного совершать качательное движение, устанавливались постоянные магниты. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в обмотке, соединявшейся посредством проводников с гальваническими элементами . Электродвигатель Генри известен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных полюсов для получения непрерывного движения . Мощность таких двигателей была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 году, имел мощность 0,044 Вт и не мог использоваться на практике.

Второй этап развития электродвигателей характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Наиболее характерные и существенно важные работы по конструкции электродвигателей такого рода принадлежит русскому академику немецкого происхождения Борису Семеновичу Якоби. В 1834 году Якоби построил и описал электродвигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа располагались на неподвижной раме, а другая аналогичная - на вращающемся диске. В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности электромагнитов использовался простейший коммутатор. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и тоже направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала, следовательно, изменялась их полярность, и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

В 1837 году американский техник Томас Дэвенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря (рис. 1.3). В этом двигателе взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных частей, электродвигатель Дэвенпорта был более компактным.

Рис.1.3-Конструктивная и электрическая схема электродвигателя Дэвенпорта:1 - 4 - подвижные крестообразно расположенные электромагниты; 5, 6 - неподвижные постоянные магниты в форме полуокружностей; 7, 8 - медные пластины изолированные друг от друга; 9 - 12 - пружинящие контакты

Рассматриваемые электродвигатели действовали по прицепу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов. Вращающий момент на валу был непостоянным, и, в связи с попеременным притяжением и отталкиванием стержневых якорей, действие таких электродвигателей в системе электропривода представлялось малоперспективным.

В 40-х - 60-х годах 19 века некоторые из двигателей действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Таким являлся, например, двигатель Бурбуза (рис. 1.4), который напоминал кинематические схемы паровых машин, в которых вращательное движение вала создавалось посредством преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня. Или двигатель Фромана, работавший на принципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока в обмотках которых изменялось коммутатором.

Рис.1.4-Двигатель Бурбуза

Третий этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций электродвигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении был сделан в 1860 году студентом, а в последствии профессором Пизанского университета Антонио Пачинотти.

Электродвигатель Пачинотти (рис. 1.5) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь укреплялся на вертикальном валу и имел зубцы, что уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсными наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т. е., согласно современной терминологии, машина имела последовательное возбуждение. Вращающий момент в электродвигателе Пачинотти был практически постоянным, а его габариты были невелики по сравнению с размерами других двигателей равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был сделан важный шаг на пути создания современных машин постоянного тока: явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным. К этому следует добавить еще удобную схему возбуждения и, по существу, современного типа коллектор. Любопытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности применения принципа самовозбуждения, он рекомендовал при использовании машины в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.

Рис. 1.5-Электродвигатель Пачинотти

В 1863 году Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но, несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет Зенобом Теофилом Граммом в конструкции электромашинного генератора.

2. Двигатели постоянного тока

На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток - в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами [1].

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера - создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора - вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

· С независимым возбуждением - обмотка возбуждения питается от независимого источника

· С параллельным возбуждением - обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря

· С последовательным возбуждением - обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря

· Со смешанным возбуждением - у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор - это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах [2].

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

3. Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Электрический двигатель - неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач [3]

3.1 Как работает двигатель постоянного тока

Рис.3.1- Принцип электродвигателя

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта). При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В - значение магнитной индукции поля; I - ток, циркулирующий в проводнике; L - длина провода.

Рис.3.2- Принцип работы электродвигателя

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

3.2 Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части -- «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора - специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя [4].

Рис.3.3-Принцип действия двигателя постоянного тока

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока - это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока - поле статичное.

Рис.3.4 -Схема включения двигателя постоянного тока

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко [5].

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше [6].

4. Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

постоянный ток напряжение двигатель

Преимущества:

· Практически линейные характеристики двигателя:

o механическая характеристика (зависимость частоты от момента)

o регулировочная характеристика (зависимость частоты от напряжения якоря)

· Просто регулировать частоту вращения в широких пределах

· Большой пусковой момент

· Компактный размер.

Недостатки:

· Дополнительные расходы на профилактическое обслуживание коллекторно-щёточных узлов

· Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

· Дороже асинхронных двигателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества - хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).

Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.

Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.

Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.

КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пашнин В. М. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 40 с.: ил.

2. Основы современной энергетики: учебник для втузов: в 2 т. / под ред. Е.В. Аметистова. -5-е изд., стер. - М.: ИД МЭИ, 2010. - Т. 2: Современная электроэнергетика. -2010. - 632 с.

3. Энергетика России: взгляд в будущее. Обосновывающие мате-риалы к энергетической стратегии России на период до 2030 года / ред..В. Бушуев [и др.]. - М.: Энергия, 2012. - 612 с.

4. Ушаков В.Я. Современные проблемы электроэнергетики: учеб.пособие / В.Я. Ушаков; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 447 с.

5. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп. М., “Энергия”, 1969.

6. Копылов И. П. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 496 с., ил.

Размещено на Allbest.ru