Устройство машины постоянного тока. Реакция якоря. Коммутация

СОДЕРЖАНИЕ

Устройство машины постоянного тока. Реакция якоря. Коммутация

Устройство статора

Устройство якоря

Реакцией якоря

Коммутация

Намагничивание ферромагнитных материалов. Явление гистерезиса.

Намагничивание ферромагнитных материалов

Перемагничивание ферромагнетиков Магнитный гистерезис

Выводы

Технические характеристики усилителей.

Коэффициенты усиления

Входное и выходное сопротивления

Выходная мощность

Коэффициент полезного действия

Номинальное входное напряжение

Диапазон усиливаемых частот

Уровень собственных помех усилителя

Искажения в усилителях

Задачи

2.28

4.27

6.16

9.78

Устройство машин постоянного тока

Устройство статора.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом — на рис. 1.2.

Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.

Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.

Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).

Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации.

Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.

Устройство якоря.

Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а, б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.

Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.

Коллектор (рис. 1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.

Рис. 1.3

Реакцией якоря

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов машины. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю и магнитное поле машины образуется только главными полюсами (рис (а)). Оно симметрично относительно оси главных полюсов и относительно геометрической нейтрали.

Если отключить обмотку возбуждения и подключить якорь к источнику питания, то протекающий в обмотке якоря ток создаст магнитное поле, показанное на рисунке (б). Магнитная ось полюсов этого поля совпадает с осью щеток и перпендикулярна оси поля главных полюсов. Вращение якоря не влияет на картину поля якоря, т.к. распределение тока в обмотке якоря остается постоянным. В рабочем режиме машины включены обе обмотки и магнитное поле образуется суммированием обоих полей. В результате ось магнитного поля поворачивается на некоторый угол и на этот же угол поворачивается физическая нейтраль. Так как при одинаковом направлении вращения, направление тока якоря двигателя и генератора разное, то направление магнитного поля якоря и смещение физической нейтрали в этих режимах будет противоположеным. В режиме генератора нейтраль смещается в сторону вращения, а в режиме двигателя – против вращения.

В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.

Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.

Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.

Смещение физической нейтрали оказывает также негативное влияние на процесс коммутации.

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря.

Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.

Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.

В микромощных машинах (< 1 кВт) реакцию якоря компенсируют установкой щеток на физическую нейтраль. При этом полная компенсация возможна только при одном значении тока якоря, т.е. только при какой-либо одной постоянной нагрузке. Однако в результате сдвига все же в машине существенно улучшается коммутация.

 

 

Коммутация

Коммутацией с электрических машинах называется процесс, связанный с изменением направления тока в секциях обмотки, при переключении их из одной параллельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается появлением ЭДС, вызывающих искрение между щетками и коллектором.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а продолжительность процесса коммутации – периодом коммутации

где   соответственно число пластин коллектора, скорость вращения, ширина щетки и ширина пластины коллектора.

На рисунке 1 схематически показано переключение секции обмотки из одной ветви в другую при ширине щетки равной ширине коллекторной пластины. Движения якоря происходит справа налево. В положении (а) ток якоря  протекает через щетку и пластину 1 и далее разделяется на параллельные ветви, в одну из которых включена секция 1, а в другую (правую) – коммутирующая секция 2. Затем щетка замыкает накоротко пластины коллектора 1 и 2 и коммутирующую секцию 2 (рис. (б)), а в следующий момент сбегает со щетки 1, размыкая секцию 2 и включая ее в левую параллельную ветвь. В результате перехода коммутирующей секции из правой ветви в левую ток в ней изменяется от  до .

 

В замкнутой накоротко щеткой коммутирующей секции обмотки действуют несколько ЭДС, вызывающих ток  .  Основными из них являются ЭДС самоиндукции   и ЭДС вращения или ЭДС поля реакции якоря   , где  – соответственно индуктивность поперечного поля в зоне коммутации, число витков коммутирующей секции, активная длина проводников секции и линейная скорость паза якоря.

ЭДС самоиндукции по своей природе препятствует изменению тока коммутирующей секции и может быть весьма значительной, т.к. период коммутации составляет   с.

ЭДС вращения наводится в секции в результате пересечения ею поперечного магнитного поля, создаваемого реакцией якоря и дополнительными полюсами. Поле реакции якоря создает ЭДС всегда направленную согласно с ЭДС самоиндукции и усиливает ее действие. Дополнительные полюсы устанавливают в машине для компенсации поля реакции якоря. С их помощью можно полностью компенсировать, недокомпенсировать или перекомпенсировать это поле. ЭДС вращения в этих случаях будет соответственно нулевой, отрицательной или положительной.

 

Таким образом, в коммутирующей секции в общем случае действует суммарная ЭДС .

В случае ток в секции изменяется по линейному закону (кривая 1 рис.2) и в момент схода щетки с пластины коллектора искрения не наблюдается. Это эквивалентно размыканию электрической цепи с чисто активным сопротивлением.

Если  , что соответствует отсутствию дополнительных полюсов в машине или неполной компенсации поля якоря, коммутация происходит замедленно (кривая 2 рис. 2) и в момент схода щетки с пластины коллектора в магнитном поле коммутирующей секции еще имеется большой запас энергии рассеиваемой в виде искры на сбегающем краю щетки. Размыкание происходит по типу размыкания цепи, содержащей индуктивность. Мощность искры зависит от величины тока нагрузки.

Подбором параметров обмотки и формы дополнительных полюсов можно создать условия, когда . При этом изменение тока в секции происходит по кривой 3. Такая коммутация называется ускоренной и процессы при размыкании эквивалентны цепи с емкостью. Можно выбрать параметры потока дополнительных полюсов так, чтобы плотность тока под сбегающим краем щетки была минимальной или даже нулевой. Тогда искрение на этом краю будет отсутствовать. Однако при ускоренной коммутации наблюдается склонность к искрообразованию на набегающем краю щетки в виде искры пробоя.

Искрообразование в процессе коммутации приводит к сложным электрохимическим процессам, вызывающим эрозию и ускоренный износ щеток и коллектора. Ухудшение контакта между щетками и коллектором вследствие эрозии вызывает также снижение энергетических показателей двигателей. В ответственных приводах с двигателями постоянного тока предусматриваются периодические регламентные работы. Для этого двигатель разбирают, заменяют щетки и шлифуют коллектор.

Основным средством улучшения коммутации являются дополнительные полюсы, магнитное поле которых подбирается таким образом, чтобы коммутация была линейной или слабо ускоренной. Дополнительные полюсы устанавливают практически во все машины мощностью выше 1 кВт.

В машинах меньшей мощности коммутацию настраивают установкой щеток за физическую нейтраль, смещая их у двигателей против направления вращения, а у генераторов – по направлению вращения якоря. При этом избыточный сдвиг за физическую нейтраль будет создавать в коммутирующих секциях ЭДС, аналогичную ЭДС дополнительных полюсов. Практически это осуществляют под нагрузкой поворотом щеточного узла до положения, при котором искрение минимально. Однако этот способ малоэффективен, т.к. настройка возможна только одного какого-либо режима работы.

Выходная мощность

При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна

,

где Uвых - действующее, а Um вых – амплитудное значение выходного напряжения.

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счет нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величины.

Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя.

Диапазон усиливаемых частот

Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.

Допустимые изменения коэффициентов усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения и условий работы усилителя.

Искажения в усилителях

При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят.

Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками

 

Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на графике рис.12.4 Предположим, что на вход усилителя подан испытательный сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом.

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальное напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе.

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник)

где - сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления; - электрическая мощность первой гармоники.

В тех случаях, когда сопротивление нагрузки имеет одну и ту же величину для всех гармонических составляющих усиленного сигнала, коэффициент гармоник определяется по формуле

,

где - и т.д. – действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник тока на выходе; и т.д. действующие или амплитудные значения гармоник выходного напряжения.

Коэффициент гармоник обычно выражают в процентах, поэтому найденное по формулам значение следует умножить на 100. Общая величина нелинейных искажений, возникающих на выходе усилителя и созданных отдельными каскадами этого усилителя, определяется по приближенной формуле:

где - нелинейные искажения вносимые каждым каскадом усилителя.

Допустимая величина коэффициента гармоник всецело зависит от назначения усилителя. В усилителях контрольно-измерительной аппаратуры допустимое значение коэффициента гармоник составляет десятые доли процента.

Частотные называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.д.

Зависимость величины реактивного сопротивления от частоты не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей собой зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.

Для примера на рис 12.5 показана амплитудно-частотная характеристика УНЧ.

Рис. 12.5 Амплитудно-частотная  

Рис. 12.6 Фазочастотная характеристика

характеристика УНЧ. усилителя.

При построении амплитудно-частотных характеристик частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе. Для каждой частоты фактически по оси откладывается величина lg f, а подписывается значение частоты.

Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на данной частоте

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот f н и f в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны

,

где К н и К в – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона.

Для усилителей низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая линия (линия АВ на рис. 12.5).

где Кн и Кв — соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Из определения коэффициента ча­стотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характе­ристика в области данной частоты имеет завал, а если М < 1, — то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдель­ных каскадов

М = М1 М₂ М₃...Мn.

Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного. Коэффициент частотных искажений, так же как и коэф­фициент усиления, удобно выражать в децибелах:

М _ДБ = 20lg М.

В случае многокаскадного усилителя

М _ДБ = М 1_ДБ+ М 2_ДБ + М3 _ДБ +…+ Мn _ДБ

Допустимая величина частотных искажений зависит от назна­чения усилителя. Для усилителей контрольно-измерительной ап­паратуры, например, допустимые искажения определяются тре­буемой точностью измерения и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.

Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искажениями. При этом под фазовыми искажениями обычно подразумевают лишь сдвиги, со­здаваемые реактивными элементами усилителя, а поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается.

+ Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график за­висимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напря­жениями усилителя от частоты рис. 12.6  Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая, начинающаяся в начале координат – пунктирная линия на рис. 3. Фазочастотная характеристика реального усилителя имеет вид, показанный на рис. 12.6  сплошной линией.

 

ЗАДАЧИ

2.28 Определить эквивалентное сопротивление на зажимах АВ схемы рис.2.2, где R 1=0,5 Ом, R 2=5 Ом, R 3=9 Ом

Решение

По схеме R2 и R3 включены параллельно и их выводы соединены с обеих концов схемы для этого высчитываем их общее сопротивление по формуле R общ = (R2*R3) \ (R2+R3) =

(5*9) \ (5+9) = 45 \ 14 = 3.2142 округляем и получаем 3.2 Ом общее сопротивление.

Теперь наша схема упростилась и имеет вид.

 

R1 и Rобщ соединены последовательно, а при последовательном соединении сопротивление равно сумме всех сопротивлений.R1+Rобщ=0.5+3.2=3.7Ом

Ответ: сопротивление на зажимах АВ = 3.7 Ом

СОДЕРЖАНИЕ

Устройство машины постоянного тока. Реакция якоря. Коммутация

Устройство статора

Устройство якоря

Реакцией якоря

Коммутация