Модуль 4: «Машины постоянного тока»

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Принцип действия машин постоянного тока

Режим генератора. На рис. 1.1, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.1, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.

М агнитный поток проходит от северного полюса к южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.1) и замыкается по спинке статора (индуктора) машины (на рис. 1.1 не показано).

Якорь набран из пластин электротехнической стали, и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка (в рассматриваемом случае, состоящая из одного витка).

Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Если якорь машины привести во вращение по часовой стрелке, то в проводниках обмотки якоря наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС наводится только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции

, (1.1)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле;  – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.

Наводимые ЭДС по контуру витка складываются и ЭДС витка

(1.2)

ЭДС является переменной, так как проводники обмотки проходят попеременно под северным и южным полюсами, следовательно, форма кривой ЭДС повторяет кривую индукции в зазоре машины. Частота ЭДС равна:

(1.3)

Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток

(1.4)

Этот ток будет переменным, и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.2, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда будет находиться пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.2, б.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи. Ток обмотки якоря:

а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:

; (1.5)

б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности.

Уравнение мощностей получим умножив (1.5) на ток

_(1.6)

_или

_{, (1.7)}

где  электромагнитная мощность генератора; р  мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора; Р₂  мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.

Из (1.7) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.

Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы (см. рис.1.1, б)

, (1.8)

направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом (см. рис.1.1, б):

, (1.9)

где диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозным.

_{Режим двигателя.} Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.1, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.8) и (1.9). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение, и машина будет развивать механическую мощность. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

В проводниках обмотки вращающегося якоря, в соответствии, с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, определяемая по формуле (1.1) и направленная против тока.

На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:

_(1.10)

или

. (1.11)

Умножив (1.11) на ток, получим

, (1.12)

или

(1.1З)

Из (1.13) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р₁, а остальная покрывает потери.

Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электромагнитной индукции , сформулированном Фарадеем (  в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электромагнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.5), (1.11) следует: в двигательном режиме  , генераторном  .

Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при В

,

соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.3, а. При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой показано на рис. 1.3, б.

Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

В половине обмотки ( в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.3, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.

1.2. Устройство машины постоянного тока

Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.4). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника.

В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора. Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо в современных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из листового проката или стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т.е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. В поле полюсов помещают насаженный на вал якорь 4  стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.

В сердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы в зависимости от выбранной системы вентиляции.

Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9  механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре, в постоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя). Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изоли-рованных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины в цилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14. В щеткодержателях помещены щетки (графитные или медно-графитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает в машину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.

Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1000 В (для электрифицированных железных дорог до 1500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации в дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.