Вопрос 54

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологичес­кого оборудования.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока является их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом, наличие которого снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Кроме того, в щеточно-коллекторном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию цепей электрической машины, возникает искрение. Существенным недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вращающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной момент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном режиме.

Неподвижная часть машины состоит из станины 1 (рис.8.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы 3 для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные 4, предназначенные для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником 2 для создания требуемого распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Рис. 8.1. Устройство машины постоянного тока: 1 - станина; 2 - полюсный наконечник; 3 - сердечник главного полюса, 4 - сердечник дополнительного полюса, 5 - подвижная часть (якорь), 6 – щетки, 7 – коллектор, 8 – вал якоря

Станина 1 является ярмом машины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф. Она изготовляется из литой стали, т.к. магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы 4 устанавливаются на станине между основными. На сердеч­никах дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые со­единяются последовательно с якорем.

Якорем 5 называют часть машины, в обмотке которой при вращении её относительно главного магнитного поля, индуктируется ЭДС.

В машине постоянного тока якорь "а" (рис. 8.2) состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора "б", насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.

Применение ферромагнитного якоря и полюсных наконечников позволяет получать равномерное распределение индукции B воздушном зазоре машины δ (рис. 8.2 д) и таким образом уменьшить пульсацию напряжения генератора. Таким образом напряжение генератора меньше пульсирует, чем при вращении генератора в однородном магнитном поле.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря, обычно сос­тоящая из отдельных секций.

Секция состоит из одного или нескольких последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам. Для отвода тока от коллектора служат щётки, установленные в щёткодержателях (рис.8.2 в). Щётку к коллектору прижимает пружина. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем.

Характерной частью электрических машин постоянного тока является коллектор "б" (рис. 8.2). Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин. Пластины коллектора изолированы от вала машины и проводниками соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря "а".

В режиме генератора коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток в обмотке якоря в постоянный ток во внешней цепи.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный в обмотке якоря и работает, таким образом, в

Рис.8.2. Узлы и детали машины постоянного тока: а) – якорь, б) – фрагмент коллектора, в) – щетка, щеткодержатель и гибкий шлейф – кабель, г) – изменение напряжения генератора в случае, если витки обмотки якоря уложены в пазы, д) – характер распределения индукции B в воздушном зазоре δ машины постоянного тока, е) – выпрямление наводимых переменных ЭДС машины переменного тока с помощью коллектора.

качестве механического инвертора тока, обеспечивая непрерывность вращения якоря.

Машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ротор вращает первичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щётки с приемником. При таких условиях ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создаёт на валу машины тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор, таким образом, преобразует механическую энергию в электрическую.

В режиме двигателя цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки, который приложен к валу машины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Вопрос 55 Для перехода машины постоянного тока из режима генератора режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменить направление тока в обмотке якоря.

1. Для лучшего понимания и усвоения принципов работы электрической машины в режиме генератора и режиме двигателя воспользуемся условно-логическими схемами.

Такая схема для генератора с независимым возбуждением представлена на рис. 1РВ. Эта схема расшифровывается так:

От источника механической энергии (ИМ) при наличии передачи (П) на якорь генератора действует вращающий момент M. Так как якорь находится в незаторможенном состоянии (НЗ), он вращается со скоростью n_Я.

Обмотка возбуждения генератора питается напряжением U_В, и так как она замкнута (ЦЗ), то в ней протекает ток I_В. Эта обмотка имеет w_В витков, в результате появляется м. д. с. I_Вw_В, которая возбуждает магнитный поток Ф. Обмотка якоря вращается в этом магнитном поле и вследствие этого по закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в ней появляется э. д. с. E_Я. Таким образом, произошло преобразование механической энергии в электрическую.

Кроме того, происходят косвенные события: так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. Это приводит к возникновению м. д. с. I_Яw_Я, которая воздействует на основной магнитный поток машины Ф. Величина тока якоря зависит от нагрузки r_н, и, следовательно, воздействие I_Яw_Я на Ф также зависит от нагрузки.

2. Преобразование электрической энергии в механическую, т. е. Принцип работы электродвигателя, показано на условно-логической схеме рис. 2РВ. Как видно, эта схема также двухстрочная. Она описывает двигатель с независимым возбуждением. От источника электроэнергии через провода к обмотке якоря подается напряжение U_Я, а, так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. С другой стороны, обмотка возбуждения питается напряжением U_В и аналогично предыдущему создаётся магнитный поток Ф_В. В потоке Ф имеются провода якоря, по которым протекает ток I_Я. Взаимодействие их по закону Ампера создает на валу крутящий момент М.

Косвенные события, имеющие принципиальное значение, сводятся к вращению якоря со скоростью n_Я и аналогично предыдущему в якоре наводится E_Я, которое уменьшает значение U_Я, т. е. величина тока I_Я определяется не величиной U_Я, а разностью U_Я-E_Я.

3. На рис. 3РВ показана условно-логическая схема для генератора со смешанным возбуждением.

Из этой схемы ясно, что э. д. с. якоря E_Я получается в результате вращения обмотки якоря в остаточном магнитном поле, т. е. в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ). По мере увеличения токов в обмотках возбуждения соответственно увеличивается магнитный поток Ф от Ф₀ (остаточный поток) до Ф_N (номинальное значение потока, при котором наводится номинальное значение E_Я). Если генератор последовательного возбуждения, то схема действует по каналу 1, если генератор параллельного возбуждения, то схема соответствует каналу 2, а для смешанного возбуждения действуют оба канала.

4. Особое внимание следует обратить на механические свойст­ва двигателей постоянного тока. Только понимая эти свойства, мож­но решить вопрос о пригодности того или иного двигателя постоян­ного тока для привода определенного механизма. Лишь на основе этих свойств станет понятно, почему для привода металлорежущего станка применяется двигатель с параллельным возбуждением, а для привода подъемного механизма — двигатель с последовательным возбуждением.

Характеристика n=f₂(I_Я) для двигателя с параллельным воз­буждением определяется прямой линией n=n₀-bI_Я (рис. 4РВ в), а для двигателя с последовательным воз­буждением определяется гиперболой (рис. 4РВ г). Здесь a, b, d – постоянные величины. Из них видно, что для механизмов, требующих жесткую механическую характеристику (металлорежущие станки и др.), пригоден двигатель с параллельным возбуждением, а для механизмов, требую­щих мягкую характеристику (электропоезда, штамповочные устрой­ства и др.). пригоден двигатель с последовательным возбуждением.

5. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением обладает жесткой механической характеристикой, уравнение кото­рой n=n₀-BM, где В — постоянная величина. Это уравнение соот­ветствует допущению, что магнитный поток остается неизменным при разных нагрузках. Однако при увеличении нагрузки, вследствие реакции якоря, магнитный поток уменьшается. Поэтому механическая характеристика этого двигателя может считаться прямолинейной, если реакцией якоря можно пренебречь по малости ее или если реакция якоря компенсируется.

6. Двигатель с последовательным возбуждением обладает мяг­кой механической характеристикой. Если сделать допущение, что магнитный поток пропорционален току, то уравнение механической характеристики , где A, D — постоянные величины, не зависящие от нагрузки