2 Электрические машины постоянного тока. Генераторы.

Машины постоянного тока малой мощности широко применяются в современных устройствах автоматики в качестве исполнительных и вспомогательных двигате­лей. Основное достоинство их - возможность плавного и экономичного регулирования скорости в широких пре­делах.

Генераторы постоянного тока используются в автома­тике в качестве обычных генераторов, тахогенераторов или электромашинных усилителей. Недостатками машин постоянного тока, ограничивающими области их примене­ния, являются:

- наличие скользящих контактов - коллек­тора и щёток, снижающих надёжность работы,

- и сложность конструкции.

Машина постоянного тока, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной (статор) и вращающей­ся (ротор) частей, разделённых воздушным зазором.

На рисунке 4.1 показано устройство микромашины посто­янного тока закрытого исполнения. Её статор состоит из станины 1, выполняемой из цельнотянутой стальной трубы. Станина служит основанием для крепления остальных неподвижных частей, а также является одним из участков в магнитной цепи машины. К внутренней по­верхности станины специальными винтами или болтами крепятся набранные из листовой стали толщиной 0,5— 1 мм главные полюсы.

Генераторы постоянного тока большой и малой мощ­ности имеют достаточно широкое распространение. Их ис­пользуют в некоторых отраслях промышленности, на транспорте, в уста­новках радио- и проводной связи, на самолётах и т. д. В системах автоматического управления и регулирования, в следящих системах широко применяют электромашинные усилители и тахогенераторы постоянного тока.

В зависимости от способа создания основного магнит­ного потока различают генераторы с электромагнитным возбуждением и с возбуждением постоянными магнитами (магнитоэлектрические).

В генераторах с электромагнитным возбуждением поток создаётся посредством обмотки возбуждения, кото­рая может включаться различным способом. В зависимо­сти от схемы её включения эти генераторы разделяются на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

В свою очередь последние делятся на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным воз­буждением. Практическое применение имеют генераторы с независимым и параллельным возбуждением, а также магнитоэлектрические.

5. Коммутация в машинах постоянного тока

1.1. Коммутация в коллекторных машинах

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соответствии с допустимой плотностью тока для выбранной марки щеток. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхностью, то возникают чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе. При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины (сбегающей) на другую (набегающую) сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс переключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопровождающие его явления называются коммутацией.

Работа двигателя постоянного тока обычно сопровождается искрением между коллектором и щетками. Если искрение слишком интенсивное, то это вызывает подгорание пластин коллектора и щеток; эксплуатация двигателя при интенсивном искрении создает пожароопасность. В двигателях постоянного тока мощностью до 600 Вт процесс коммутации не сопровождается значительным искрением, поэтому специальных мер для улучшения коммутации в таких двигателях не применяют. В двигателях большой мощности (до 1 кВт) для улучшения коммутации щетки смещают сгеометрической нейтрали в направлении, встречном вращению якоря, на угол, при котором искрение минимально. Такой способ неприменим для реверсируемых двигателей, которые работают с изменением направления вращения. В двигателях мощностью 1 кВт и более для улучшения коммутации применяют добавочные полюсы, расположенные между главными полюсами. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмотками якоря, это обеспечивает удовлетворительную коммутацию в широком диапазоне нагрузки двигателя.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Однако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. Обычно небольшое искрение в машинах общего назначения допустимо.

1.2. Защита обмотки якоря

При значительных перегрузках или внезапном коротком замыкании машины постоянного тока коммутация приобретает резко замедленный характер. В этом случае между сбегающей коллекторной пластиной и сбегающим краем щетки возникает электрическая дуга. Т. к. коллектор вращается, то дуга механически растягивается. Наряду с этим перегрузка машины сопровождается усилением реакции якоря, под действием которой распределение индукции в воздушном зазоре машины становится неравномерным. В результате напряжение между соседними коллекторными пластинами увеличивается, превышая допустимые пределы. Все это создает условия для возникновения электрической дуги между щеткой и коллекторными пластинами. Таким образом, в условиях значительной перегрузки в машине постоянного тока появляются коммутационные и потенциальные причины для возникновения электрической дуги на коллекторе. При этом электрические дуги, вызванные коммутационными причинами, сливаются с дугами, вызванными потенциальными причинами, образуя вокруг коллектора мощную электрическую дугу, которая может перекинуться также и на корпус машины. Описанное явление называется круговым огнем по коллектору. Круговой огонь очень опасен, поскольку может привести к тяжелой аварии машины, включая возникновение в машине пожара.

Для защиты обмотки якоря от повреждения электрической дугой в случае возникновения кругового огня в электрических машинах, работающих в условиях частых перегрузок, между коллектором и обмоткой на якоре устанавливают изолирующий экран.

1.3. Радиопомехи и способы их подавления

При неудовлетворительной коммутации коллекторная машина становится

источником радиопомех, ухудшающих качество радиоприема, а иногда делающих его невозможным, поэтому уровень индустриальных радиопомех не должен превышать значений, определяемых действующими нормами. Радиопомехи распространяются двумя путями: по эфиру (электромагнитное излучение) и через электросеть. Для подавления помех, распространяемых по эфиру, электрические машины экранируют. В качестве экрана используют заземленный корпус машины. Если со стороны коллектора в машине имеются окна, то их следует закрыть металлическим колпаком или сеткой, обеспечив им надежный контакт с корпусом машины.

Для подавления помех, проникающих от машины в сеть, применяют симметрирование обмоток и включение фильтров. Симметрирование обмоток состоит в том, что каждую обмотку, включенную последовательно в цепь якоря, разделяют на две равные части и присоединяют симметрично к щеткам разной полярности. Применение фильтров – основной способ подавления радиопомех. Для большинства машин достаточно установить емкостный фильтр в виде конденсаторов, включаемых между каждым токонесущим проводом и корпусом машины.