§ 7.2. Електричні машини постійного струму
7.2.1. Принцип дії та будова машини постійного струму
Принцип дії машини постійного струму розглянемо на прикладі моделі генератора постійного струму (рис. 7.3, а). Магнітна сис-
Рис. 7.3. Схема принципу дії машини постійного струму:
а — модель генератора постійного струму; б — випрямлені е.р.с. і струм.
тема моделі генератора складається з двох нерухомих у просторі полюсів N—S. що створюють постійний за часом магнітний потік. У міжполюсному просторі вміщений виток abcd (приводиться в рух будь-яким двигуном), кінці якого приєднують до ізольованих один від одного двох металевих півкілець. На обертові разом з витком півкільця накладено нерухомі щітки так, що кожна з них стикується тільки з тим піввитком і провідником, які перебувають у сфері дії одного і того самого полюса. Наприклад, при обертанні витка верхня щітка в кожний момент часу стикується з півкільцем, яке з'єднується з провідником, що міститься під північним полюсом.
Під час обертання витка у його активних провідниках (ділянки ab і cd) індукуються е.р.с, напрямок яких визначається за правилом правої руки (у верхньому провіднику від b до d, в нижньому — від d до с). За законом електромагнітної індукції в кожному з провідників індукується е.р.с. миттєве значення якої визначається як
де В — магнітна індукція однорідного магнітного поля; v, І — відповідно лінійна швидкість і довжина активного провідника; а — кут між напрямком магнітних ліній і вектором лінійної швидкості.
Коли площина витка перпендикулярна до напрямку магнітних ліній (α = 90°), е.р.с, яка індукується в провідниках, досягає максимального значення
тоді (7.6) можна записати у вигляді
Отже, при обертанні витка в однорідному магнітному полі з постійною кутовою швидкістю в його провідниках індукується змінна синусоїдальна е.р.с. Проте в колі навантаження струм тече тільки в одному напрямку (від верхньої щітки до нижньої) — відбувається випрямлення індукованої у витку змінної е.р.с. і змінного струму (рис. 7.3, б).
Випрямлення змінної е.р.с. на щітках генератора відбувається з допомогою колектора, який у моделі подано двома півкільцями. Величину е.р.с. можна збільшити, а її пульсації зменшити, якщо виток замінити обмоткою, розподіленою по колу й укладеною в пази обертальної частини машини — якоря.
Взаємодія магнітного поля і провідників зі струмом зумовлює появу електромагнітних сил (див. рис. 7.1), які утворюють електромагнітний момент. Отже, під час роботи машини постійного струму в режимі генератора останній одержану від первинного двигуна механічну енергію перетворює в електричну.
Модель двигуна постійного струму не відрізняється від моделі генератора. Для переходу від генераторного режиму до режиму
Рис. 7.4. будова машини постійного струму:
1 — колектор; 2 — щітки: 3 — якір; 4 — осердя; 5— котушка збудження; 6 — станина;
7 — підшипникові шити.
в роботі двигуна слід відімкнути від щіток навантаження і подати на них напругу від джерела постійного струму. При цьому струм у витку потече у зворотному напрямку, а внаслідок взаємодії магнітного поля і струму у провідниках з'являться електромагнітні сили
Електромагнітні сили, напрямок яких визначається за правилом лівої руки, створюють у моделі обертальний момент. Під його впливом виток почне обертатися в напрямку дії моменту з певною кутовою швидкістю. Щоб змінити напрямок обертання витка, слід змінити напрямок струму в провідниках.
Отже, машина постійного струму може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Властивість оборотності можна використовувати в електроприводах для здійснення електричного гальмування.
Основними частинами машини постійного струму (рис. 7.4) є нерухомий статор і обертовий якір, які розділені повітряним зазором. Статор машини являє собою станину б, до внутрішньої частини якої з допомогою болтів прикріплені основні й додаткові полюси. Основний полюс складається із осердя 4, яке набирається
3 листової електротехнічної сталі, і котушки збудження 5 (з боку повітряного зазора осердя закінчується полюсним наконечником). До торців станини болтами прикріплені підшипникові шити 7; на підшипниках, встановлених в отвори щитів, обертається вал якоря 3. Обмотку якоря приєднують до колектора 1. який складається з окремих пластин клиновидної форми, виготовлених з міді. Вони ізольовані одна від одної слюдою. До кожної колекторної пластини прикріплюють відводи від обмотки якоря. Осердя якоря з обмоткою і колектором закріплюють на валу якоря, ізолюючи їх від вала. До колектора притискаються щітки 2, які здійснюють ковзний контакт з обертовою обмоткою якоря.
Магнітний потік полюса S (рис. 7.5), вийшовши з полюсного наконечника, проходить повітряний зазор і входить в якір, спочатку пронизуючи провідники, які містяться в зоні полюса S, а потім провідники в зоні полюса N. Пройшовши другий повітряний зазор, потік входить в наконечник полюса N, на виході якого розгалужується і по ділянках ярма проходить до полюса S.
Рис. 7.5. Магнітне коло машини. Рис. 7.6. Секція обмотки якоря:
1 — активні частини; 2 — лобові частини.
Лінія. яка проходить через середини полюсів і центр якоря, називається поздовжньою магнітною віссю машини, а лінія, яка проходить посередині між полюсами,— геометричною нейтраллю .
Основним конструктивним елементом обмотки якоря є секція (рис. 7.6) — частина обмотки, яка складається з одного або декількох витків і приєднується до двох колекторних пластин. Частини секції, які розташовані в пазах, називаються її активними частинами 1, а ті, що зв'язують активні частини між собою і колектором,— лобовими 2.
Схема приєднання кінців секцій до колекторних пластин визначається типом обмотки. Основними типами обмоток машини постійного струму є петльові (рис. 7.7, а) і хвильові (рис. 7.7, б). Петльові обмотки застосовують у машинах низької напруги (Uном < 50 В), які розраховані на великі струми, в малопотужних двополюсних машинах, а також у багатополюсних машинах потужністю 300—590 кВт і більше. Хвильові обмотки застосовують у машинах потужністю до 50 кВт при Uном = 110 В, 360 кВт при 220 В і до 500 кВт при 440 і 600 В.
Установка щіток зумовлює поділ обмотки якоря машини на паралельні вітки з однаковими е.р.с. кожної вітки. Якщо до вихідних затискачів якірної обмотки ввімкнути приймач електричної енергії, то в кожній з віток буде протікати струм Іа = Iя/2. При цьому одна із щіток, від якої струм надходить до приймача, вважається позитивною, інша — негативною.
Процес перемикання секцій з однієї вітки на іншу шляхом замикання цих секцій щітками і сукупність явиш, пов'язаних зі зміною струму в секціях, що перемикаються, називається комутацією. Оскільки кожна секція має індуктивність, то переривчастість струму при переході секції з однієї паралельної вітки в іншу викликає підвищення на-
Рис. 7.7. Основні типи обмоток машини постійного струму:
а — петльові; б — хвильові.
пруги на місці розмикання й утворення іскріння між щіткою і колекторною пластиною. Іскріння буде тим сильніше, чим більшим стає струм комутації. Щоб зменшити цей струм і поліпшити комутацію машини, використовують додаткові полюси і щітки з більшим опором. У нереверсивних машинах малої потужності поліпшення комутації досягається зсувом щіток з геометричної нейтралі під час роботи машини в режимі генератора в напрямку обертання якоря, а в режимі двигуна — проти обертання якоря.
На магнітне поле, яке утворюється м. р. с. обмотки збудження в машині постійного струму, впливає магнітний потік, зумовлений дією м p. с. обмотки якоря, яку називають реакцією якоря. Реакція якоря особливо негативно впливає на роботу електричної машини з ненасиченою магнітною системою. При цьому в генераторі зменшується е.р.с. і напруга на його затискачах, а в двигуні зменшується електромагнітний момент і змінюється частота обертання. Крім того, реакція якоря спричиняє іскріння під щітками, що призводить до обгорання колекторних пластин.
Ефективним засобом зменшення впливу поля якірної обмотки на поле основних полюсів є застосування компенсаційної обмотки, активні провідники якої укладають в пази, шо виштамповані на поверхні полюсних наконечників. Компенсаційна обмотка вмикається послідовно з якірною обмоткою так, щоб магнітні потоки обох обмоток були зустрічними і взаємно компенсувалися.