3.3. Тұрақты ток электр жетектері

3.3.1. Әрекет принципі. Негізгі теңдеулер

Кез келген коллекторлық тұрақты тоқ қозғалтқышының әрекет принципі Ампер заңына негізделген: магнит индукциясы В магнит өрісіндегі ток I жүретін өткізгішке сол қол ережесі бойынша бағытталған күш әрекет етеді (3.7-сурет). Осы күш әрекетімен немесе орам болғанда - жұп күштер әрекетімен орам айнала бастайды және коллектордың арқасында үздіксіз айналады. Коллектор берілген магнит полюсы астында ток бағыты өзгермейтіндей және момент бірдей бағытта болатындай етіп ток бағытын өзгертіп отырады.

Тұрақты ток қозғалтқышының негізгі артықшылығы, маңызды ерекшелігі ондағы магнит полюстері туғызған магнит индукциясы В векторымен кез-келген қандайда күрделі якорь орамасындағы ток векторының арасында бұрыштың тік болуы. Бұл бұрыш коллектордағы щеткелердің орналасуымен ғана анықталады және басқадай қандайда болсын жағдайларға тәуелсіз.

3.7-сурет. Коллекторлық тұрақты ток машинасының әрекет принципі.

Магнит өрісіндегі қозғалған өткізгіштерде Фарадей заңына сәйкес айналу электр қозғаушы күші туындайды (ЭҚҚ):

(3.5)

мұнда v - оң қол ережесі бойынша бағытталған қозғалыстың сызықтық жылдамдығы.

Кирхгофтың екінші заңына сәйкес орамдағы ЭҚҚ жиналып түсірілген кернеумен теңгеріледі:

, (3.6)

мұнда -жиындық айналу ЭҚК; R - ораманың кедергісі.

Тұрақты ток машиналары барлық электр машиналарындай қайтарымды, яғни қозғалтқышта және генераторда болып жұмыс істей алады.

Қызметі жағынан тұрақты ток электрмашиналары генераторлар және қозғалтқыштар болып бөлінеді.

Тұрақты ток генераторлары технологиялық мақсаттарда тұрақты ток қажет техника ауқымында: электролиз, электрлік дәнекерлеу, сонымен қатар тұрақты ток қозғалтқыштарын қоректендіру үшін қолданылады.

Тұрақты ток қозғалтқыштарын көтеру құрылғылары үшін, электрлік тартқышта, илемдік орнақтарда және басқа реттелетін электр жетегінің түрлерінде қолданады.

Құрылыста тұрақты токты қозғалтқыш-генератордан қоректенетін айнымалы токты энергияны тұрақты токты энергияға түрлендіретін қуаты үлкен экскаваторлардың электржетегі үшін, сонымен қатар аккумуляторларды зарядтау үшін және кей жағдайда электрлік дәнекерлеу үшін қолданылады.

Тұрақты ток машинасының құрылысы (3.8-сурет). Тұрақты ток машинасының негізгі бөліктері: қозғалмайтын бөлігі – статор, айналатын - ротор, якорь және подшипникті екі қалқан.

.

3.8-сурет. Тұрақты ток машинасының құрылысы:

1 — коллектор; 2 — щеткалар; 3 — якорьдің өзекшесі; 4 — бас полюстің өзекшесі; 5 — полюстік орауыш; 6 — статор; 7— подшипникті қалқан;

8 — желдеткіш; 9 — якорьдің орамасы.

Статор станинадан, электрмагнит полюстері жұқа болат қаңылтырлардан жасалған, бір-бірінен жылтыр сырлы кілегеймен немесе жұқа қағаз қаңылтырлардан оқшауланған өзекшелерден тұрады. Өзекшелерге машинаның қоздыру орамасы болып табылатын, мыс сымдарынан жасалған орауыштар кигізіледі

Тұрақты ток машиналарында якорь деп аталатын машинаның роторы электрмагниттің өзекшелері сияқты жұқа болат қаңылтырлардан құрылған цилиндрлік дене тәріздес. Машинаның якорінде ораманы орналастыру үшін паздар жасалады, ораманың шығыстары бір-бірінен және біліктен ток өткізбейтін материалмен - миканит оқшауланып, коллектордың пластиналарына бекітіледі.

Коллектордың сыртқы бетіне траверса арқылы машинаның қозғалмайтын бөлігіне бекітілген щеткалар орналастырылады. Якорь айналғанда онымен қоса коллектор да айналады, ал щеткалар оның бетімен сырғып, қозғалмайтын күйде қала береді. Якорьдің білігі подшипникті қалқандарда бекітілген подшипниктерде айналады.

Егер бір емес, екі орамнан тұратын орамды якорьге ораса және ол орамдарды якорьде бір-біріне перпендикуляр етіп орналастырса, ол кезде якорь айналғанда пайда болатын электр қозғаушы күштерінің бір-бірінен фаза бойынша айырмашылығы болады. Бір орамда ЭҚК-і нөлге тең болған кезде, екінші орамда ЭҚК-і максимал мәніне ие болады.

Зауыттардың шығаратын тұрақты ток машиналарының якорінің орамалары орауыштарының және коллектордың пластиналарының саны айтарлықтай көп болады. Ораманың орауыштары және коллектордың пластиналары санының сәйкес артуымен генератордың щеткаларында (шығысында) шамасы бойынша тербелісі өте аз қосынды кернеу алынады.

Тұрақты ток қозғалтқышының айналатын моментінің (М) шамасы келесі қатынаспен беріледі:

М = k Ф I_я , (3.7)

мұндағы k — қозғалтқыштың тұрақтысы, оның құрылысына байланысты шама; Ф — магниттік ағын, Вб; I_я — якорьдің ток күші, А.

Қозғалтқыштың жылдамдығы келесі теңдеуге бағынады:

(3.8)

мұндағы R_я — якорь орамасының кедергісі, Ом.

3.9а-суретте келтірілген қоздырылуы параллель қозғалтқыш желіге қозу орамасы желінің толық кернеуінің астында болатындай жалғанады. Сондықтан қозғалтқыштың магнит ағыны жүктемеге тәуелсіз тұрақты болып қалады, ал якорьдің орамасындағы ток күші жүктемеге пропорционалды түрде артады. Айналу жылдамдығы көп азаймайды.

3.9-сурет. Параллель (а) және тізбектей (б) қоздыру кезіндегі электр қозғалтқыштарының қосылу сұлбалары.

Айналу жылдамдығын реттеу қозғалтқышқа келетін кернеуді өзгерту арқылы іске асырылады; якорьдің тізбегіне кедергіні енгізу немесе магнит ағынын өзгерту арқылы іске асырылады. Якорьдің тізбегіне кедергінің енгізілуі қозғалтқыштың жылдамдығының азаюына әкеледі; жылдамдықты реттеу тұрақты момент кезінде болады. Бұл әдіс көтергіштер, жүкшығырлар, поршеньдік компрессорлар, сораптар және т.б. үшін қолданылады. Бірақ бұл якорьдің барлық тогы өтетін қосымша кедергінің қызуына байланысты елеулі шығындармен байланысты. Қозғалтқыштың айналу жиілігін реттеудің ең көп тараған түрі магнит ағынын өзгерту болып табылады. Бұл қоздыру орамасына қосылған реостат арқылы іске асырылады. Қоздырудың ток күші азайғанда магнит ағыны да өзгереді, осыдан келе, қозғалтқыштың айналу жиілігі артады. Бұл кезде реттеу тұрақты қуат жағдайында болады. Реостаттың қоздыру орамасының тізбегіне қосылуы қоздырудың ток күшінің үлкен емес шамасына байланысты энергияның үлкен шығынына әкелмейді. Қоздырылуы параллель электр қозғалтқыштарда қоздыру орамасы үлкен кедергіге ие, осыдан келе, осы орамадағы және реостаттағы ток күшінің шамасы үлкен болмайды.

Қоздырылуы параллель электр қозғалтқышын желіге 3.9б-суретте көрсетілген сызба бойынша қосады. Қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштар өзінің сипаттамаларымен қоздырылуы параллель қозғалтқышынан қатты ерекшеленеді. Якорьдің орамасымен тізбектей жалғанған қозғалтқыштың қоздыру орамасы арқылы оның барлық тогы өтетіндіктен, қозғалтқыштың жүктемесінің артуымен бір мезгілде оның полюстерінің магнит ағынының шамасы да лезде артады. Осыған байланысты мұндай қозғалтқыштар, біріншіден, аз айналымдар кезінде үлкен айналу моментін көбейтеді (іске қосу кезінде) және екіншіден, асқын жүктемелік қабілеттілікке ие. Сонымен қоса, білігінде жүктеменің азаюымен қозғалтқыштың айналу жиілігі жылдам артады және аз жүктеме кезінде (қалыптының ¼-нен аз) оның тұтастығына қауіпті жылдамдыққа ие болады. Бос жүріс, яғни жүктеме жоқ кезінде сериестік электр қозғалтқыштарды мүлдем қосуға болмайды. Бұл сериестік электр қозғалтқыштарының кемшілік қасиеті болып табылады.

Өзінің сипаттамалары бойынша бұл электр қозғалтқыштар көтергіш көліктік құрылғылардың жетектеріне келеді. Олар электр тартқышта (трамвай, троллейбус, электрлік темір жолдары) кеңінен қолданылады.

Құрылыстық практикада қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштарын қозғалтқыш - генератордан қоректенетін қуаты үлкен кейбір экскаваторларда және аккумуляторлардан қоректенетін электрлік тиегіштерде қолданылады.

Қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштардың жылдамдықтарын реттеу қоздырылуы параллель қозғалтқыштарынан принциптік айырмашылығы жоқ, тек қоздыру немесе якорьдің орамаларында ток күшінің мәнін реостатпен өзгертілмейді, ол шунттау арқылы өзгертіледі – осы орамалардан токты бөліп тастау.

Тұрақты ток қозғалтқыштарының айналу бағытын өзгерту үшін (реверстеу) магнит өрісінің полярлығын немесе якорь орамасындағы ток күшінің бағытын өзгерту қажет. Бұны сәйкес орамаларды (якорьдің немесе қоздырудың) ауыстырып қосумен орындайды.