Тұрақты ток қозғалтқышының жұмыс істеу принципі

Электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіретін электрлік машинаны қозғалтқыш деп атайды.

Тұрақты ток машиналары қайтымдылық қасиетке ие болғандықтан олар генераторлық режимде де, қозғалтқыштық режимде де жұмыс істей алады. Қозғалтқыштық режимді қарастырайық.

Егер тұрақты ток машинасының щеткаларын тұрақты кернеу U көзіне қоссақ, онда коллекторлық пластиналар және кедергісі тең орам арқылы ток жүреді (сурет). Тогы бар бұл орамның активті қабырғалары қоздыру орамасы тудырған магнит өрісінде болғандықтан Ампер заңына сәйкес оларға электромагниттік күштер F_эм әсер етеді. Олардың бағыттары сол қол ережесі бойынша анықталады: орамның жоғары қабырғасына әсерететін күш оңға, ал төменгі қабырғасына әсерететін күш солға бағытталады. Бұл екі күш орамды сағат тілінің жүрісі бағытымен айналдыратын айналу моментін М_айн тудырады.

Орамның жоғарғы жағы солтүстік полюс аумағынан оңтүстік полюс аумағына ауысқанда, ал орамның төменгі жағы оңтүстік полюс аумағынан солтүстік полюс аумағына ауысқанда орамның ұштары және олармен байланысқан коллекторлық пластиналар басқа полюсті щеткалармен

Сурет – тұрақты ток қозғалтқышының жұмыс істеу принципі

түйіседі. Бұл жағдайда орамның активті қабырғаларындағы токтардың бағыттары өзгереді, бірақ электромагниттік күштердің, моменттің және сыртқы тізбектегі токтың бағыттары өзгермейді. Сондықтан тогы бар орам тұрақты магнит өрісінде n жылдамдықпен айналады да, жұмыстық механизмнің білігінің айналуын қамтамасыз етеді.

Айналмалы коллектор мен қозғалмайтын щеткалар қозғалтқыштық режим кезінде якорь орамын сыртқы тізбекпен электрлік байланыстырумен қатар, сыртқы тізбектің тұрақты тогын айналмалы якорь орамының айнымалы тогына түрлендіреді, яғни механикалық инвертор қызметін қоса атқаратындығын атап өту керек.

Тағы бір назар аударатын құбылыс бар. Орам тұрақты магнит өрісінде айналған кезде оның активті қабырғаларының бойында бағыттары оң қол ережесі бойынша анықталатын е₁ және е₂ э.қ.к.-тері пайда болады. Бұл э.қ.к.-тер i тогына қарсы бағытталған. Олар қосылып, орамның қорытынды э.қ.к.-ін Е құрайды ( Е= е₁ + е₂) және оны (Е) қарсы э.қ.к. деп атайды.

Жоғарыда айтылған құбылыстарды ескере отырып, қозғалтқыштың якорь тізбегінің орынбасу сұлбасын құруға болады (сурет).

Қозғалтқыштың якоріндегі ток Ом заңы бойынша мына өрнек арқылы анықталады:

(7)

Бұдан

(8)

Бұл соңғы (8) өрнек қозғалтқыш кернеуінің теңдеуі деп аталады. Бұл теңдеу қозғалтқышқа сырттан берілген кернеу U қарсы э.қ.к.- ті Е және якорьдың орамасында кернеудің түсуін (IR_я) теңгеретіндігін білдіреді.

(8) өрнектің екі жағында I көбейтсек, онда якорь тізбегі үшін қуаттар теңдестігі теңдеуін аламыз:

(9)

немесе

(10)

Сонымен, сыртқы электр энергиясы көзінен қозғалтқыштың якорь орамасы тұтынатын қуат (P=UI) ораманың кедергісіндегі электрлік шығынды (P_эл.ш=I²R_я) теңгеруге және якорьде механикалық қуатқа (P_мех=M_айн ω=M_айн 2πn) түрленетін электромагниттік қуаттың (P_эм=EI) пайда болуына жұмсалады.

Тұрақты ток қозғалтқышының негізгі сипаттамалары және теңдеулері

Электр қозғалтқыштардың жұмысын бағалау үшін олардың жұмыс анықтайтын электрлік және механикалық шамалардың арасындағы негізгі тәуелділіктердің графикалық бейнелері болып табылатын сипаттамаларды қолданады.

Қозғалтқыштардың негізгі сипаттамалары: механикалық сипаттама; жүргізіп жіберу сипаттамасы; жұмыстық сипаттама; реттеу сипаттамасы; жылдамдықтық сипаттамасы.

Қозғалтқыштардың негізгі теңдеулері: қарсы э.қ.к.- тің өрнегі ; кернеулер теңдеуі ; электромагниттік момент өрнегі .

Бұл теңдеулер қозғалтқыштың аса маңызды сипаттамаларын және ерекшеліктерін талдауға мүмкіндік береді.

Тұрақты ток қозғалтқышын жүргізіп жіберу сипаттамасы. Алғашқы сәтте якорь қозғалмайды, яғни n=0. Бұл сәт үшін Е=0, Ф=0. Сондықтан қозғалтқышты жүргізіп жіберудің алғашқы сәті үшін якорь тогы немесе жүргізіп жіберудің тогы I_жж:

(11)

Якорь орамасының кедергісінің мәні R_я өте аз болғандықтан I_жж мәні номиналды мәннен ондаған есе көп мәнге жетуі мүмкін. Мұндай ток якорь орама үшін және жалпы машина үшін өте қауіпті саналады. Сондықтан қозғалтқышты іске қосу кезінде жүргізіп жіберудің тогын I_жж шектеу үшін якорь орамасына кедергісі R_жж тең, арнаулы жүргізіп жіберу реостатын бірізді жалғайды. Жүргізіп жіберу үрдісі аяқталғаннан кейін бұл реостат якорь тізбегінен алынып тасталынады.

Кедергінің R_жж мәнін жүргізіп жіберудің тогының I_жж рұқсат етілген мәніне I_жж.р сәйкес таңдайды. Бұл I_жж.р мәні номиналды токтан I_я.ном 1,6…2,5 есе ғана көп алады:

(12)

Бұл теңдеуден жүргізіп жіберу реостатының кедергісін R_жж анықтауға болады.

Механикалық сипаттама деп кернеу U=const және I_қоз=const болған кезде айналу жиілігінің n қозғалтқыштың білігіндегі моментке М тәуелділігін n=f(М) айтады.

Қозғалтқыштың кернеулер теңдеуіне э.қ.к.- тің өрнегін және электромагниттік момент өрнегінен анықталған токтың теңдеуін қойып, оны айналу жиілігіне n қатысты шешсек, онда механикалық сипаттаманың теңдеуін аламыз:

(13)

Қозғалтқыштарды қоздыру тәсілдеріне байланысты механикалық сипаттаманың пішіні әр түрлі болады.

Параллель қоздырылатын қозғалтқыштар үшін U=const және I_қоз=const болған кезде Ф= const болады. Бос жүріс режимі кезінде М=0, ал n_бж=U/c_EФ. Сондықтан механикалық сипаттаманың теңдеуі:

, (14)

ал графигі түзу сызық түрінде бейнеледі. Бұл () теңдеу бойынша алынған механикалық сипаттама табиғи немесе қатаң сипаттама деп аталады, өйткені біліктегі момент М өзгерген кезде айналу жиілігінің өзгеруі онша көп емес. Егер якорь тізбегіне R_я кедергісіне бірізді жалғанған тағы бір қосымша кедергі R_қос кіргізсек, онда жасанды механикалық сипаттама аламыз. R_қос мәні неғұрлым үлкен болған сайын, соғұрлым механикалық сипаттаманың пішіні тікірек болады (сурет).

Бірізді қоздырылатын машиналарда якорь орамасымен де және қоздыру орамасымен де бір ток жүреді, яғни I_я= I_қоз. Екіншіден, қанықпаған машинаның магнит ағыны қоздыру тогына тура пропорционал. Егер Ф= k₁ I_қоз болса, онда I_я= I_қоз= k₂ Ф болады делік. Бұл жағдайда машинаның моментін мынадай өрнек арқылы көрсетуге болады:

(15)

Бұдан

(16)

Бұл (16) теңдеуді (13) теңдеуге қойсақ, онда бірізді қоздырылатын қозғалтқыштың механикалық сипаттамасының теңдеуін аламыз:

(17)

Бұл (17) өрнек n=f(M) тәуелділігінің сипаты гиперболикалық сипатқа жуық болатындығын білдіреді. Якорь тізбегінде қосымша кедергінің болуы механикалық сипаттаманың гиперболадан ауытқуына себепші болады (сурет).

а б

сурет – Параллель қоздырылатын сурет – Бірізді қоздырылатын

қозғалтқыштың механикалық қозғалтқыштың механикалық

сипаттамасы сипаттамасы

Аралас қоздырылатын қозғалтқыштардың механикалық сипаттамасы параллель және бірізді қоздырылатын қозғалтқыштардың сипаттамаларының аралығында орналасады. Бұл қозғалтқыштарда екі ораманың - бірізді(сериестік) және параллель (шунттық) ораманың – болуымен түсіндіріледі. Орамалардың орам саны мен олармен жүретін токтарға байланысты олардың магнит ағынын тудырудағы үлесі әр түрлі болуы мүмкін. Соған байланысты бір ораманың әсері басым болуы мүмкін, демек, механикалық сипаттаманың бір түрі басым болады. Практикада параллель ораманың әсері басым болатын қозғалтқыштар жиі кездеседі.

Қозғалтқыштың айналу жиілігін реттеу

Тұрақты ток қозғалтқыштарының реттеу тәсілдері олардың негізгі теңдеулерінен (якорь тізбегінің және э.қ.к. теңдеулері) туындайды. Бұл теңдеулерден айналу жиілігінің n өрнегін шығаруға болады:

(18)

Бұл (18) теңдеуді талдау қозғалтқыштың айналу жиілігін үш түрлі тәсілмен реттеуге болатындығын көрсетеді:

- қозғалтқышқа берілетін кернеудің U мәнін өзгерту арқылы;

- магнит ағынын Ф өзгерту арқылы, ол үшін қоздыру орамасындағы токты I_қоз өзгерту болады, өйткені Ф=f(I_қоз);

- якорь тізбегінің кедергісін R_я өзгерту арқылы, ол үшін якорь тізбегіне R_я кедергісіне бірізді жалғанатын қосымша реттеу реостатын R_қос қосу керек, бұл жағдайда якорь тізбегінің жалпы кедергісі R_я+ R_қос болады.

Жоғарыда айтылғандарды ескере отырып, айналу жиілігінің n өрнегін мына түрде жазуға болады:

(19)

Параллель қоздырылатын қозғалтқыштың айналу жиілігін аталған тәсілдер арқылы реттеуді қарастырайық.

Кернеуді U өзгерту арқылы айналу жиілігін реттеу. U кернеуі берілген қозғалтқыш механикалық сипаттаманың 1 нүктесіне сәйкес режимде жұмыс жасағанда айналу жиілігі n₁, ал моменті М жүктеме тудырған кедергінің моментіне М_кед тең болсын делік. Егер кернеудің мәні U₁ < U дейін азайса, онда басқа механикалық сипаттамаға көшуге тура келеді. Бұл сипаттаманың көлбеуі бұрынғыдай, өйткені ол кернеуге тәуелді емес (13 өрнек). Ал бос жүріс кезіндегі айналу жиілігінің мәні n_1бж бұрынғы мәннен n_бж төмен болады: n_1бж=U₁/c_EФ < n_бж.

Қозғалтқыштың қысқыштарындағы кернеу азайған сайын (I_қоз=const, Ф=const және М_кед= const болған кезде) якорь тізбегіндегі ток та, демек, электромагниттік момент те М азаяды (6 өрнек). Бірақ айналу жиілігі тұрақты болады, өйткені айналып тұрған бөліктердің инерциясы болғандықтан ол бірден өзгере алмайды. Сондықтан алғашқы механикалық сипаттаманың 1 нүктесінен соңғы механикалық сипаттаманың параметрлері n₁ және М₁ < М_кед болатын 2 нүктесіне өтеміз. Динамикалық тежеу моменті М_д= М - М_кед < 0 пайда болады, соның нәтижесінде қозғалтқыштың айналу жиілігі азая бастайды. Бұл өз кезегінде қарсы э.қ.к.-тің Е (5 өрнек) азаюына, демек, якорь тогының (7 өрнек) және электромагниттік моменттің (6 өрнек) көбеюіне алып келеді. Қозғалтқыштың тежелуі біртіндеп азаяды, жылдамдықтың да азаюы тоқтала бастайды. Өтпелі үрдіс аяқталған соң моменттер теңдестігі М = М_кед қалыптасады, бірақ ол n₂ < n₁ айналу

Сурет- Қозғалтқыштың айналу Сурет - Қозғалтқыштың айналу

жиілігін кернеуді өзгерту арқылы жиілігін реостат арқылы реттеу

реттеу

жиілігінде орындалады. Қозғалтқыш соңғы сипаттаманың 3 нүктесіне сәйкес келетін жаңа режимде жұмыс жасайды.

Кернеуді жоғарлату арқылы қозғалтқыштың айналу жиілігін арттыру (номиналды жиілікке дейін) үрдісі керісінше өтеді.

Қосымша реостат арқылы реттеу. Механикалық сипаттаманың 1 нүктесіне сәйкес режимде жұмыс жасағанда (R_қос=0 болғанда ) қозғалтқыштың айналу жиілігі n₁, ал моменті М = М_кед болсын делік. Якорь тізбегіне қосымша кедергі R_1қос > 0 енгізген кезде қозғалтқыштың жұмыс режимі жасанды сипаттаманың 2 нүктесіне көшеді, бұл жағдайда жиілік бұрынғы деңгейде, ал моменттің М₁ мәні төмен болады. Моменттің М мәнінен М₁ мәніне дейін төмендеуі якорь тізбегіне қосымша R_1қос кедергісін ендіруге байланысты якорь тогының азаюымен түсіндіріледі. М₁ < М_кед болғандықтан қозғалтқыштың айналу жиілігі азая бастайды. Бұл жағдайда қарсы э.қ.к. Е азаяды да, ал якорь тогы және электромагниттік момент көбейе бастайды. Жасанды сипаттаманың 3 нүктесіне сәйкес келетін жаңа режим орныққанда М = М_кед , ал n₂ < n₁ болады. М_кед= const болғанда якорь тогы бұрынғыдай болады. Сондықтан қозғалтқыш тұтынатын қуат өзгермейді, ал механикалық қуат Р_мех=кМ n азаяды. Бұл қозғалтқыштың п.ә.к.-інің күрт төмендеуіне әкеледі. Сондықтан қосымша реостат арқылы айналу жиілігін реттеу экономикалық жағынан тиімсіз.

Магнит ағынын өзгерту арқылы айналу жиілігін реттеу үшін қоздыру орамасының тізбегіне енгізілген реттеу реостатының R_қоз.р көмегімен қоздыру тогын өзгертеді.

Максимал қоздыру тогы I_қоз мен максимал (номинал) магнит ағынына Ф_ном сәйкес келетін табиғи сипаттаманың 1 нүктесіне сәйкес режимде жұмыс жасағанда (R_қоз.р=0 болғанда) қозғалтқыштың айналу жиілігі n₁, ал моменті М = М_кед болсын делік. R_қоз.р кедергісін көбейткен кезде қоздыру тогы I_қоз мен магнит ағыны Ф азаяды, яғни Ф₁< Ф_ном. Бұл, біріншіден, бос жүріс кезіндегі айналу жиілігін n_бж=U/c_EФ көбейтеді, екіншіден, механикалық сипаттаманың көлбеу бұрышын арттырады. Бұл жағдайда қозғалтқыш бастапқы айналу жиілігін n₁ өзгертпей мәні азайған магнит ағынына сәйкес келетін басқа механикалық сипаттаманың 2 нүктесіне көшеді. Бұл қарсы э.қ.к. Е азаюына, демек, якорь тогы I_я көбеюіне әкеледі. Электромагниттік момент те М көбейіп, оның мәні М_кед мәнінен асып кетеді. Бұл айналу жиілігінің көбеюіне, соның нәтижесінде қарсы э.қ.к. Е көбеюіне әкеледі. Қарсы э.қ.к. Е көбейген сайын якорь тогы мен қозғалтқыш моменті азаяды. Механикалық сипаттаманың 3 нүктесінде М = М_кед болған кезде жаңа тұрақталған режим қалыптасады, бұл кезде айналу жиілігі бастапқы жиіліктен n₁ үлкен болады: n₂> n₁.

а) б)

Сурет – Айналу жиілігі магнит ағынын өзгерту арқылы реттелетін қозғалтқыштың сұлбасы (а) және сипаттамасы (б)

Магнит ағынының күрт азаюы (қоздыру тізбегі үзілген жағдайда Ф=0) якорьдің айналу жиілігі n мен якорь тогы I_я қатты өседі. Бұл коллекторда ұшқынның көбеюіне және ортадан тепкіш күштердің әсерінен қауіпті жағдайлардың пайда болуына себепші болады. Мұндай жағдайда, яғни Ф →0, n→∞ ұмтылған жағдайда, қозғалтқыш «враснос» (шектен шығу) режиміне көшті дейді.

Қозғалтқыштың айналу жылдамдығын реттеудің қарастырылған тәсілдері жекелей немесе бірге қолданылатынын атап өткен жөн.

Қозғалтқыштың айналу бағытын өзгерту

Якорьдың айналу бағыты якорь тогының және магнит ағынының бағыттарына байланысты оң қол ережесі бойынша анықталады.

Бұдан якорьдың айналу бағытын өзгерту үшін магнит ағынының немесе якорь тогының бағытын өзгерту керек екендігі туындайды. Ол үшін қоздыру орамасының немесе якорь орамасының ұштарын ауыстырып қосады. Мұндай ауыстырып қосу екі жұп түйіспелері (В «вперед» және Н «назад») бар, реверсор деп аталатын арнаулы аппарат арқылы жүзеге

асырылады. Машинаны магнитсіздендірмеу үшін, әдетте, якорь тогының бағытын өзгертеді.

Егер магнит ағынының бағытын да, якорь тогының бағытын да өзгертсе, онда қозғалтқыштың айналу бағыты өзгермейді.

Қозғалтқышты электрлік тежеу

Үйкеліске негізделген механикалық тежеудің әр түрлі тәсілдерінен басқа, қозғалқышты тез тоқтату үшін электрлік тежеу кеңінен қолданылады.

Электрлік тежеу қозғалтқышта айналу моментіне қарсы бағытталған, ал оны желіден ажыратқан кезде инерция моментіне қарсы бағытталған тежеу моментін тудыруға негізделген.

Электрлік тежеудің үш тәсілі қолданылады: динамикалық (реостаттық), рекуперативтік (электр энергиясын желіге қайтарумен байланысты тежеу) қарсы қосу арқылы тежеу.

Айталық, жұмыс істеп тұрған қозғалтқышты динамикалық (реостаттық) тежеу режиміне көшіру үшін оны желіден ажыратады да, арнаулы жүктемелік кедергіге – тежеу реостатына R_т қосады. Бұл кезде машина қозғалтқыштық режимнен генераторлық режимге көшеді. Якорь орамында э.қ.к. Е пайда болады, ал якорь тізбегі тежеу реостаты арқылы тұйықталғандықтан онымен генераторлық тежеу тогы жүреді:

Қарастырылған тежеу режимі кезіңде якорь айналу бағыты өзгермейді. Сондықтан қозғалтқыштық режимнен генераторлық режимге көшкен кезде машина магнитсізденбеуі үшін қоздыру орамасының ұштарын ауыстырып қосады. Қоздыру орамасындағы ток I_қоз және магнит ағыны Ф бұрынғы бағыттарын сақтайды. Айналу бағыты бұрынғыдай болғандықтан э.қ.к.- тің Е бағыты бұрынғыдай болады, ал якорь тогы I_я бағытын өзгертеді.

Бұл ток I_я тудыратын момент якорьге тежейді, ал өндірілген электр энергиясы тежеу реостатында жылуға айналады.

Қозғалтқыштың айналу жиілігі азайған сайын э.қ.к. және якорь тогы азая бастайды, демек, тежеу моменті де азаяды. Сондықтан якорь тогы мен тежеу моментінің мәндерін азайтпау үшін тежеу реостатын бірнеше секциялардан құрайды да, жылдамдықтың азаюына байланысты секцияларды біртіндеп тізбектен ажыратады.

Рекуперативтік тежеу қозғалтқыштық режимнен генераторлық режимге көшуге негізделген. Оның динамикалық тежеуден айырмашылығы: тежеу кезінде механикалық энергиядан туындаған электр энергиясы тежеу реостатында пайдасыз жылуға айналып кетпейді, ол желіге қайтарылады.

Бірізді қоздырылатын қозғалтқыш энергияны желіге беретін генератор болып жұмыс істеу үшін екі шарт орындалуы керек: біріншіден, қарсы э.қ.к.- тің Е бағыты бұрынғыдай болып, мәні желінің кернеуінің U мәнінен үлкен болуы керек, яғни Е > U (осы жағдайда ғана якорь тогы өзінің бағытын өзгертіп, рекуперативтік генераторлық ток бола алады); екіншіден, тежеу режиміне көшкен кезде машина магнитсізденбеуі үшін қоздыру орамасындағы ток өз бағытын өзгертпеуі керек.

Осы шарттар орындалуы үшін машинаны тәуелсіз қоздыру тәсіліне көшіреді. Қоздыру орамасының тізбегіне реттеу реостатын R_қоз.р кіргізіп, арнаулы тұрақты ток көзіне қосады. Реостаттың R_қоз.р кедергісін өзгерту арқылы қоздыру тогын I_қоз, демек, магнит ағынының Ф мәнін реттейді. Ал магнит ағынының Ф өзгерісі машинаның э.қ.к.-інің Е, рекуперативтік токтың I_рек =(E-U)/R_я және тежегіш электромагниттік моменттің M_т=c_м I_рек Ф мәнін өзгертеді. Рекуперативтік токты реттеуді, демек, тежеу қарқынын реттеуді кең ауқымда жайлап жүргізуге мүмкіндік туады.

Қарсы қосу арқылы тежеу якорь орамасының ұштарын ауыстырып қосу арқылы жүзеге асырылады.

Қозғалтқыштық режимде жұмыс жасап тұрған машинаның якорінің орамасының ұштарын ауыстырып қосу арқылы оған кері полярлы кернеу U берейік, бірақ қоздыру тогының бағытын ( магнит ағынының бағытын) өзгертпейміз. Якорьдың айналу бағыты мен машинаның э.қ.к.-інің Е бағыты бұрынғыдай болғандықтан олар берілген кернеумен U үйлесімді бір бағытта әрекет етеді. Бұл жағдайда якорь тогы I_я =(E+U)/R_я тең , ал бағыты тежеуге дейінгі бағытқа қарама-қарсы болады. Магнит ағынының бағыты өзгермеген жағдайда якорь тогының бағытының өзгеруі машинаның моментінің бағытын өзгертеді. Ол момент енді айналдырушы моменттен тежеуші моментке айналады. Осылайша қозғалтқыштың якорі тежеледі.

Қозғалтқышқа көбейген кернеу (E+U) берілген тежеу үрдісінің алғашқы сәттерінде токтың шамадан тыс үлкейіп кетпес үшін қосымша шектегіш кедергі R_ш.қос арқылы токты қажетті мәнге дейін азайтады.

Қарсы қосу арқылы тежеу үлкен тежегіш момент болуына байланысты қозғалтқыштың тез тоқтауын қамтамасыз етеді.