1. 3. Тұрақты ток машиналарының жұмыс жасау принципі

Тұрақты ток машинасының жұмыс жасау принципін функционалдық сызбанұсқасы 1.5 - суретте көрсетілген қарапайым тұрақты ток машинасының негізінде қарастыруға болады.

Генераторлық режим. Генераторлық режимде тұрақты ток машинасын бір немсе w бірнеше тармақтардан құралатын, сыртқы күштердің әсерінен n айналу жиілігімен сағат тілімен бағыттас бағытта айналатын рамка ретінде қарастыруға болады. Бұл жағдайда бір немесе w бірнеше тармақтан құралатын рамка тұрақты магнит немесе электромагнит арқылы пайда болатын магнит өрісінде айналады.

Электромагнитті индукция заңына сәйкес якорь орамдарында электр қозғағыш күші (ЭҚК) пайда болады:

, (1.1)

мұндағы – ағындар тоғысуы; w – тармақ саны, B – якорь мен полюстер арсындағы бос ауа қуысындағы магниттік индукция; S – орамдарды қиып өтетін магнит ағыны өтетін көлденең қима.

ЭҚК бағыты оң қол ережесі бойынша анықталады. Бұл ережеге сәйкес магнит ағыны алақанды қиып өтетін болса, бас бармақ айналу бағытын көрсетеді, ал қалған саусақтар ЭҚК бағытын көрсетеді.

Бұл жағдайда орам бір тармақтан немесе өткізгіштен құралған. Орамға енгізілген ЭҚК мәні мына өрнекпен анықталады:

,

мұндағы – өткізгіштің активті ұзындығы, яғни машинаның магнит өрісінде орналасқан ұзындық; – өткізгіш қозғалысының сызықты жылдамдығы.

Екі орамға да енгізілетін ЭҚК мәндері симметриялылыққа байланысты бірдей болады және олар сұлба бойынша бір-біріне қосылатын болғандықтан, толық ЭҚК мынаған тең:

, (1.2)

мұндағы ЭҚК айнымалы шама болып табылады, яғни якорь орамдарының өткізгіштері оң және сол полюстер арқылы кезек өтетін болғандықтан, өткізгіштердегі ЭҚК бағыты да өзгермелі. Өткізгіштің бойындағы ЭҚК қисығының формасы уақытқа байланысты бос ауа қуысындағы индукцияның В таралу қисығына сәйкес болады.

Екі полюсті машинада ЭҚК жиілігі f айналу секундымен өрнектелетін якорьдің айналу n жиілігіне тең.

,

ал, жалпы алғанда, егер машинаның р полюстер жұбы болса, онда:

. (1.3)

Егер якорь орамы щеткалар арқылы сыртқы тізбекпен тұйық тізбек құрайтын болса, онда бұл тізбек арқылы тогы өтеді. Якорь орамдарында бұл ток айнымалы болады, бірақ коллектордың қызметіне байланысты сыртқы тізбекте ток тұрақты болып табылады.

Сонымен, генераторлық режимде коллектор арнайы электромеханикалық түзеткіш қызметін атқарады.

(7) коллектор 1.5 - суретте көрсетілгендей, машинаның білігінде орналасқан және бір-бірінен оқшауланған көптеген пластиналардан және оларға жанасқан щеткалардан құралады. Щеткалар кеңістікте келесі тәртіппен орналасуы қажет, яғни ЭҚК нөл арқылы өткенде коммутация жасайтындай болып орналасуы керек. Рамкалар саны көбейген сайын, тиісінше коллектор пластиналарының саны артқан сайын кернеудің пульсациясы төмендейді, мысалы, сегіз коллекторлық пластиналарда кернеудің пульсациясы 1% -дан аспайды, яғни сыртқы тізбектегі ток тұрақты деп есептеуге болады.

Генератордың якорының ұштарындағы тұрақты ток кернеуі якорь орамдарының кедергісіндегі кернеудің төмен түсу шамасына кем болады:

. (1.4)

Бойынан тогы өтетін якорь орамдарының өткізгіштері магнит өрісінде орналасқандықтан, оларға бағыты сол қол ережесімен анықталатын электромагниттік күштер әсер етеді:

, (1.5)

Бұл ережеге сәйкес, егер магнит ағыны алақанды қиып өтетін болса бас бармақтың бағыты осы орамдарға әсер ететін күштің бағытын көрсетеді, ал басқа саусақтардың бағыты токтың бағытын көрсетеді.

Электромагниттік күштер электромагниттік иінкүш (момент) деп аталатын механикалық күш туғызады, ол күш келесі өрнекпен анықталады:

, (1.6)

мұндағы D_я – якорь диаметрі.

1.5 - сурет. Қарапайым тұрақты ток машинасының жұмыс істеу принципі:

а – генератор режимі; б – ­ қозғалтқыш режимі

Жоғарыдағы 1,5 а - суреттен көрініп тұрғандай, генераторлық режимде бұл күш якордың айнлу бағытына қарсы бағытталған және тежегіш болып табылады.

Қозғалтқыш режимі. Егер якорь орамдарына сыртқы ток көзінен тұрақты ток кернеуін беретін болсақ, тұрақты ток машинасы қозғалтқыш режимінде жұмыс жасайды. Бұл кезде якорь орамдарына F_пр электромагнитті күштері әсер етеді, олар (1.5) и (1.6) сәйкес анықталады. М_эм мәні жеткілікті болса, машинаның якоры қозғалысқа келеді және механикалық күш туғызады. Бұл кезде М_эм қозғағыш болып табылады және айналу бағытымен бағыттас болады.

Қозғалтқыштық режимде коллектор ток көзінен алатын тұрақты токты айнымалыға түрлендіріп, якорь орамдарына береді, яғни коллектор механикалық инвертор қызметін атқарады.

Якорь орамдары магнит өрісінде айналатын болғандықтан, олардың бойында (1.2) теңдігімен анықталатын ЭҚК енгізіледі. Бұл ЭҚК бағыты генератордағы ЭҚК бағытындай болады. Сонымен, қозғалтқышта ЭҚК ток мен кернеуге қарсы бағытталған.

Якорь орамдарына берілген кернеуі якорь орамдарындағы кернеу төмендеуі мен ЭҚК теңеседі:

. (1.7)

Жоғарыдағы (1.4) және (1.7) теңдіктерден көрініп тұрғандай, генераторда , ал қозғалтқышта .

Кері қайтымдылық принципі. Жоғарыда айтылғандарға сәйкес тұрақты ток машиналары генератор ретінде де, қозғалтқыш ретінде де жұмыс істей алады. Бұл қасиет барлық электр машиналарына ортақ және кері қайтымдылық принципі деп аталады.

Полюстер мен щеткалардың полярлығы және айналу бағыты өзгеріссіз кезде тұрақты ток машинасын генератор режимінен қозғалтқыштыққа немесе керісінше ауыстыру үшін якорь орамдарындағы ток бағытын өзгерту жеткілікті, сондықтан мұндай ауыстыру қарапайым жекелеген жағдайларда автоматты түрде орындалады.

Энергия түрленуі. 1.5 - суретте тұрақты ток генераторы мен қозғалтқышының якорындағы механикалық және электрлік шамалардың әсер ету бағыттары көрсетілген.

Ньютонның бірінші заңына сәйкес денеге әсер ететін қозғағыш және тежегіш иінкүштер бір-бірімен теңгеріледі. Сондықтан генераторда қалыптасқан жұмыс режимі кезінде электромагнитті иінкүш шығындарды қоса есептегендегі генератордың білігіне берілген иінкүшпен теңгеріледі, яғни:

, (1.8)

мұндағы: – генератор білігіне берілетін иінкүш; – мойынтректердің коллектор мен ауаға үйкеліс күші; – тежегіш иінкүш, якорь өзекшесіндегі құйынды токтар мен гистерезис шығындарына сәйкес келеді.

Бұл қуаттың шығындары якорь өзекшесінің қозғалыссыз магнит өрісінде айналуына байланысты пайда болған қуат шығындарына сәйкес келеді.

Қозғалтқыштың қалыптасқан жұмыс режимі кезінде

, (1.9)

мұндағы – біліктегі тежегіш иінкүш.

Генераторда электромагнитті иінкүш тежегіш болса, қозғалтқышта – айналдырғыш болып табылады және екі жағдайда да және бағыттары бойынша бір-біріне қарама-қарсы.

Электромагнитті момент туғызатын қуат электромагниттік деп аталады және:

, (1.10)

, (1.11)

мұндағы – якорьдың айналу жиілігі, – якорьдың айналу жиілігі, айн/с.

(1.6) және (1.11) теңдіктердегі және мәндерін (1.10) өрнегіне қоятын болсақ және якорьдың шеңбер бойындағы сызықты жылдамдығы:

,

машинаның электромагниттік қуатының теңдігін аламыз:

,

немесе (1.2) теңдікке сәйкес

. (1.12)

Якорь орамдарындағы ЭҚК және тогы әсері нәтижесінде якорьдағы электр қуаты:

. (1.13)

(1.12) және (1.13) теңдіктерден көрініп тұрғандай:

.

Бұл дегеніміз, якорьдың электр қуаты электромагниттік иінкүш туғызатын электромагниттік иінкүшпен теңесетінін көрсетеді, яғни генератордағы механикалық энергияның электрлікке, ал қозғалтқышта керісінше үрдістің жүретінін көрсетеді.

Егер (1.4) және (1.7) өрнектерін якорь тогына көбейтсек, генератор үшін қуаттың теңдігін аламыз:

(1.14)

және қозғалтқыш үшін

. (1.15)

Бұл теңдіктердің сол бөлігі якорь ұштарындағы электр қуатына, оң жақтағы бөліктің бірінші құраушысы якорьдың электромагниттік қуатын, ал екінші құраушысы якорьдағы электр қуаты шығындарына сәйкес келеді.

Бұл келтірілген арақатынастар қарапайым тұрақты ток машинасы үшін алынған, бірақ жалпы жағдайда олар якорь орамдары күрделі машиналарға да дұрыс болып табылады, себебі жекелеген орамдардың ЭҚК мен иінкүштері бір-бірімен қосылады. Бұл өрнектер энергияның сақталу заңына сәйкес келеді және тұрақты ток машиналарындағы энергияның түрлену үрдісін сипаттайды.

Магнит индукциясын В қоздыру магнит ағыны арқылы сипаттауға болады:

,

мұндағы – полюс ұштарының ауданы; p – полюстер жұбының саны; – якорь диаметрі.

Егер тұрақты ток машинасында – якорьдағы өткізгіштер саны және а – парллель тармақтар саны болса, онда (1.1) өрнекті ескеретін болсақ, ЭҚК мына өрнекпен анықталады:

, (1.16)

мұндағы – машинаның орамдарына байланысты анықталатын тұрақты коэффициент.

Сонымен, тұрақты ток машинасының ЭҚК қоздыру магнит ағынына, айналу жиілігіне және орамдардың берілгендеріне байланысты.