Landsberg-1985-T2

167.1.Ротор генератОра переменного тока имеет 42 пар полюсов

?и вращается с частотоi 1500 оборотов в мину.ту. l(aK.o8a частота электрического тока? Сколько раз в секунду этот ток меняет

свое направление?

Поэтрму такие генераторы обычно приводятся в движе­

ние сравнительно тихоходными водяными турбинами или двигателями внутреннего сгорания. При работе же с паро­

выми турбинами, вращающимися с частотой 1500-3000 обо­

ротов в минуту, применяется несколько иная конструкция

ротора (индуктора). Ротор ,не имеет выступов, а представля­

ет собой гладкий цилиндр,· на наружной поверхности ко­ торого В пазах уложена обмотка. При большой частоте вра­

щения это выгоднее, потому что выступы на роторе созда­

ют воздушные вихри и увеличивают механические потери.

Форма полюсных наконечников на выступах ротора спе­

циально рассчитывается так, чтобы индуцированная в об­

мотке э. д. с. изменялась со временем по закону синуса. т. е.

чтобы форма напряжения и тока. даваемого генератором.

была синусоидальной.

Статор генератора - его неподвижная часть - пред­

ставляет собой железное кольцо. в пазах которого уложены

Рис. 328. К упражнению 167.2

обмотки якоря. Для уменьшения потерь на токи Фуко (§ 143) это кольцо делается не сплошным, а состоящим из

отдельных тонких листов железа, изолированных друг от

Др'уга.

1) 167.2. На рис. 328 показан схематически разрез генератора, у

•которого и катушки возбуждения 1 и катушки индукционные 11

намотаны, как показано, на статоре, а porop имеет вид зубчатого колеса и не несет никаких катушек. Объясните, почему в зтом случае в катушках 11 возникает индукционный ток?

414

§ 168. fеиераторы постояиноro тока. Мы уже указывали

(§ 166), что хотя в технике применяется преимущественно пе­

ременный ток, однако во многих случаях бывает необходим и ток постоянный. Такой ток можно получить, либо преоб­

разуя перемениый ток, получаемый от общих сетей, в по­ стоянный С помощью рассмотренных в § 166 выпрямитель­

ных устройств, либо используя специальиые генераторы nостоянного тока. Применение последних оказывается часто

более выгодным и удобным.

Ге.нераторы постоянного тока представляют собой обыч­

ные индукционные генераторы, снабженные особым приспо~

соблением - так называемым коллектОРQ,М,- дающим 803-

Рне. 329. Схема генератора постоянного тока: 1 - полукольца кол­

лектора, 2 - вращающнйся якорь (рамка), 3 - щетки для съема ин­

дукционного тока

можность превратить переменное напряженне на зажимах

(щетках) машины в постоянное.

Принцип устройства коллектора ясен из рис. 329, на котором изображена схема простейшей модели генератора

постоянного тока с коллектором. Эта модель отличается от рассмотренной выше модели генератора переменного тока

-(рис. 288) лишь тем, что здесь концы якоря (обмотки) сое­ динены не с отдельными кольцами, а с двумя полукольцами J, разделенными изолирующим материалом и надетыми на об­ щий цилиндр, который вращается на од.ноЙ оси с рамкой 2. 1( вращающимея полукольцам прижимзются пружииящие.

415

контакты (щетки) 3, с помощью которых индукционный ток отводится во "внешнюю сеть. При каждом полуобороте рам­

ки концы ее, припаянные к полукольцам., переходят с од­

ной щетки на другую. Но направление индукционного тока

в рамке, как бвто разъяснено в § {51, тоже меняется при

каждом полуобороте рамки. Поэтому, если переключения

в кол~екторе происходят в 'ге же моменты времени, когда

меняется направление тока в рамке, то одна из щеток всег­

да будет являться положительным полюсом генератора, а

другая - отрицательным, т. е. во внешней цепи будет идти

ток, не меняющий своего направления. Можно сказать, что

спомощью коллектора мы производим выпрямление пере­

менного тока, индуцируемого в якоре машины.

График' напряжения на зажимах такого генератора,

якорь которого имеет одну рамку, а коллектор состоит из

двух полуколец, изображен на рис. 330. Как видим, в этом

случае напряжение на зажимах генератора, хотя и является

прямым, т. е. не меняет своего напраВления, но все время

VV=VV:~

о 1/2 Т ;00

Рис. 330. Зависимость напряжения на зажимах генератора постоян·

ного тока от времени

меняется от нуля до максимального значения. Такое на­ пряжение и соответствующий ему ток часто называют nря­ -мы-м пульсирующим током. Нетрудно сообразить, что на­

пряжение или ток проходят весь цикл своих изменений за

время одного полупериода переменной э. д. с. в обмотках

генератора. Иначе говоря, частота пульсаций вдвое больше

частоты переменного тока.

Чтобы сгладить эти пульсадии и сделать напряжение не

только прямым, но и постоянным, якорь генератора состав­

ляют из большого числа отдельных катушек, или секций, сдвинутых на определенный угол друг относительно друга,

а коллектор составляют не из двух полуколец, а из соответ­

ствующего числа пластин, лежащих на поверхности ци­

линдра, вращающегося на общем валу с якорем. Концы каж­ дой секции якоря припаивщотся к соответствующей паре пластин, разделенных изолирующим материалом. Такой

якорь называют якорем барабанного типа (рис. 331).

416

поле (рис. 335, а). На рис. 333показана только одна пара

полюсов N и S; на практике обычно в статоре размещают не­

сколько пар таких полюсов. Все их обмотки соединяют

Рис. ЗЗЗ. Схема генератора ПОСТОIrННОГО тока с четырьмя секциями

якоря и четырьмя пластина~и на коллекторе

последовательно, и концы выводят на зажимы т и n, через

которые в них подается ток. создающий в машине магнит­

ное поле.

Рис. 834. Внешний вид reHeD~IТOI)a

так как выпрямление происходит лишь на коллекто­

ре. машины, а 8 каждой секции индуцируется перемеи-

4"

ный ТОК, то воизбежание сильного нагре\)ания токами Фуко

сердечник якоря дenают не сплошным. а набирают из от­

депьных стальных листов, на краю которых вышамповыы­

ваются выемки для активных проводников якоря, а в цент-

а) о)

Рис. 335. детали генератора постоянного тока: а) пomoсный сердечник

с обмоткой возбуждения; б) стальной лист якоря с отверстием в центре

ре - отверстие ДЛЯ вала со шпонкой (рис. 335; б). Эти листы

изолируются друг от друга бумагой или лаком.

168.1.Почему статор генератора леременного тока собира~тся

?из O'i'дельных стальных листов, а статор генератора ЛОе'Гоянного

тока лредставляет собой массивную стальную или чугунную

Схему соединения отдenьных секций обмотки якоря с пластинами коллектора м'ожио уяснить себе из рис. 333.

Здесь круг с вырезами изображает задний торец жenезного

сердечника, в пазах которого уложены длинные провода

отдenьных секций, параллenьные оси цилиндра. Провода эти, обычно называемые в электротехнике активными, перенумерованы на рисунке цифрами 1-8. На задней тор­

цевой стороне якоря эти провода соединены попарно так

называемыми соединитenьными проводами. которые на ри­

сунке изображены штриховыми линиями и отмечены бук­

вами а, Ь, с, d. Как видим, каждые два активных провода и один соединительный образуют отдenьную рамку - сек­ цию якоря, свободные концы которой припаяны к паре

пластин коллектора.

Первую секцию составляют активные провода 1 и 4 и соединитenьный провод а; концы ее припаяны к коллектор­

ным пластинам 1 и 11. К той же плаСТИllе 11 припаян сво­

бодный конец активного провода 3, который вместе с актив­ ным проводом 6 и соединитenьным проводом Ь образует

вторую секцию; свободный конец ЭТОЙ секции припаян к

колл~кторной пластине 111, и к той же пластине припаяп

конец треТI!eЙ секции, состоящей из' активных проводов 5

и 8 и соединительного провода с. Другой свободный конец третьей сеКЦИИ'припаян к коллекторной п~астине IV. На­

конец, четвертую секцию составляют активные провода 7'И

2 и соединительный лровод d. Концы этой секции припаяны

соответственно к коллекторным пла.стинам IV и 1.

Мы видим, таким образом, что все секции якоря бара­

банного типа соединены друг с другом так, что они обра­

зуют одну замкнутую цепь. Такой якорь называют поэтому

короmкозамкнуmblJrt;

Пластины коллектора I-IV и щетки Р и Q показаны

на рис. 333 в той же плоскости, но на самом деле они, так

же как и провода, соединяющие их с концами секций и

изображенные на рисунке сплошными линиями, находятся на противоположной стороне цилиндра.

Разберем подробнее эту схему, чтобы выявить основные прннципи­ IJльные особенности конструкции и работы якоря барабанного типа.

Щетки Р и Q прижимаются к паре противоположных пластин кол­ лектора. На рис, 336, а изображен момент, когда щетка Р касается пла­

о)

Рис. 336. Схема присоединения секций якоря к щеткам в два момента времени, отстоящие на четверть периода: а) одна ветвь содержит секции

включенным между ними ветвям: либо через секции '1 и 2, либо через

секции 4 и 3, как это схематически показано на рис. 336, а. Через чет­

верть оборота щетки будут касаться пластин II и IV, НО опять между ними окажутся две параллельные ветви с секЦИЯМИ 4 и 1 в одной ветви

и 2 и 3 - в другой (рис. 336, 6). То же будет иметь место и в другие мо-

менты вращения якоря. - Таким образом, короткозамкнутая цепь якоря в любой момент вре­

мени распадается между щетками на две параллельные вe-m.и, в каждую

из которых последовательно включена, половина секций якоря.

'420

При вращении якоря в поле индуктора в каждой секции индуциру­ ется переменная э. д. с. Направления токов, индуцируемых внекоторый

момент времени в различных секциях, отмечены на рис. 336 стрелками.

Через половину периода все направления индуцированных Э.д. с. и

тОков изменятся на обратные, но так как в момент изменения их знака щетки меняютея местами, то во внешней цепи ток будет всегда иметь од­ но и то же направление; щетка Р всегда является положительным, а

щетка Q - отрицательным полюсом генератора. Таким образом, кол­

лектор выпрямляет переменную э. д. с., возникающую в отдельных сек­

циях якоря.

Из рис. 336 мы видим, что Э. д. с., действующие в обеих ветвях, на

которые распадается цепь якоря, направлены «навстречу» друг другу.

Поэтому, если бы во внешней цепи не было тока, т. е. к зажимам гене­

ратора не была бы присоединена никакая наг.рузка, то общая э. д. с., действующая в короткозамкнутой цепи якоря, была бы равна нулю, т. е. тока в этой цепи не было бы. Положение было бы таким же, как

Рис. 337. а) В цепи, составленной из двух включенных «навстречу" элементов, при отсутствии нагрузки тока нет. б) При наличии нагрузки элементы соединены по отношению к ней параллельно. Ток нагрузки

разветвляется и половина его проходит через каждую ветвь

при включении «навстречу» друг другу двух гальванических элементов

без внешней нагl']'ЗКИ (рис. 337, а). Если же мы присоединим к этим двум

элементам нагрузку (рис. 337,6), то по отношению к внешней сети оба

элемента окажутся включенными параллельно, т. е. напряжение на за­

жимах сети (М и N) будет равно напряжению каждого элемента. То же,

очевидно, будет иметь место и в нашем генераторе, если к его зажимам

(М и N на рис. 333) мы присоединим какую-нибудь нагрузку (лампы, двигатели и т. п.): напряжение на зажимах генератрра будет равно на­ пряжению, создаваемому в каждой из двух параллельных ветвей, на кота- 'рые распадается якорь генератора.

Э. д. с., индуцированные в каждой из этих ветвей, складываются

из э. д. с. каждой из последовательно соединенных секций, входящих

в эту ветвь. Поэтому мгновенное значение результирующей э. д. с. будет

равно СУм,щ мгновенных значений отдельных э. д. с. Но при определении

формы результирующего напряжения на зажимах генератора нужно

:учитывать два обстоятельства: а) благодаря наличию коллектора каж-' дое из складываемых напряжений выпрямляется, т. е. имеет форму,

изображаемую кривыми 1 или 2 на рис. 338; б) напряжения эти

сдвинуты по фазе на четверть. периода, так как секции, входящие в

каждую ветвь, смещены друг относительно друга на л/2. Кривая 3 на

рис. 338, полученная путем сложения соответственных ординат кривых 1 и 2, изображает форму напряжения на зажимах генератора. Как видим, пульсации на этой кривой имеют удвоенную частоту и зна­

чительно меньше, чем пульсации в каждой секцни. Напряжение и. ток в

411

цепи уже не только прямые (не меняющие направления), но и почти по­

стоянные.

Чтобы еще более сгладить пульсации и сделать ток практически совершенно постоянным, на практике помещают на якоре машины ие 4 отдельные секции, а значительно большее число их: 8, 16, 24, ... Такое же число раздельиых пластин имеется на коллекторе. Схемы соединения

при &ТОм, KOH~~HO'значительно усложняются, но принципиально такой

Рис. 338. Изменение со временем напряжения: 1 и 2 - в двух секциях

обмотки, соединенных с одной и той же парой пластин коллектора,

3 -~Ha зажимах генератора. Штриховые прямые - средние значения

соответствующих напряжений

якорь ничем не отличается от описанного. Все секции его образуют одну

короткозамкнутую цепь, распадающуюся по отношению к щеткам ма­

шины на две параллельные ветви, в каждой из которых действуют после­

довательно соединенные и смещенные по фазе друг относительно друга

9. д. с. половинного числа секций. При сложении этих э. д. с. получа­

ется почти .постоянная э. д. с. с очень .малыми пульсациями.

§ 169. Генераторы с независимым возбуждением и с само­

возбуждением. Магнитное поле в генераторах создается,

как мы говорили в § 167, электромагнитами, через обмотки которых должен проходить постоянный ток. В генераторах переменного тока ток для обмоток индуктора получают либо

от отдельной аккумуляторной батареи, либо - чаще -

от отдельного генератора постоянного тока, укрепленного

на одном валу с главным генератором (рис. 326). Такого

рода генераторы, в которых ток для создания магнитного

поля берется от отдельного источника, называются генера­

торами с незOJJUCu.мы.м возбуждением.

В генераторах постоянного тока можно использовать для создания постоянного магнитного поля постоянный

·422

ток, вырабатываемый самим генератором. Такого типа генераторы называют гЕJleратора.м.uс са.м.08озбуждеllueм. *).

Соединить цепь индуктора, цепь якоря и сеть можно

двумя различными способами, которые схематически пока­

заны на рис. 339 и 340.

ИнtJуктО/J

Якорь ~"""N~-

--...;:.=.- _ о

Зажимы

инауктора

ЗажиМа! -

ЯКОРR от 9

щеток /t:, К c~mц

Рис. 339. Схема соединення иидуктора, якоря и сети в генераторе е

посдедоватедьНым возбуждением

Kcemll

0---------[

Rп,ЧСК

Рис. 340. Схема соединения якоря, индуктора и сети в генераторе с параЛЛeJIЬНЫМ возбуждением: Rper - регу.'IИРОВОЧНЫЙ реостат в цепи индуктора, Rпуск - пусковой реостат в цепи якоря

"') Устаревшее название этого _eHepaTOp~ дUlШAlо-.машина.

423