52) Устройство машины постоянного тока. Способы и схемы возбуждения

а) Общие сведения

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основ­ное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возмож­ности плавного регулирования частоты вращения и получения боль­ших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электри­ческом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности приме­няются в системах автоматического регулирования, где они исполь­зуются не только для привода исполнительных механизмов, но и как датчики частоты вращения подвижных частей регулируемой системы. Генераторы постоянного тока находят применение в системах электропитания специального оборудования, например в радиотехни­ческих установках, при зарядке аккумуляторов, для: питания электро­литических ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока яв­ляется их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию це­пей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надеж­ность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком применения двигателей постоянного тока является необ­ходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Б) Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вра­щающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной мо­мент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном.

Н еподвижная часть состоит из станины (рис. 13.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы для возбуждения главного

магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника полюса, набранного из листо­вой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки воз­буждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным нако­нечником для создания требуемого рас­пределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 13.2). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно по­стоянен. Дополнительные полюсы уста­навливаются на станине между основ­ными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, кото­рые соединяются последовательно с яко­рем.

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее отно­сительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В маши­не постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали (рис. 13.3, а) толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря (рис. 13.3, б) обычно состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 13.4). Щетку 1 к кол­лектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверса крепится соосно с якорем так, что ее м ожно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Х арактерной частью электрических машин постоянного тока яв­ляется коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 13.5). Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводниками 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря.

Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим кон­тактом между щетками и коллек­тором.

Как и все электрические маши­ны, машина постоянного тока об­ратима. Она работает в режиме генератора, если ее вращает пер­вичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях ЭДС, ин­дуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток.

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу машины тормозной момент, который преодолевается первич­ным двигателем. Генератор преобразует меха­ническую энергию в электрическую.

В двигательном режиме цепи якоря и воз­буждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу ма­шины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Таким образом, одна и та же машина может быть использована в качестве генератора или двигателя. Важнейшим классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Одним из них является использование постоянных магнитов на полюсах ма­шины. Во многих современных машинах главное магнитное поле воз­буждается с помощью электромагнитов. Для этого используется об­мотка возбуждения с током возбуждения, размещенная на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоян­ного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двига­теля зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, по­следовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть независимы одна от другой, в соответ­ствии с чем принято различать параллельное, по­следовательное, смешанное и независимое возбуж­дение машин. Практически весьма ценно то об­стоятельство, что мощность цепи возбуждения при любом способе включения обмотки возбуждения от­носительно мала — примерно 5% номинальной мощности у малых машин и менее 1 % — у машин большой мощности. Это делает возможным экономичное управление работой машины по­стоянного тока (напряжением генератора, угловой скоростью враще­ния двигателя).

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения подключается к независимому источнику электроэнергии (рис. 13.6), благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Сечение проводов обмотки возбуждения в этих машинах выбирается в зависимости от напряжения источника тока возбуждения. Характерным для этих машин является независимость главного магнитного по­тока от нагрузки машины.

У машин с параллельным возбужде­нием цепь обмотки возбуждения соеди­няется параллельно с цепью якоря (рис. 13.7, а). В этом случае ток возбужде­ния I_в во много раз меньше тока якоря (0,05—0,01), а напряжение U между вы­водами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление

обмотки возбуждения (r_в = U/ I_в) должно быть относительно вели­ко. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков w_nаp из тонкого провода и благодаря этому об­ладает значительным сопротивлением. Характерно для машин парал­лельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, по­стоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

У машин с последовательным возбуждением ток якоря I_я равен току обмотки возбуждения (рис. 13.7, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока I_я в обмотке последова­тельного

возбуждения велико, благодаря чему для получения необхо­димой МДС (I_я w_noс) достаточно, чтобы эта обмотка имела малое число витков w_noс. Следовательно, сопротивление обмотки последовательного возбуждения r_в относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изме­нениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, который является одновременно и током возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сер­дечнике расположены две обмотки (рис. 13.8)

Одна из этих обмоток, подключаемая параллельно якорю, явля­ется основной. Создаваемая ею МДС (I_пар w_пар) возбуж­дает главное магнитное поле.

Вторая обмотка w_noс лишь дополнительно воздей­ствует на это магнитное поле. В зависимости от преоб­ладания МДС, созданных последовательной или парал­лельной обмоткой возбуждения, машина по своим характеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой воз­буждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения приме­няется согласное соединение, т. е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток име­ют противоположное направление, применяется в немногих специаль­ных случаях.