Тема 8 МПС1

4.3. Машини постійного струму

За обсягами використання на підприємствах харчової та переробної промисловості машини постійного струму (МПС) займають друге місце після асинхронних. Тут їх частіше використовують для роботи у режимі двигуна і рідше для роботи у режимі генератора.

В двигунах постійного струму (ДПС) технічно просто здійснювати регулювання частоти обертання ротора у широких межах. При цьому, зберігаючи достатньо високий ККД, вони здатні розвивати великі тягові зусилля та мати механічні характеристики, які відповідають спеціальним вимогам. Тому, не дивлячись на те, що ДПС коштують у 2–3 рази більше за асинхронні двигуни, їх використовують там, де зазначені вище властивості мають вирішальне значення. Перед усім, це там, де при великих тягових зусиллях потрібно регулювати кількість обертів, наприклад у електротранспорті (електровози, тролейбуси, трамваї, електрокари), а також в приводах різноманітних піднімальних пристроїв. Двигуни малої потужності (від часток Вт до кількох десятків Вт) широко використовують у засобах автоматизації, різноманітних обчислювальних і вимірювальних приладах.

Генератори постійного струму (ГПС), як було показано у розділі “Синхронні машини”, необхідні при виробництві змінного струму для живлення системи збудження синхронних генераторів. На підприємствах харчової та переробної промисловості їх, в основному, використовують у системах автономного енергозабезпечення, наприклад для живлення спеціальних електротехнологічних установок або систем аварійного освітлення. У ряді галузей промисловості широко розповсюджені ГПС спеціального виконання, які мають особливі характеристики.

4.3.1. Будова машини постійного струму

Як і всі інші електричні машини МПС складається із двох головних частин – статора і ротора.

Рис. 4.53. Статор машини постійного струму

Статор (рис. 4.53) МПС являє собою циліндричну оболонку – станина 1, на внутрішній поверхні якої розташовані явновиражені стержневі головні 2 і додаткові 3 полюси – електромагніти. Кількість головних полюсів, а їх число обов’язково парне, залежить від потужності машини і частоти обертання її ротора. Найбільш розповсюджені МПС мають чотири або шість полюсів, мікромашини мають два, а у дуже потужних МПС може бути кілька десятків полюсів.

На відміну від раніше розглянутих конструкцій електричних машин, де осердя статора розташовано у станині машини через магнітоізолюючу прокладку, в МПС головні і додаткові полюси прикріплені до станини безпосередньо. Отже в МПС станина виконує функції магнітопроводу і тому її виготовляють обов’язково із сталі або чавуну.

Шихтовані осердя, як головних так і додаткових полюсів, виготовляють із ізольованої (звичайно окалиною) листової електротехнічної сталі товщиною 0,35 або 0,5 мм, а їх котушки із ізольованого мідного проводу. Візуально відрізнити головні полюси від додаткових достатньо просто. По-перше головні полюси мають більший розмір ніж додаткові. По-друге, кінці осердь головних полюсів дещо розширені у бік якоря – вони мають так звані полюсні наконечники (башмаки).

Послідовно з’єднані між собою котушки головних полюсів утворюють обмотку статора. При проходженні по цій обмотці постійного струму збуджується (індукується) магнітне поле статора. Тому статорну обмотку МПС називають обмоткою збудження, а сам статор – індуктором. Оскільки способи підведення постійного стуму до статорної обмотки можуть бути різними, то залежно від цього МПС класифікують за способом збудження (див. наступний розділ). Відповідно до способу збудження позначають і затискачі статорної обмотки, які виведені на щиток машини.

Котушки додаткових полюсів також з’єднані між собою послідовно і утворюють додаткову обмотку статора. Оскільки при роботі машини цю обмотку вмикають у зовнішнє коло послідовно і там діє струм навантаження, то її виконують з проводу великого перерізу або мідної ізольованої шини. Затискачі додаткової статорної обмотки виведені на щиток машини, де позначені: Д1 – початок, Д2 – кінець. О призначені додаткових полюсів буде сказано пізніше.

Рухома частина МПС – ротор (рис. 4.54), складається із сталевого валу 1, колектора 2, осердя 3, обмотки 4 і вентилятора 5. Відразу зауважимо, що в при роботі МПС в обмотці ротора індукується ЕРС, тому цю обмотку називають якірною, а вузол у якому вона розташована, тобто ротор, називають якорем. Таким чином, на відміну від синхронних машин, де якірна обмотка розташована у статорі і є нерухомою, в МПС якірною є обмотка ротора.

К

Рис. 4.54. Ротор машини постійного струму

олектор являє собою циліндричну оболонку утворену із окремих клиноподібних мідних пластин, які своїми розширеними виступами запресовані у колекторну втулку. У потужних машин їх прикріплюють до втулки за допомогою натискної шайби і гайки. Пластини колектора обов’язково ізолюють одна від одної і від втулки. Кожна пластин має шліц, куди впаяний короткий провідник для приєднання секції якірної обмотки.

Осердя якоря являє собою циліндр (барабан) з поздовжніми пазами на зовнішній поверхні. Для зменшення вихрових струмів осердя набирають із штампованих сталевих листів товщиною 0,35–0,5 мм і закріплюють на валу шпонкою.

Обмотка якоря являє собою замкнену систему мідних ізольованих провідників, розташованих у пазах осердя за спеціальною схемою. У електричному відношенні, вона поділена на однакові між собою секції.

Секція якірної обмотки може складатися із одного чи кількох витків. Вона займає два пази осердя і з’єднана із двома пластинами колектора. Кожен виток секції намотують так, щоб одна його активна ділянка знаходилися під північним, а друга – під південним полюсами статора. Активними ділянками називають частини витка, які розташовані у пазах осердя. Частини витка які розташовані на торцях осердя називають лобовими ділянками.

У пазах осердя витки секцій розташовані у два шари (один над іншим) так, щоб у кожному пази були дві активні ділянки від двох різних секцій. Між собою ці ділянки розташовують так, щоб у одному пазу активна ділянка витка першої секції була б зверху, а у другому – знизу. Кінці кожної секції з’єднані із двома пластинами колектора. Дві пластини колектора, з якими з’єднані конці секції можуть знаходитися поруч одна з одною, або бути рознесеними по поверхні колектора. Залежно від цього розрізняють петльову, хвильову і комбіновану якірні обмотки. Петльова, або інакше паралельна обмотка, завжди має стільки паралельних віток, скільки полюсів має машина. Хвильова (послідовна) обмотка незалежно від кількості пар полюсів машини завжди має тільки дві паралельні вітки. Комбінована обмотка містить елементи двох попередніх типів і використовується тільки у потужних МПС з напругою більше 600 В.

Вентилятор розташований на протилежній по відношенню до колектора стороні валу ротора і призначений для охолодження машини.

Крім головних частин МПС має і допоміжні частини – бокові щити із шариковими підшипниками і щітковий механізм.

Бокові щити призначені для утримання якоря між полюсами індуктора. Їх виготовляють із чавуну або сталі і прикріплюють до станини болтами. Щит збоку колектора називають переднім, а з боку вентилятора – заднім. Передній щит набагато глибший у порівнянні із заднім. Він має вікна для доступу до колектора і щіток. Поверх цього щита розміщений рухомий захисний пояс, який проти вікна щита має решітки, а у нижній частині отвір за розміром вікна щита. Задній щит має отвори для проходження повітря.

Щітковий механізм МПС складається із щіткової траверси, щіток і щіткотримача. Щітки можуть бути вугільні, графітові, електрографітіровані, металовугільні. Їх кількість залежить від кількості пар полюсів і техніки виконання якірної обмотки машини. Так, двополюсна машина має дві щітки. У чотириполюсної МПС їх може бути дві (обмотка якоря хвильова), або чотири (обмотка якоря петльова). Із колектора, за допомогою щіткового механізму затискачі (кінці) якірної обмотки виведені на щіток машини, де позначені: Я1 –початок, Я2 – кінець.

4.3.2. Класифікація машин постійного струму за способом збудження

Рис. 4.55. Електричні схеми машин постійного струму

Під збудженням МПС розуміють створення магнітного потоку статора, необхідного для роботи машини, як у генераторному режимі, так і в режимі двигуна. Оскільки магнітний потік утворюється струмом, який проходить в обмотці збудження (статора), то залежно від способу живлення цієї обмотки МПС (ГПС і ДПС) поділяють на машини із незалежним, послідовним, паралельним і мішаним збудженням. Крім цього, ГПС поділяють на генератори із незалежним збудженням і самозбудженням. До останньої групи відносяться ГПС із послідовним паралельним і мішаним збудженням.

Електричні схеми МПС із різними способами збудження наведені на рис. 4.55. Тут, за допомогою вимикача Q при роботі у генераторному режимі до машини підключають споживач електричної енергії, а при роботі у режимі двигуна – машину підключають до джерела постійного струму.

153