Электрические машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из индуктора, якоря и коллектора. Индуктор, служит для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной ее части - статоре. Якорем машины является ее вращающаяся часть. В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле главных полюсов в его обмотке наводятся переменные ЭДС, которые "выпрямляются" щеточно-коллекторным устройством.

Магнитная цепь машин постоянного тока выполняется таким образом, что в ней поддерживается постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором помещается подвижная часть машины в, виде металлического цилиндра с расположенными на нем витками. Таким образом, характерным для электромагнитной схемы машин постоянного тока является то обстоятельство, что в них ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле, и проводники с током взаимодействуют также с неподвижным магнитным полем (рис. 10).

Электромагнит создает магнитное поле, линии которого сцепляются с витком якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно бесполезны. Величина магнитного потока должна быть по возможности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в якоре. По этим соображениям направляют путь магнитных линий по стали, так как намагниченная сталь создает внутри себя добавочный магнитный поток. Поэтому и сердечник электромагнита, и якорь сделаны из стали.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.1. Направление токов в обмотках возбуждения по правилу винта создают магнитные линии в якоре одного и того же направления и, следовательно, их магнитные потоки складываются. Верхний сердечник является южным полюсом, нижний - северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Говорят, что такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

Рис. 10.

Часть пути магнитные линии проходят по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необходим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако величину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание подшипников машин.

Величина магнитного потока зависит от размеров и материала машины, числа витков и величины протекающего по ним тока.

В современных электрических машинах не слишком большой мощности возбуждение осуществляется не только от электромагнитов, но и от постоянных магнитов. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Машины постоянного тока имеют устройство, выпрямляющее переменный ток и превращающее его в постоянный. Это устройство называется коллектором. Плоскость витка, вращающегося в магнитном поле, перпендикулярна направлению магнитных линий и напряжение в нем равно нулю.

Рис. 11.

В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряжение будет проходить нулевое значение не одновременно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно на нейтральной линии. Нейтральная линия располагается симметрично относительно северного и южного полюсов. В частности в четырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтральные линии.

В тот момент, когда ток в витке равен нулю, происходит пересоединение проводов, связывающих генератор с нагрузкой. Концы вращающегося витка обозначены цифрами 1 и 2, концы отходящих проводов цифрами 3 и 4 (рис. 11).

В течение одного полупериода ток в витке генераторной обмотки направлен так, как показано на первой схеме. Ток в нагрузке направлен от конца 3 к концу 4. После того как этот полупериод закончился, ток в генераторе изменит свое направление. В этот же момент времени происходит пересоединение нагрузочных концов, вследствие чего ток в нагрузке сохраняет свое направление.

Рис. 12.

Направление тока у потребителя остается постоянным, а величина его будет меняться по выпрямленной синусоиде. График такого тока показан на рис. 12. Ток следующего витка также будет выпрямленной синусоидой, и, сложившись с током предыдущего витка, он сгладит колебания величин тока. При большом числе витков получается почти неизменный ток.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга, к этим полукольцам присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 13).

Рис. 13.

К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, то полученное устройство, автоматически осуществляет переключение, соответствующее переключению, показанному на рис. 12.

На рис. 13 показано положение полуколец, при котором щетка I перескочила на кольцо, соединенное с проводом 1, а щетка II - на кольцо, соединенное с проводом 2. Если ось магнитного потока направлена прямо за плоскость чертежа, то момент перехода щеток соответствует моменту, когда изменяется направление напряжения. Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток постоянный по направлению, но не по величине.

Якорь представляет собой стальной цилиндр (барабанный якорь), на котором расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный поток, пронизывающий витки обмотки, будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС, изменяющаяся приблизительно по закону синуса. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак.

Соединение проводников обмотки выбирают таким, чтобы ЭДС складывались по схеме петлевой обмотки или по схеме волновой обмотки (рис.5). Если соединить два витка, у которых обе стороны лежат под одними и теми же полюсами, то получится петлевая обмотка (рис. 14, а) Если же соединить витки, стороны которых лежат под разными полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 14, б). Обмотки укладываются в специальных пазах, вырезанных по поверхности якоря.

Концы проводов соединяют и с коллектором, для получения постоянного тока, и между собой, иначе цепь будет незамкнутой. При соединении свободных концов руководствуются тем же правилом, что и при соединении начал: расстояние между соединительными концами должно быть примерно равным половине окружности якоря.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром - обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только во вторичном контуре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, действующая несогласованно с основной НС. Это явление получило название реакции якоря, которое приводит к снижению ЭДС машины, некоторому снижению главного магнитного потока в машине, а также ухудшает условия коммутации машины.

Мощность, получаемая электрическими машинами, всегда меньше мощности, отдаваемой ими, но часть мощности непроизводительно теряется в самих машинах. Это справедливо для любых процессов: происходит ли преобразование электрической мощности в электрическую (трансформатор); механической мощности в электрическую (генератор) или электрической в механическую (двигатель).

Потеря мощности в электрических машинах обычно бывает очень невелика, она составляет 5 - 15% преобразуемой мощности.

Потери в электрических машинах могут быть разделены на три категории: потери мощности на механическое трение (во вращающихся машинах), потери мощности на нагрев проводов, по которым протекает ток (потери в меди), и потери мощности, связанные с перемагничиванием стали (потери от вихревых токов и от гистерезиса). Все эти три вида теряемой мощности в результате идут на нагрев машины.

В тех частях машины, где имеется переменное магнитное поле, железо расслаивают, собирая эти части из листов железа, изолированных друг от друга. Этим достигается значительное уменьшение потерь на вихревые токи.

В машинах постоянного тока в неподвижном остове машины и в полюсах магнитный поток будет неизменным, а во вращающемся якоре сталь непрерывно перемагничивается (якорь вращается в постоянном магнитном поле). Поэтому в машинах постоянного тока их станина выполняется обычно из сплошной стали, а якорь собирается из отдельных листов.

В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин пользуются специальными сортами стали. В электромашиностроении главным образом применяется кремнистая листовая сталь, обладающая относительно малой проводимостью (что приводит к уменьшению вихревых токов) и малым гистерезисом. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах - от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока могут быть разделены на две основные группы: генераторы и электродвигатели. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами. По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением (рис.15). Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи ее возбуждения. Этой цели служит регулировочный реостат, включаемый в цепь возбуждения машины последовательно с ее обмоткой возбуждения.

У генераторов с параллельным возбуждением цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:

(1)

где : - ток якоря,

- ток нагрузки,

- ток возбуждения.

У генераторов с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки.

У генераторов со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью.

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:

(2)

гдеС_е - постоянная, зависящая от конструктивных данных машины,

n - частота вращения якоря,

Ф - результирующий магнитный поток,

р - число пар полюсов статора,

N - число активных проводников обмотки якоря,

а - число пар параллельных ветвей обмотки.

Из этого простого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В генераторах скорость вращения остается при работе, как правило, постоянной и потому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе двигателей скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки, что вызывает соответствующее изменение ЭДС. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения, и тем самым магнитного потока, что также отражается на изменении ЭДС.

В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:

(3)

где М -вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой,

n - частота вращения ротора.

в электромагнитную мощность:

(4)

где Е - ЭДС якорной обмотки,

I_я - ток в якорной обмотке.

С учетом потерь в генераторе , в нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется часть электромагнитной мощности .

КПД генератора находится как:

(5)

Напряжение на выводах генератора:

(6)

где - сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмоток .

К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся:

- характеристика холостого хода дает зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при разомкнутой внешней цепи, т.е. при , и при постоянстве скорости вращения машины . Характеристика холостого хода дает представление о степени насыщения стали машины. По этой характеристике можно определить. На какое номинальное напряжение изготовлена машина.

- внешняя характеристика отражает изменение напряжения на зажимах машины при изменении тока в цепи якоря при и (для независимого возбуждения) или (при самовозбуждении). Для генераторов постоянного тока эту зависимость можно выразить , где сопротивление цепи якоря с учетом переходного сопротивления скользящего контакта щеток и обмоток дополнительных полюсов, если таковые имеются. Внешнюю характеристику можно снимать на понижение и на повышение напряжения.

- регулировочная характеристика , при , .

Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением, так как питание цепи якоря двигателя и его цепи возбуждения осуществляется во всех схемах от внешней сети. По схеме включения обмотки двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным включением обмотки якоря и обмотки возбуждения, называемые двигателями с параллельным возбуждением, двигатели с последовательным включением этих обмоток, называемые двигателями с последовательным возбуждением и двигатели со смешанным возбуждением (рис.15). Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого.

В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря

Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями:

(7), (8)

где .

Независимо от способа возбуждения равновесное состояние электрической цепи якоря имеет следующий вид:

(9)

с учетом (2), решив его относительно тока и скорости вращения, эта формула примет вид:

(10), (11)

Полученное соотношение позволяет провести анализ свойств различных двигателей.

К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие , , , или и механическая при и .

Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование.

Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря (рис. 16). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения. Частота вращения регулируется тремя способами:

1) изменением напряжения цепи якоря,

2) изменением тока возбуждения, т.е. ,

3) введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

Существует три способа торможения двигателей постоянного тока:

1) рекуперативное (с возвратом энергии в сеть),

2) динамическое,

3) противовключение.