Дәріс тақырыбы: Тұрақты ток машиналары. Құрылымының негізгі элементтері. Якорь орамалары. Якорь орамындағы ЭҚК.

Тұрақты ток машиналары

Тұрақты ток машиналары қуаты онымен бірдей айнымалы ток машиналарына қарағанда үлкен жүргізіп жіберу иінкүшін (моментін) туғызады және олардың айналу жиілігін қарапайым тетіктермен біртіндеп реттеуге болады. Міне осы артықшылықтарының арқасында тұрақты ток машиналары өндірістің әртүрлі салаларында қолданылып келеді.

Тұрақты ток машиналары генераторлар мен қозғалтқыштар болып бөлінеді. Генераторларда механикалық энергия жұмсап электр энергиясын, ал қозғалтқыштарда электр энергиясын пайдаланып механикалық энергия алынады.

Тұрақты ток машиналары металлсығымдау тұрықтарында, автомобиль, ұшақ, троллейбус, трамвай, электрлік локомотивтердің электр қондырғыларында (генратор және қозғалтқыш ретінде), пісірістіру жұмыстарында (генераторлар) қолданылады. Бұдан басқа тұрақты тоқ машиналары автоматты басқару құрылғыларында және әр түрлі механизмдердің айналу жиіліктерін өлшеуде қолданылады.

Тұрақты ток машиналарының кернеулері мен қуаты әртүрлі болып келеді: мысалы, автомобиль генераторларының кернеуі 12 В-те қуаты 500...800 Вт, трамвай және троллейбустарда электрлік қозғалтқыштардың кезнеуі 550 В-те қуаты 45 кВт-қа дейін, электрлі локомотив қозғалтқыштарының кернеуі 3 кВ-те қуаты 450...550 кВт

Өндірісте көп тараған тұрақты ток машиналарының бірі П сериялы қозғалтқыштар. Олардың кернеуі 110, 220 және 440В, қуаты 0,7...180 кВт, ал айналу жиілігі 750,1000,1500 және 3000 айн/мин. Генераторлар әдетте 2П сериялы: 7,5 кВт қуатқа дейін кернеуі 115 және 230 В, ал 7,5 кВт-тан жоғары болса 230 және 460 В, айналу жиіліктері 1000, 1500 және 3000 айн/мин, қуаты 200кВт-қа дейін барады.

Тұрақты тоқ машиналарының негізгі – сырғыма түйіспе мен коллектордың тез істен шығатындығы және онда электр ұшқынының пайда болатындығы. Электр ұшқынының әсерінен коллектор тіліктері қатты қызады, жанып та кетуі мүмкін, үстері бұдырленіп сырғыма түйіспемен арадағы контакт аншарлайды және мұндай машиналарды жарылу қаупі бар жерде қолдануға болмайд. Мұнымен қатар, тұрақты тоқ машиналары қуаты осындай айнымалы тоқ машиналарына қарағанда қымбатырақ..

Тұрақты және айнымалы тоқ машиналарына тән бір қасиет–олардың қайтымдылығы, яғни бір электр машинасының әрі генератор әлпінде, әрі қозғалтқыш әлпінде жұмыс істей алатындығы. Әрине, бір әліпке бейімдеп арнайы жасалған машинаның сипаттамалары басқа әлпіндегі сипаииамаларынан жақсырақ болатындықтан электр машиналарын жасайтын кәсіпорындар оларды генератор немесе қозғалтқыш етіп шығарады.

Тұрақты тоқ машиналарының құжаттық жапсырмаларында машинаның аты, түрі, номинал қуаты , номинал кернеуі , номинал тогы , номинал айналу жиілігі , қоздыру түрі, қоздыру кернеуі , изоляцияланған класы, жұмыс әлпі, салмағы, т.б. негізгі деректері беріледі.

Тұрақты ток электрқозғалтқыштары

Қызметі жағынан тұрақты ток электрмашиналары генераторлар және қозғалтқыштар болып бөлінеді.

Тұрақты ток генераторлары технологиялық мақсаттарда тұрақты ток қажет техника ауқымында қолданылады: электролиз, электрлік дәнекерлеу, сонымен қатар тұрақты ток қозғалтқыштарын қоректендіру үшін.

Тұрақты ток қозғалтқыштарын көтеру құрылғылары үшін, электрлік тартқышта, илемдік орнақтарда және басқа реттелетін электржетегінің түрлерінде қолданады.

Құрылыста тұрақты токты қозғалтқыш-генератордан қоректенетін айнымалы токты энергияны тұрақты токты энергияға түрлендіретін қуаты үлкен экскаваторлардың электржетегі үшін, сонымен қатар аккумуляторларды зарядтау үшін және кей жағдайда электрлік дәнекерлеу үшін қолданады.

Тұрақты ток машинасының құрылысы. Тұрақты ток машинасының негізгі бөліктері (12.1-сурет): қозғалмайтын бөлігі – статор, айналатын ротор, якорь және подшипникті екі қалқан.

Статор станинадан, электромагнит полюстерінің жұқа болат қаңылтырлардан жасалған, бір-бірінен жылтырсырлы кілегеймен немесе жұқа қағаз қаңылтырлардан оқшауланған өзекшелерден тұрады. Өзекшелерге машинаның қоздыру орамасы табылатын, мыс сымдарынан жасалған орауыштар кигізілген.

12.1-сурет. Тұрақты ток машинасының құрылысы: 1 — коллектор; 2 — щеткалар;

3 — якорьдің өзекшесі; 4 — бас полюстің өзекшесі; 5 — полюстік орауыш; б — статор;

7— подшипникті қалқан; 8 — желдеткіш; 9 — якорьдің орамасы

Тұрақты ток машиналарында якорь деп аталатын машинаның роторы электромагниттің өзекшелері сияқты жұқа болат қаңылтырлардан құрылған цилиндрлік дене тәріздес. Машинаның якорінде ораманы орналастыру үшін паздар жасалады, ораманың шығыстары бір-бірнен және біліктен ток өткізбейтін материалмен (миканит) оқшауланған коллектордың пластиналарына бекітіледі.

Коллектордың сыртқы бетіне траверса арқылы машинаның қозғалмайтын бөлігіне бекітілген щеткалар орналастырылады. Якорь айналғанда онымен қоса коллектор да айналады, ал щеткалар оның бетімен сырғып, қозғалмайтын күйде қала береді. Якорьдің білігі подшипникті қалқандарда бекітілген подшипниктерде айналады.

Егер бір емес, екі орамнан тұратын орамалы якорьге ораса, және ол орамдарды якорьде бір-біріне перпендикуляр етіп орналастырса, ол кезде якорь айналғанда пайда болатын электр қозғаушы күштерінің бір-бірінен фаза бойынша айырмашылығы болады. Бір орамда ЭҚК-і нөлге тең болған кезде, екінші орамда ЭҚК-і масимал мәніне ие болады.

Заводтардың шығаратын тұрақты ток машиналарының якорінің орамалары орауыштарының және коллектордың пластиналарының саны айтарықтай көп болады. Ораманың орауыштары және коллектордың пластиналары санының сәйкесінше артуымен генератордың щеткаларында (шығысында) шамасы бойынша тербелісі өте аз қосынды кернеуді алады.

Тұрақты ток қозғалтқышының айналатын моментінің (М) шамасы келесі қатынаспен беріледі:

М = k Ф I_Я,

мұндағы k — қозғалтқыштың тұрақтысы, оның құрылысына байланысты; Ф — магниттік ағын, Вб; I_я — якорьдің ток күші, А.

Қозғалтқыштың жылдамдығы келесі теңдеуге бағынады

мұндағы R_я — якорь орамасының кедергісі, Ом.

12.2,а-суретте келтірілген қоздырылуы параллель қозғалтқыш желіге қозу орамасы желінің толық кернеуінің астында болатындай жалғанады. Сондықтан қозғалтқыштың магнитік ағыны жүктемеге тәуелсіз тұрақты болып қалады, ал якорьдің орамасындағы ток күші жүктемеге пропорционалды түрде артады. Айналу жылдамдығы қатты азаймайды.

12.2-сурет. Параллель (а) және тізбектей (б) қоздыру кезіндегі электрқозғалтқыштарының қосылу сызбалары

Айналу жылдамдығын реттеу қозғалтқышқа келетін кернеуді өзгерту арқылы іске асырылады; якорьдің тізбегіне кедергіні енгізу немесе магниттік ағынды өзгерту арқылы іске асырылады. Якорьдің тізбегіне кедергінің енгізілуі қозғалтқыштың жылдамдығының азаюына әкеледі; жылдамдықты реттеу тұрақты момент кезінде болады. Бұл әдіс көтергіштер, жүкшығырлар, поршеньдік компрессорлар, сораптар және т.б. үшін қолданады. Бірақ бұл якорьдің барлық тогы өтетін қосымша кедергінің қызуына байланысты елеулі шығындармен байланысты. Қозғалтқыштың айналу жиілігін реттеудің ең көп тараған түрі магниттік ағынды өзгерту болып табылады. Бұл қоздыру орамасына қосылған реостат арқылы іске асырылады. Қоздырудың ток күші азайғанда магниттік ағын да өзгереді, осыдан келе, қозғалтқыштың айналу жиілігі артады. Бұл кезде реттеу тұрақты қуат кезінде болады. Реостаттың қоздыру орамасының тізбегіне қосылуы қоздырудың ток күшінің үлкен емес шамасына байланысты энергияның үлкен шығынына әкелмейді. Қоздырылуы параллель электрқозғалтқыштарда қоздыру орамасы үлкен кедергіге ие, осыдан келе, осы орамадағы және реостаттағы ток күшінің шамасы үлкен болмайды.

Қоздырылуы параллель электр қозғалтқышын желіге 12.2,б-суретте көрсетілген сызба бойынша қосады. Қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштар өзінің сипаттамаларымен қоздырылуы параллель қозғалтқышынан қатты ерекшеленеді. Якорьдің орамасымен тізбектей жалғанған қозғалтқыштың қоздыру орамасы арқылы оның барлық тогы өтетіндіктен, қозғалтқыштың жүктемесінің артуымен бірмезгілде оның полюстарының магниттік ағынының шамасы да лезде артады. Осыған байланысты мұндай қозғалтқыштар, біріншіден, аз айналымдар кезінде үлкен айналу моментін көбейтеді (іске қосу кезінде) және, екіншіден, асқын жүктемелік қабілеттілікке ие. Сонымен қоса, білігінде жүктеменің азаюымен қозғалтқыштың айналу жиілігі жылдам артады және аз жүктеме кезінде (қалыптының ¼-нен аз) оның тұтастығына қауіпті жылдамдыққа ие болады. Бос жүріс, яғни жүктеме жоқ кезінде сериестік электрқозғалтқыштарды мүлдем қосуға болмайды. Бұл сериестік электрқозғалтқыштарының кемшілік қасиеті болып табылады.

Өзінің сипаттамалары бойынша бұл электрқозғалтқыштар көтергішкөліктік құрылғылардың жетектеріне келеді. Олар электрлік тартқышта (трамвайлар, троллейбустар, электрлік темір жолдары) кеңінен қолданылады.

Құрылыстық практикада қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштарын қозғалтқыш-генератордан қоректенетін қуаты үлкен кейбір экскаваторларда және аккумуляторлардан қоректенетін электрлік тиегіштерде қолданылады.

Қоздырылуы тізбектей қозғалтқыштардың жылдамдықтарын реттеу қоздырылуы параллель қозғалтқыштарынан принциптік айырмашылығы жоқ, тек қоздыру немесе якорьдің орамаларында ток күшінің мәнін реостатпен өзгертілмейді, ол шунттау арқылы өзгертіледі – осы орамалардан токты бөліп тастау.

Тұрақты ток қозғалтқыштарының айналу бағытын өзгерту үшін (реверстеу) магниттік өрістің полярлығын немесе якорь орамасындағы ток күшінің бағытын өзгерту қажет. Бұл операцияны сәйкес орамаларды (якорьдің немесе қоздырудың) ауыстырып қосумен орындайды.

Жұмыс істеу принципі. Негізгі теңдеулер

Орныққан (статикалық) режимдерді сипаттайтын және негізгі сипаттамаларды алуға мүмкіндік беретін тұрақты ток электржетегінің қарапайым моделін алу үшін 12.3-суреттегі сызбаны пайдаланайық.

Якорьдің тізбегі кернеуі U* тәуелсіз қоректену көзінен тұтынады деп санаймыз, якорь тізбегінің кедергісі R тұрақты, магниттік ағын Ф қоздыру тогымен ғана анықталады және жүктемеге тәуелсіз (якорьдің реакциясы болмайды), тізбектердің индуктивті шама-шарттары әзірше ескерілмейді, өйткені орныққан (статикалық) режимдер қарастырылуды.

12.3-сурет. Тұрақты ток қозғалтқышы бар электржетегінің сызбасы

Якорьдің орамасындағы I токтың машинаның полюстерінде орналасқан орамалар тудыратын магниттік ағынның Ф өзара байланысы Ампер заңына сәйкес және ораманың активті өткізгіштеріне әсер ететін электрмагниттік күштердің пайда болуына әкеледі, демек электрмагниттік момент те М пайда болады:

М = kФI (12.1)

мұндағы k – машинаның құрылымдық шама-шарты.

М моментінің әсерінен магниттік өрісте бұрыштық жылдамдығымен қозғалатын якорь орамасының өткізгіштерінде Фарадей заңына сәйкес айналу ЭҚК-і Е пайда болады::

E = kФw , (12.2)

Бұл ЭҚК қарастырылып жатқан жағдайда қозғалыстың болуына себеп болған U қорек көзінің ЭҚК-іне қарсы бағытталған.

Кирхгоффтың екінші заңына сәйкес машинаның якорінің тізбегі үшін келесі теңдеу орындалады:

U-E = IR. (12.3)

(12.1)-(12.3) теңдеулері – қарапайым, бірақ тұрақты ток электржетегіндегі басты процесстерді түсінуге жеткілікті модель. Практикалық есептерді шешу үшін қозғалыс теңдеуін М_с моментіне кіретін момент шығынымен және электржетегінің нақты сызбасы үшін қоздыру тізбегінің теңдеулерімен толықтыру керек.

Әр есептің шарттарында берілгені мен белгілісі және нені табу керектігі қатаң түрде қойылуының қажеттігі анық.

Электрлік машина жасайтын энергияның түрлендіру процессіндегі ЭҚК-інің ролін тереңірек қарастырайық. Егер белгілі бір М₁ = М_с1 орныққан режимі болып, одан М_с өзгеріп, мысалы М_с2 шамасына дейін өскен болса, онда жаңа орныққан режимді алу үшін жаңа М_с мәніне М мәнін сәйкес келтіріп өзгертетін құрал керек. Іштен жану қозғалтқыштарында бұл ролді жанармайды көбейту арқылы оператор орындайды; бу турбиналарында – будың берілуін көбейтетін арнайы реттеуіш. Электрлік машиналарда бұл ролді ЭҚК-і орындайды. М_с мәнінің артуымен қозғалтқыштың жылдамдығы кеми бастайды, бұл дегеніміз (12.2) және ЭҚК-іне сәйкес азаяды (қарапайымдылық үшін Ф, сонымен қатар U және R – тұрақты деп санаймыз). (12.3) формуласынан келесі шығады:

,

Демек, ток жоғарылайды, осыдан (12.1)-ге сәйкес момент өседі. Қозғалтқыш ешқандай сыртқы әсерсіз жаңа орныққан күйге келеді. Бұл кез-келген М_с шамасы мен таңбасы кезінде бола береді, яғни ЭҚК-і машинаның қозғалтқыштық, сол сияқты тежегіш жұмыс режимдерінде реттеуіштің функциясын орындайды.