Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока.
Устройство электрических машин
Постоянного тока. Обратимость машин
По назначению электрические машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели.
Генераторы вырабатывают электрическую энергию, поступающую в энергосистему; двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и транспортных средств.
Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин постоянного тока, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя.
Свойство обратимости не следует противопоставлять определенному назначению машины, которая обычно проектируется и используется либо как двигатель, либо как генератор. Значительно реже находят применение машины, предназначенные для работы как в генераторном, так и в двигательном режимах. Это так называемые стартер-генераторы, которые устанавливаются на некоторых подвижных объектах.
Генератор и двигатель отличаются расчетными и конструктивными особенностями. Поэтому использование двигателя в качестве генератора или генератора в качестве двигателя приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик машин, в частности к снижению коэффициента полезного действия.
В любой машине постоянного тока четко выделяются подвижная и неподвижная части. Подвижную (вращающуюся) часть машины называют ротором, неподвижную — статором.
Часть машины, в которой индуцируется электродвижущая сила, принято называть якорем, а часть машины, в которой создается магнитное поле возбуждения,— индуктором. Как правило, в машине постоянного тока статор служит индуктором, а ротор — якорем.
Статор машины постоянного тока называют также станиной. Станину изготовляют из магнитопроводящего материала (обычно литая сталь); он выполняет две функции, являясь, во-первых, магнитопроводом, по которому проходит магнитный поток возбуждения машины, и, во-вторых, основной конструктивной деталью, в которой размещаются все остальные детали. Изнутри к станине крепятся полюсы. Полюс машины состоит из сердечника, полюсного наконечника и катушки. При прохождении по катушкам постоянного тока в полюсах индуцируется магнитный поток возбуждения. Помимо главных полюсов в машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливаются дополнительные полюсы меньших размеров, предназначенные для улучшения работы машины. Катушки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря.
Сердечник якоря и коллектор кренятся на одном валу. Стальной вал якоря опирается на подшипники, закрепленные в боковых щитках машины. В свою очередь боковые щитки крепятся болтами к статору.
Для уменьшения вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаковым покрытием. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух. В пазы сердечника якоря укладывают проводники обмотки якоря, соединенные с коллекторными пластинами. Коллектор набирают из медных пластин, разделенных. миканитовыми прокладками. Поверхность медных пластин специально обрабатывают, чтобы повысить их устойчивость к истиранию.
Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины осуществляется с помощью щеток, скользящих по коллектору.
Щетки вставляются в специальные обоймы щеткодержателя и прижимаются к коллектору спиральными или пластинчатыми пружинами. Щеткодержатели крепятся к траверсе, которую вместе со щетками можно поворачивать относительно статора на некоторый угол в ту или другую сторону. В качестве основы для изготовления щетки используют графит. Чтобы получить заданные свойства (определенную электропроводность, повышенную сопротивляемость к истиранию), в щетку добавляют порошки металлов (медь, свинец).
На рис. 5.1. показан внешний вид машины постоянного тока серии П, выпускаемой отечественной промышленностью. Машины этой серии рассчитывают на различную мощность от 0,3 до 200 кВт. Двигатели серии П рассчитаны на напряжение 110 или 220 В, а генераторы — 115 или 230 В.

Рис. 5.1. Внешний вид машины постоянного тока

Рис. 9.2. Поперечный разрез машины постоянного тока:
1 — сердечник якоря с проводниками обмотки; 2 — катушка обмотки возбуждения; 3 — вал; 4 — главный полюс; 5 — дополнительный полюс; 6 — статор
Поперечный разрез машины постоянного тока схематически изображен на рис. 5.2, где видны статор, создающий магнитный поток возбуждения, и ротор, в пазах которого размещены проводники обмотки якоря. Между полюсным наконечником и якорем имеется воздушный зазор, исключающий трение ротора о статор (рис. 5.3, а). Магнитная индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности по закону, который называют трапецеидальным (рис. 5.3, б).
Устройство машины постоянного тока изображено на рис. 5.4.
Машины постоянного тока обычно имеют принудительное воздушное охлаждение, осуществляемое вентилятором, насаженным на вал якоря. Для мощных машин выработаны системы .водородного, а также водяного охлаждения.

Рис. 5.3. Схематическое изображение воздушного зазора 1 между полюсным наконечником 2 и якорем 3 (а) и магнитная индукция в воздушном зазоре (б)
Для защиты машины от пыли и влаги конструктивные окна, обеспечивающие доступ к коллектору и щеткам, закрывают съемными стальными лентами или пластинами.

Рис. 5.4. Устройство машины постоянного тока:
1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4 — сердечник главного полюса; 5 — полюсная катушка; 6 — статор; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря
Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. В соответствии с законом Ампера на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.
Вращающийся вал якоря используют для привода в действие различных механизмов: подъемных и транспортных средств, станков, швейных машин и т. д.
Исходя из закона сохранения энергии можно считать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем.
Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому ее назвали противо -ЭДС. Именно противо -ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.
По закону электромагнитной индукции, противо- ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо -ЭДС.
Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и частота вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря проходит минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна.
Регулирование частоты вращения двигателей
постоянного тока независимого и параллельного возбуждения
Обратимся еще раз к основному уравнению электродвигателя U=E+IяRя. Выражение для ЭДС двигателя ничем не отличается от выражения для ЭДС генератора. Это и понятно: и в том и в другом случае проводники обмотки пересекают силовые линии магнитного поля. Тот факт, что якорь генератора раскручивается механической, а якорь двигателя — электромагнитной силами, с точки зрения закона электромагнитной индукции не имеет значения.
С практической точки зрения важно представлять условия и способы регулирования частоты вращения двигателя. Выведенная формула позволяет решить эту задачу. Прежде всего отметим, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря стремятся сделать по возможности малым (в реальных машиных оно составляет сотые или тысячные доли ом).
Таким образом, существует два способа плавного изменения частоты вращения двигателя в широких пределах: 1) изменение и напряжения U, подведенного к якорю двигателя;. 2) изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения Iв).
Второй способ регулирования частоты вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями энергии: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери в регулировочном реостате пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменения частоты вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.
Возможность плавного и экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.
Во многих случаях возникает необходимость менять направление вращения якоря электродвигателя. Изменение направления вращения называют реверсированием.
Для реверсирования двигателя постоянного тока следует изменить направление магнитного потока возбуждения или тока якоря. При одновременном изменении направления потока возбуждения и тока якоря за счет изменения полярности напряжения источника питания направление вращения якоря двигателя не меняется.
Реверсирование двигателей осуществляют с помощью переключателей в цепи якоря или в цепи возбуждения.
Выражение для частоты вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока возбуждения частота неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до потока остаточного намагничивания, а двигатель идет «вразнос». Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя. Режим «разноса» является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.