Лекція 13. Машини постійного струму

План

· Машини постійного струму.

□ Устрій та принцип дії генератора постійного струму.

□ Магнітна система.

□ ЕРС генератора.

□ Збудження генератора.

□ Генератор з паралельним збудженням.

□ Реакція якоря.

□ Реакція якоря.

□ Комутація.

□ Зовнішня характеристика.

□ Електромагнітний момент.

Машини постійного струму.

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину виробник випускає з певним призначен­ням – працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, при­значені для роботи як генератором, так і двигуном.

Генератори постійного струму застосовують тоді, коли по­трібно мати самостійне джерело струму, наприклад для жив­лення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, зварювальних установок, знаходять застосування в установках для зарядки акумуляторних батарей і агрегатах, що перетворюють змінний струм в постійний, необхідний для живлення електролізних установок і інших споживачів постійного струму; в синхронних машинах змінного струму для живлення обмотки живлення ротора; в електромашинних агрегатах, які використовуються в промисловості для широкого і плавного регулювання швидкості робочих машин, наприклад у тролей­бусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у при­строях автоматики.

Устрій та принцип дії генератора постійного струму

Являє собою електричну машину, що перетворює механічну енергію первинного двигуна в електричну енергію постійного струму.

Основними частинами генератора постійного струму є: нерухома магнітна система, що створює основне магнітне поле машини; якір, щоприводиться до обертання, і в обмотці якого індукується електрорушійна сила; колектор, за допомогою якого отримують постійну напругу на клемах генератора. Конструктивні елементи показані на наведеному рисунку.

Статор машини постійного струму складається зі станини і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об’єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і котушки.

Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у ма­шинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи ма­шини; обмотку додаткових полюсів з’єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).

Ротор (якір) (див. рисунок) машини по­стійного струму складається з осер­дя й обмотки. Осердя якоря наби­рають з тонких листів електротехніч­ної сталі (0,35 – 0,5 мм), ізольованих один від одного лаковим покриттям або тонким папером, що зменшує втра­ти на вихрові струми. У пази осердя укладаються ізольовані провідники (стержні). Стержні з’єднуються між собою по торцях і утворюють замкнену обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зо­внішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала машини міканітовими прокладками. Кожна з пластин колектора приєднується до певної точки обмотки якоря (про принцип з’єднання буде далі). Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор – це пристрій, який кон­структивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмоз’ємні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.

Магнітна система.

На рисунку схематично показана магнітна система двополюсної машини постійного струму. Як зазначалось, нерухома станина (1) виготовляється з литої сталі. До внутрішньої поверхні станини прикріплені осердя (2) електромагнітів. На осердя надіті котушки (3) з мідного ізольованого проводу. Для утримання котушок осердя забезпечуються полюсними наконечниками (4). Форма полюсних наконечників забезпечує більш сприятливий розподіл магнітних лінії в повітряному зазорі d.

Котушки електромагнітів, що утворюють обмотку збудження, живляться постійним струмом і створюють незмінний у часі і в просторі магнітний поток Ф. Магнітні лінії цього потоку вийдуть з північного полюса, проходять через циліндричний якір (5), потім входять в південний полюс і замикаються через станину по двох паралельних гілках.

Принцип з’єднання стержнів між собою, а також роль колектора пояснимо на прикладі найпростішого якоря з вісьма стержнями (див. рисунок). При обертанні якоря в магнітному полі стержні перетинають магнітні лінії і в них індукуються ЕРС. Напрями цих ЕРС, знайдені за правилом правої руки, вказані на рисунку (точка – напрям ЕРС із площини малюнка; хрестик – в площину малюнка). ЕРС, індукована в кожному стержні якоря, при переході від полюса N дополюса S змінює свій напрям на протилежне.

Для отримання на клемах генератора досить великої напруги стержні обмотки повинні бути сполучені між собою так, щоб індуковані в них ЕРС сумувались. У зразку, що розглядається стержні сполучені через два з третім: стержень 1 з’єднаний зі стержнем 4, стержень 4 – зі стержнем 7, стержень 7 – зі стержнем 2, стержень 2 –зі стержнем 5, стержень 5 – зі стержнем 8, стержень 8 –зі стержнем 3, стержень 3 –зі стержнем 6 і стержень 6 –зі стержнем 1. Відстань між кожними двома стержнями, що з’єднуються, один з одним, потрібно вибирати так, щоб в обмотку увійшли всі стержні, розташовані на якорі, і щоб утворилось замкнене коло (на рисунку останній стержень 6 замикається зі стержнем 1, з якого був початий обхід обмотки).

Перемички між стержнями 1 – 4, 7 – 2, 5 – 8 і 3 – 6,що розташовані на передньому торці якоря, з’єднані відповідно з колекторними пластинами А, В, С, D.

Розглядаючи наступний рисунок (а), (тут обмотка якоря представлена в розгорненому на площині вигляді), можна встановити, що в обмотці якоря утворилися дві паралельні вітки I і II. У вітці I послідовно включені стержні 1, 6, 3 і 8 з сумарною ЕРС е _I = e ₁ + e ₆ + e ₃ + e ₈, а у вітці II послідовно включені стержні 4, 7, 2 і 5 з сумарною ЕРС е _II = e ₄ + e ₇ + e ₂ + e ₅. ЕРС е _I і е _II однакові за величиною е _I = е _II = Е (оскільки вони утворюються у симетрично розташованих відносно магнітного поля провідниках 1 і 4, 6 і 7, 3 і 2, 8 і 5) і направлені назустріч одна одній, тому струм в колі обмотки якоря не виникає.

Напруга між пластинами колектора А і С (рис. а) утворює ЕРС віток Е.

При повороті якоря, наприклад на 90°, обмотка якоря знову утворить дві вітки I і II (рисунок б); в кожну з них будуть входити вже інші стержні, але індукована в кожній вітці сумарна ЕРС збереже своє колишнє значення Е. Напруга між колекторними пластинами В і D залишиться незмінною.

Приєднання споживачів до генератора здійснюється через нерухомі щітки М₁ і М₂, прилеглі до колектора[8].

Розташування щіток вибирають так, щоб напруга між ними мала найбільшу можливу величину, рівну сумарній ЕРС Е кожної з паралельних віток якірної обмотки. Щітки утримуються за допомогою спеціальних утримувачів.

Якщо клеми (+) і (–) працюючого генератора замкнути на зовнішній опір R _н, то у зовнішньому колі і вітках якірної обмотки почне протікати постійний струм І.

ЕРС генератора.

У машинах постійного струму відносно великих розмірів магнітна система має не одну, а кілька пар полюсів, розташованих рівномірно навколо якоря. Полярність полюсів чергується. Для прикладу на рисунку показана магнітна система чотирьохполюсної машини.

Якірна обмотка також може, мати не одну, а кілька пар паралельних гілок. Число пар полюсів і число пар паралельних гілок визначаються в процесі проектування електричної машини.

Якщо позначити магнітний потік одного полюса Ф, число пар полюсів (яке завжди є парним) 2 p,діаметр якоря d ідовжину його l,то середнє значення. магнітної індукції на поверхні якоря:

Середнє значення ЕРС, що індукується в кожному з стержнів обмотки якоря при швидкості обертання якоря n (об./хвилину),

Оскільки ЕРС генератора дорівнює результуючій ЕРС одній паралельній гілці обмотки якоря, то, позначивши через N загальне число стержнів обмотки якоря, а через 2 а – число паралельних віток отримаємо

Для кожної машини величини р, N і а є постійними і в умовах експлуатації не змінюються. Тому надалі будемо користуватися формулою

де постійний коефіцієнт

Збудження генератора.

У залежності від способу живлення обмотки збудження розрізнюють:

1) генератори з незалежним збудженням;

2) генератори з самозбудженням.

На рисунку представлена електрична схема генератора постійною струму з незалежним збудженням. Обмотка збудження живиться струмом, що отримується від стороннього джерела, наприклад від акумуляторної батареї. Струм збудження I_зб в цій схемі не залежить від умов роботи генератора.

При розімкненому зовнішньому колі струм генератора дорівнює нулю (I _я = 0), і вольтметр, приєднаний до клем генератора (до щіток якоря), вимірює ЕРС, що індукується в якорі.:

де r _я – опір обмотки якоря.

Реостат r _р в колі збудження дозволяє змінювати струм збудження і тим самим регулювати магнітний потік Ф, а отже, і ЕРС Е генератора.

На рисунку подана характеристика холостого ходу генератора. Через наявність залишкового магнітного потоку в сталевому магнітопроводі характеристика холостого ходу починається не з нуля, а з деякого значення Е _зал ( при I _зб = 0).

Генератор з паралельним збудженням.

Необхідність стороннього джерела для живлення обмотки збудження ускладнює експлуатацію генератора, внаслідок чого машини з незалежним збудженням застосовуються тільки для спеціальних цілей. У генераторах постійного струму в більшості випадків застосовують самозбудження, тобто живлення обмотки збудження від якоря самої машини.

Принцип самозбудження полягає в наступному. Спочатку при обертанні якоря залишковий магнітний потік (що завжди має місце в магнітопроводі машини) наводить в обмотці якоря незначну ЕРС Е _зал. Остання викликає невеликий струм в обмотці збудження. Цей струм посилює магнітне поле полюсів, що в свою чергу підвищує ЕРС, що наводиться в якорі і збільшує струм збудження. В результаті магнітний потік невдовзі досягає нормальної величини.

Для забезпечення самозбудження необхідно:

а) наявність залишкового магнітного потоку в магніті;

б) правильне приєднання кінців обмотки збудження до клем якоря, при якому струм збудження буде посилювати, а не послабляти залишковий магнітний потік.

Крім того, необхідно, щоб опір кола збудження не перевищував певного для кожної машини значення.

Обмотка збудження може бути приєднана до якоря паралельно або послідовно. На практиці застосовуються генератори з паралельним збудженням, а також генератори зі змішаним збудженням, маючи дві обмотки збудження паралельну і послідовну.

На рисунку наведена схема генератора з паралельним збудженням. Обмотка збудження і зовнішнє коло (навантаження) приєднуються до якоря паралельно. Струм якоря розгалужується по двох паралельних колах – зовнішньому і колу обмотки збудження:

I _я = I + I _зб

Паралельна обмотка збудження виконується з великого числа витків тонкого дроту. При цьому намагнічуюча сила, пропорційна числу ампер-витків, виходить достатньою для створення необхідного магнітного потоку при порівняно невеликому струмі збудження (струм збудження становить 1 – 5% від номінального струму машини).

Реакція якоря.

При холостому ході генератора існує тільки основний магнітний потік Ф _зб, що створюється обмоткою збудження (рис. а).

У навантаженому генераторі струм, що проходить по обмотці якоря, створює власний магнітний потік Ф _я. У двополюсній машині (рис. б) вісь потоку якоря Ф _я перпендикулярна до осі основного потоку (тобто осі полюсів N – S). Два магнітних потоки Ф _зб і Ф _я утворять результуючий магнітний потік Ф машини. Вплив, який здійснює магнітний потік якоря на основний магнітний потік, називають реакцією якоря.

Внаслідок реакції якоря відбувається деформація магнітного поля машини: збільшується щільність магнітних ліній з одного боку кожного полюса і зменшується щільність з іншого боку полюсів (рис. в). Реакція якоря викликає небажані наслідки: сильне іскріння під щітками, що порушує нормальну роботу машини; зменшення ЕРС генератора, що призводить до додаткового зниження напруги на клемах генератора при збільшенні його навантаження.

Основним засобом ослаблення реакції якоря є застосування компенсаційної обмотки, яка розміщується в полюсах машини і з’єднується послідовно з якорем.

Магнітне поле, створене струмом компенсаційної обмотки, спрямоване назустріч магнітному полю обмотки якоря. Відповідним вибором числа витків компенсаційної обмотки можна добитися практично повної компенсації реакції якоря.

Комутація.

Робота машин постійного струму часто супроводжується іскрінням між щітками і колектором. Сильне іскріння робить нормальну роботу машини неможливою.

Причинами іскріння можуть бути механічні дефекти: шорстка поверхня колектора, слабий тиск щіток, забруднення колектора, вібрація і інші несправності, що призводять до порушення в окремі моменти часу контакту щіток з колектором.

У процесі експлуатації бувають випадки, коли машина, цілком справна в механічному відношенні, сильно іскрить. Причиною іскріння тут є фізичний процес, що відбувається при переході щітки з однієї колекторної пластини на іншу. Сутність цього процесу пояснимо схемою якірної обмотки з 16 стержнями (див. рисунок).

При обертанні якоря колекторні пластини по черзі вступають в контакт з щітками. При цьому перехід щітки з однієї пластини на іншу, наприклад щітки М₁ з пластини А на пластину В,супроводжуватиметься перемиканням секції PQ якірної обмотки з однієї паралельної вітку на іншу. При цьому струм в цій секції змінюється з + I _я/2 на – I _я/2.Внаслідокшвидкої зміни струму в секції (на величину I _я) виникає ЕРС самоіндукції е _L, величина якої тим більше, чим вища швидкість обертання якоря. Комплекс явищ, пов’язаних зі зміною напряму струму в замкнених щіткою секціях якірної обмотки, називають комутацією.

ЕРС е _L, що виникає в секції, що комутується, спричиняє появу мікроскопічних дуг між краєм щітки і колекторною пластиною, що йде з-під щітки. Ці дуги зовні сприймаються, як іскріння щіток.

Основним засобом боротьби з комутаційним іскрінням служать додаткові полюси (див. рисунок). Магнітний потік цих полюсів індукує в рухомій секції ЕРС е _к, що комутується, і направлену назустріч ЕРС е _L, так що е _к + е _L» 0. Цим усувається виникнення недопустимого іскріння.

Потрібно відмітити, що якщо швидкість обертання машини перевищить гранично допустиме значення, то умова е _к + е _L» 0 порушується і машина знову починає іскрити.

Зовнішня характеристика.

Однією з найважливіших характеристик генератора є зовнішня характеристика, що являє собою залежність напруги U на клемах генератора від струму I при постійній швидкості обертання якоря n і незмінному опорі кола збудження.

На рисунку представлена зовнішня характеристика генератора з паралельним збудженням. Напруга на клемах генератора визначається за формулою

U = Е – I _я r _я

Із зростанням навантаження напруга U на клемах генератора знижується внаслідок збільшення падіння напруги в колі якоря і деякого ослаблення магнітного потоку машини при неповній компенсації реакції якоря. Крім того, при зниженні напруги струм збудження меншає (оскільки I _зб пропорційний U), що призводить до ослаблення магнітного потоку полюсів. Це в свою чергу спричиняє додаткове зменшення ЕРС Е і напруги U генератора. Щоб коливання струму збудження незначно впливали на величину ЕРС, що індукується, генератори повинні працювати з насиченою магнітною системою.

Підтримка незмінною напруги при різних навантаженнях досягається зміною ЕРС Е шляхом регулювання струму збудження (реостатом r _р на схемі генератора з паралельним збудженням).

У деяких випадках застосовують генератори зі змішаним збудженням. У цих машин, крім основної паралельної обмотки збудження 1, є ще одна обмотка 2 з невеликим числом витків, що вмикається послідовно з навантаженням (див. рисунок).

Обидві обмотки знаходяться на одних і тих же сердечниках головних полюсів і звичайно приєднуються так, щоб магнітні потоки, що створюються ними складалися (узгоджене включення обмоток). При збільшенні навантажувального струму одночасно зростає струм в послідовній обмотці збудження. Завдяки цьому потік збудження дещо посилюється і збільшує ЕРС, що індукується. Цим частково компенсується падіння напруги в колі якоря при збільшенні навантаження.

Виникнення електромагнітного обертаючого моменту.

У кожній машині постійного струму має місце взаємодія між струмом якоря I _я і магнітним потоком Ф (див. рисунок). На кожний стержень якоря діє електромагнітна сила F = В × I × l.

Напрям дії цієї сили визначається правилом лівої руки.

Підставивши сюди середнє значення магнітної індукції і величину струму в кожному із стержнів обмотки якоря , отримаємо

.

Електромагнітний момент, що діє на якір машини при числі провідників N обмотки якоря:

або ,

де – величина, постійна для даної машини.