В электрических машинах. Режимы их работы

Электрические машины разделяют по назначению на два основ­ных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электри­ческую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор при­водят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паро­вой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной. Элек­трические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на ис­пользовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как гене­ратора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генера­торном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразо­вания энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле; в обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает ток. При взаимодействии тока в об­мотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Принцип действия электрического генератора. Простейшим элек­трическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 67, а). В этом генераторе виток / представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3. При вращении витка с некоторой часто­той вращения п его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Фив каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 67, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно

правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом,— к нам. Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле прихо­дится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). Как было установлено в главе II, при прохождении тока / по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила Р. При указанном на рис. 67, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным по­люсом, будет действовать сила Р, направленная влево, а на провод­ник, расположенный под северным полюсом,— сила Р, направлен­ная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 67, а видно, что электромагнитный мо­мент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению провод­ников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора. Для того чтобы предотвра­тить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент М_вн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электро-

магнитного момента М, созданного током нагрузки генератора. Сле­довательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вра­щать его якорь каким-либо двигателем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомнутой внешней цепи гене­ратора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе. При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электри­ческой мощности Р_Эл, увеличиваются ток /, проходящий по провод­никам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механиче­ская мощность Р_мх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребля­ется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного ге­нератора, тем больше механической энергии забирает он от вра­щающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генера­тора следует, что характерным для него является:

совпадение по направлению тока I и э. д. с е в проводниках об­мотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электриче­скую энергию;

возникновение электромагнитного тормозного момента М, на­правленного против вращения якоря; из этого вытекает необходи­мость получения машиной извне механической энергии.

Принцип действия электрического двигателя. Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток / (рис. 67,6), распо­ложенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле по­люсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря. Если подклю­чить виток к источнику электрической энергии, например к электри­ческой сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы Р. При указанном на рис. 67, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила р, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила Р, направ­ленная влево. В результате совместного действия этих сил созда­ется электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой п. Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приво­дить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент М_вн, создаваемый этим устрой­ством, будет направлен против электромагнитного момента М.

Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, ра­ботающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки; следовательно, при указанном на рис. 67, б направлении вращение э. д. с. е, индуци­рованная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, рас­положенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 67, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом провод­нике, направлены против тока /', т. е. они препятствуют его прохожде­нию по проводникам.

Для того чтобы ток I продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель про­должал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напря­жение II, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходи­мо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.

При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, при­ложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внеш­него источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.

При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электро­двигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдавае­мой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает авто­матически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двига­теля следует, что характерным для него является:

совпадение по направлению электромагнитного момента М и ча­стоты вращения п; это характеризует отдачу машиной механи­ческой энергии;

возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с. е, направ­ленной против тока I и внешнего напряжения II. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин. Рассматривая прин­цип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего. Процесс преобразования механической энергии в электриче­скую в генераторе и электрической энергии в механическую в двига­теле связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнит­ных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электро­двигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и перехо­дить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Для выяснения этого положения рассмотрим работу электри­ческой машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение с/ больше суммарной э. д. с. Р. по всех по­следовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток / будет проходить в указанном на рис. 68, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую. Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения V, то ток / в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 68, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электро­магнитного момента М, который будет направлен против часто­ты вращения п. Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока / означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энер­гию, а появление тормозного электромагнитного момента М гово­рит о том, что она должна потреблять извне механическую энер­гию. Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводни­ках обмотки якоря, становится больше напряжения сети V, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при Е<.11 машина работает двигателем, при Е> V — генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в гене­раторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение II источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. Е в обмотке якоря.

Принцип действия

Машина постоянного тока (рис. 69, а) имеет обмотку возбужде­ния, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По об­мотке возбуждения проходит постоянный ток /_в, который создает магнитное поле возбуждения Ф_в. На роторе расположена обмотка якоря, в которой при вращении ротора индуцируется э. д. с.

При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, распо­ложенных под одним полюсом, направление э. д. с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, картина, изображающая направление э. д. с. на рис. 69, а, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше гори­зонтальной оси симметрии (геометрической нейтрали), э. д. с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометри­ческой нейтрали, э. д. с. направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от од­ного полюса к другому; э. д. с, индуцируемая в них, меняет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная э. д. с. Однако число проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная э. д. с, индуцируемая в провод­никах, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта э. д. с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 69, б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как э. д. с, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение II, рав­ное э. д. с, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую пере­менную составляющую, обусловленную изменением положения про­водников в пространстве. При большом числе проводников пульса­ции напряжения незначительны.

 

При подключении к щеткам нагрузки /?_н через обмотку якоря будет проходить постоянный ток /_я> направление которого определя­ется направлением э. д. с. В обмотке якоря ток /_я разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи г_я).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по про­водникам обмотки якоря (как это было на заре электромашино­строения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединя­ют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. В генераторах кол­лектор и щетки служат для преобразования изменяющихся по на­правлению э. д. с. и тока в проводниках обмотки якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с, напряжение и ток во внешней цепи. В двигателе с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора, осуществляющего скользящий контакт между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

Рассмотрим подробнее процесс преобразования э. д. с. и тока с помощью коллектора и щеток.

Назначение коллектора в генераторе. В простейшем генераторе (рис. 70) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 п 2 пересекают магнитные силовые линии и в них индуцируется переменная э. д. с. е. Если к кольцам, к которым припаяны концы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приемником электрической энергии, то по нему пойдет переменный ток /. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, так как при вра­щении витка они не пересекают магнитных силовых линий и, сле­довательно, не участвуют в создании э. д. с. Эти участки витка называют лооовыми частями.

В положении, показанном на рис. 70, а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э. д. с. в нем не индуцируется и тока нет. При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 70, б) обе стороны его будет пересекать магнитное поле, при этом в активных сторонах / и 2 индуцируются э. д. с. е и по витку и внешней цепи начинает проходить ток I. Применяя правило правой руки, можно установить, что э. д. с, индуцированная в стороне / витка, будет направлена от нас, а в. стороне 2 — к нам. Следовательно, во внеш­ней цепи ток проходит от щетки А, имеющей положительный потен­циал, к щетке Б с отрицательным потенциалом. В положении, показанном на рис. 70, в, виток снова не пересекает силовые линии поля, поэтому э. д. с. и ток уменьшаются до нуля. При повороте витка на 270° (рис. 70, г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный — сторона /. Поэтому направление э. д. с. в рабочих сторонах / и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 70, б. В резуль- 90 тате изменяются полярность щеток Л и Б и направление тока / во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуцированной э. д. с. е пропорционально числу силовых магнит­ных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени. При перемещении рабочих сторон витка под полюсами э. д. с. е, напря­жения и, действующие между щетками Л и Б, и ток I будут иметь некоторые постоянные значения (см. рис. 70,6). При переходе от одного полюса к другому направления е, и и I будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э. д. с, напряжения и тока в простейшем генераторе виток присоеди­няют не к двум кольцам, как показано на рис. 70, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало витка присоединяют к одной половине кольца, конец — к другой (рис. 71). Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) — коллек­торными пластинами.

Рассмотрим процесс изменения напряжения и тока во внешней цепи, подключенной к простейшему генератору, при наличии коллектора.

В положении, показанном на рис. 71, а, э. д. с. в витке не инду­цируется и тока во внешней цепи нет. При повороте витка на 90° (рис. 71, б) в его рабочих сторонах / и 2 индуцируется э. д. с. е и во внешней цепи будет протекать ток I от щетки Б к щетке Л. В положении, показанном на рис. 71, в, э. д. с. в витке не индуцируется и ток во внешней цепи равен нулю. Наконец, при повороте витка на 270° (рис. 71, г) направление э. д. с. е в рабочих сторонах / и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 71, б. Однако направление тока во внешней цепи остается неизменным, так как одновременно с поворотом витка меняются местами и коллек­торные пластины, вследствие чего к щетке Б подходит пластина, связанная со стороной 2 витка, а к щетке А — пластина, связанная со стороной /. Потенциалы щеток, т. е. напряжение и, при этом сохра­няются такими же, как и в положении, показанном на рис. 71,0, и ток I во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении. Таким образом, при замене двух контактных колец двумя изолиро­ванными одна от другой коллекторными пластинами происходит выпрямление напряжения и, действующего между щетками А и Б, а следовательно, и тока / во внешней цепи. Характер изменения напряжения и на щетках и тока / поясняется на рис. 71, д. Напря­жение и ток получаются постоянными по направлению, но перемен­ными по значению. Такой ток и напряжение называют пульси­рующими.

Пульсирующий ток мало пригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и сответственно число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря / (рис. 72) отдельные витки соединяют друг с другом последовательно. К каждой коллек­торной пластине 2 присоединяют конец предыдущего и начало сле­дующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 72, а). При вращении якоря между любыми двумя точками такой обмотки, например между а и Ь (рис. 72,6), действует пере­менная э. д. с. <?„л. Однако во внешней цепи между неподвижными щетками А и Б действует постоянная по направлению и значению э. д. с. Е, равная сумме э. д. с, индуцированных во всех последо­вательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками. Следовательно, коллектор осуществляет преобразование изменяющихся э. д. с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с. и ток, действующие во внешней цепи, т. е. работает в качестве механического выпрямителя.

Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э. д. с. и ток. Полностью освободиться от пульсации невозможно. Для большей части электрических потреби­телей эти пульсации не играют никакой роли и совершенно не отра­жаются на их работе.

Назначение коллектора в электродвигателе. Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подается постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает пере­менный ток (см. рис. 70,(3). Следовательно, в электродвигателе коллектор работает в качестве механического преобразователя по­стоянного тока в переменный, обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

Важную роль играет коллектор при распределении тока по про­водникам обмотки якоря. При вращении якоря проводники его об­мотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т. д. Этот переход дол­жен сопровождаться изменением направления тока в проводниках для того, чтобы электромагнитный момент машины действовал все

Распределение тока по проводни-обмотки якоря при его вращении

время в одном и том же направ­лении. Благодаря коллектору по всем проводникам, распо­ложенным под северным полю­сом, ток проходит в одном направлении, а по проводни­кам, расположенным под юж­ным полюсом,— в другом. Ког­да же при вращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направление тока в них также меняется на про­тивоположное. Например, в положении, показанном на рис. 73, а, ток / проходит по витку /. Возникающий при этом электромагнитный момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток / в процессе поворота якоря займет положение, показанное на рис. 73,6, коллек­торные пластины, к которым присоединен этот виток, выйдут из-под щеток, и ток перестанет проходить по витку /. Однако под щетками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединенных с вит­ком 2, и ток г начнет проходить по этому витку. Электромагнитный момент М будет действовать в том же направлении, что и при поло­жении якоря, показанном на рис. 73, а. То же самое будет иметь место при повороте каждого витка на 180°, когда их рабочие стороны перейдут под полюсы другой полярности. Подобную же роль в распределении тока по проводникам обмотки якоря играет коллектор при работе машины в генераторном режиме: при любом положении якоря электромагнитный тормозной момент, созданный всеми проводниками обмотки якоря, действует в одном и том же направлении.