Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока

По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.

Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока

и путем его выпрямления при помощи специальных устройств — выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Простейший генератор по­стоянного тока (рис. 164, а и б) имеет полюсы электромаг­нита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и В, вращающимся вместе с витком. Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала, и пред­ставляют собой в простейшем виде коллектор, служащий для вы­прямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки / и //, по которым ток с полуколец А и Б на­правляется во внешнюю цепь.

При вращении в магнитном поле рамки в ней будет индукти­роваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. Направление э. д. с, индуктируемой в каж­дый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки. В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полу­кольца меняют щетки, поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по зна­чению.

График изменения э. д. с. в витке можно изобразить кривой, по­казанной на схеме в (рис. 164), а график изменения тока во внеш­ней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, как на схеме г (рис. 164).

Как показывает-последний график, э. д. с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по значению от пуля до 'максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э. д. с. в таком виде имеет большую 'пульсацию, и ток, протека­ющий по замкнутому контуру, носит название пульсирую­щего.

Чтобы «сгладить» пульсацию, в генераторах устанавливают очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относитель­но друг друга на некоторый угол н при вращении всех витков пульсация уменьшается.\

В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по значению. Обычно в генераторах бывает такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э. д. с, имеет совершенно незначительную пульсацию (1 % среднего значения э. д. с), и потому ее значение считается постоянным.

Основные элементы генераторов и двигателей постоянного то­ка конструктивно одни и те же.

На рис. 165 показаны главные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных ча­стей: станины с закрепленными полюсами-электромагнита­ми, якоря с обмоткой п коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего под­шипниковых щитов.

Станины у современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выпол­няются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьми­гранные, круглые и т. д.). К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников с наконечниками (рис. 166), на которых находятся обмотки возбуждения из изолированной медной проволоки.

Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного по­ля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на пего катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное и составляет, 2, 4, 6 и более. При этом северные и южные полюсы чередуются между собой.

Сердечники полюсов снабжаются полюсными наконечниками (башмаками) для улучшения распределения линий магнитного поля машины. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечни­ки, собирают из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляют отдель­но от станины и крепят к ней, как это показано на рис. 166.

Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется пере­менная э. д. с; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сер­дечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от дру­га специальной тонкой бума­гой или покрытых изолирую­щим лаком. Отдельные ли­сты сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверх­ности якоря образовались пазы, в которые затем укладывают секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Сек­ции обмоток соединяют между собой в определенной последова­тельности. Набранный таким образом якорь надевают на сталь­ной вал машины, на котором его закрепляют шпонкой. На одном валу с якорем насажены коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала машины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаиваются начало одной и конец другой секции. Пластины изготовляют из твердотянутой меди соответствующего профиля и изолируют друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с концами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление (шлиц), в кото­рое вводят (вбивают) концы секций и припаивают их. Коллек­тор является одной из наиболее ответственных частей электриче­ской машины.

Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляют в гнезда щеткодержателей; они прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. В современных электрических машинах применяют угольные, медно-графитные и графитные щетки.

Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.

На корпусе машины обычно устанавливается выводная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — выводы, служащие для соединения машины с цепью.

Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся-ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором) — статором.

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для получения электрического тока во внешней цепи генерато­ра необходимо, чтобы между его полюсами был магнитный поток и якорь генератора вращался каким-либо двигателем.

Магнитный поток в генераторе постоянного тока (в его магнитной системе) создается три пропускании тока через катушки воз­буждения (обмотки полюсных сердечников). В зависимости от способа питания обмоток возбуждения генераторы делятся на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждение м.

В первых питание обмотки возбуждения производится от пос­тороннего источника тока, а в генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбуждения производится током самого генератора. Поэтому в первом случае цепь возбуждения и цепь якоря электрической связи не имеют, а во втором случае цепи возбуждения и якоря соединены между собой. При этом в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения и якоря генераторы с са­мовозбуждением делятся на три группы: генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые; генераторы последовательного возбуждения, или сериесные; генераторы смешанного возбуждения, или компаундные.

На судах морского флота генераторы с одной последовательной обмоткой возбуждения не применяются, так как у них ток возбуждения, а следовательно, и напряжение на зажимах в сильной степени зависят от режима нагрузки генератора.

В генераторах с параллельной обмоткой возбуждения с увеличением режима нагрузки во внешней цепи напряжение на зажимах генератора снижается, что является большим недостатком этих генераторов.

У генераторов смешанного возбуждения полюсные сердечники имеют по две обмотки: одна включена последовательно с обмоткой якоря, а вторая — параллельно. При такой схеме включения устраняются недостатки, присущие генераторам последовательного и параллельного возбуждения.

На судах морского флота устанавливают в основном генерато­ры со смешанным возбуждением, так как у этих генераторов обеспечивается постоянное напряжение на зажимах при изменении нагрузки.

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В двигателе постоянного тока магнитные поля создаются полюсами обмотки возбуждения и обмоткой якоря, по которым пропускается ток. При пропускании через них постоянного тока якорь машины придет во вращение. Направление вращения якоря определяется правилом левой руки. Если изменить направление тока в якоре или в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя также изменится.

При работе электродвигателя его якорь с обмоткой, вращаясь в магнитном поле, создаваемом магнитами полюсов, пересекает силовые магнитные линии магнитного потока полюсов и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции в обмотке якоря индуктируется э. д. с. Направление этой э. д. с. противоположно направлению тока, текущего в обмотке якоря (определяется по правилу правой руки), (Ввиду чего она называется обратной э. д. с, или противоэлектродвижущей силой (противо Э. Д. С.).

Необходимо заметить, что во время пуска двигателя противоэлектродвижущая сила равна нулю и ток якоря может достигнуть недопустимо большого значения, так как сопротивление обмотки якоря незначительно. Поэтому в момент пуска в цепь якоря после­довательно вводят дополнительный резистор — пусковой реостат. С началом вращения якоря нарастает противо э. д. с, сни­жающая ток в якоре, поэтому по мере раскручивания двигателя (с увеличением частоты вращения двигателя) сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают и совсем его выключают, как только двигатель разовьет номинальную частоту вращения, так как в этом случае обмотка якоря перегрузки испытывать не будет.

Электродвигатели постоянного тока, как и генераторы, в зависимости от способа включения обмоток возбуждения и якоря под­разделяются на двигатели: с независимым возбуждением; с после­довательным возбуждением, или сериесные; с параллельным возбуждением, или шунтовые; со смешанным возбуждением, или компаундные.

На судах морского флота электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением с легкой параллельной обмоткой применяются для привода палубных механизмов (брашпилей, шпилей, лебедок, кранов), где требуется большой вращающий момент при пуске.

Электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением применяются для привода механизмов, у которых необходимо иметь постоянную частоту вращения независимо от их нагрузки и у которых не требуется большой пусковой момент (вспомогатель­ные механизмы и насосы, обслуживающие главные двигатели и судовые системы, станки).

Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбужде­нием применяются для привода механизмов, требующих большого пускового момента и сохранения постоянной частоты вращения, а также имеющих значительный маховой момент (палубные меха­низмы, рулевые приводы, валоповоротные устройства и др.).

Конструктивно электродвигатели выполняются с горизонтальным и с вертикальным валом.

По типу защиты от воздействия внешней среды электродвигате­ли бывают такие же, как и генераторы: открытые, защищенные, брызгозащищённые, водозащищенные, герметичные и взрывозащищённые.

Управление электродвигателями постоянного тока сводится в основном к выполнению следующих операций: пуску, остановке, торможению, реверсированию и регулированию частоты вращения, Эти операции могут быть выполнены вручную, автоматически или полуавтоматически при помощи соответствующей аппаратуры управления (пусковые и регулировочные реостаты, электрические и механические тормозные устройства и др.).

Частота вращения электродвигателя регулируется изменением напряжения на зажимах якоря или изменением магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, т. е. изменением силы тока возбуждения электродвигателя при помощи регулировочного реос­тата.

Для быстрой остановки электродвигателей необходимо применять торможение. Торможение электродвигателей постоянного тока может быть механическим и электрическим. Механическое торможение осуществляется при помощи колодочных, ленточных и дисковых тормозов. Электрическое торможение может быть произведено или в виде полезного торможения, при котором двигатель обращается в генератор и возвращает электрическую энергию в цепь, или же в виде реостатного торможения.

Изменить направление вращения электродвигателя постоянного тока можно двумя способами: 1) изменить направление тока в полюсных обмотках возбуждения, оставив направление тока в об­мотке якоря без изменения; 2) изменить направление тока в обмотке якоря, оставив без изменения направление тока в полюсных обмотках возбуждения. Если одновременно изменить направление тока и в обмотке якоря и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.