Машины постоянного тока

Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Простейшим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S (см. рис. 1). В таком витке индуктируется переменная во времени ЭДС . Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает переменный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Рис.1 - Схема устройства

генератора постоянного тока

1 — виток, 2 и 3 — щетки,

4 — коллекторные пластины

Щетки на коллекторе установлены так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС , индуктируемая в витке, была равна нулю. В этом случае при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС , изменяющаяся синусоидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и соответственно с тем из проводников, который в данный момент находится под полюсом определенной полярности.

Следовательно, ЭДС на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи проходит в одном направлении от щетки 2 через сопротивление R к щетке 3. Однако несмотря на неизменность направления ЭДС во внешней цепи величина ее меняется во времени, т. е. получена не постоянная, а пульсирующая ЭДС. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим.

Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к другому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация ЭДС и тока во внешней цепи значительно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при большом числе коллекторных пластин ЭДС и ток практически постоянны.

В машине постоянного тока неподвижная часть является индуктирующей, т. е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть - индуктируемой (якорем).

Рис. 2 -Устройство статора машины постоянного тока:

а - схема статора, б - схема главного полюса;1 - главные полюсы,

2 - дополнительные полюсы,3 - станина, 4- сердечник, 5 - болт,

6 - обмотка возбуждения,7 - полюсный наконечник

Неподвижная часть машины (рис. 2, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный полюс (рис. 2, б) представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток. Он состоит из сердечника 4, обмотки возбуждения 6 и полюсного наконечника 7. Полюсы крепятся на станине 3 с помощью болта 5. Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса помещена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолированного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный наконечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного поля под полюсом. Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги.

Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку. Добавочные полюсы расположены между главными полюсами, и число их может быть либо равным числу главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей; они служат для устранения искрения под щетками. В машинах малых мощностей добавочных полюсов обычно нет.

Станину отливают из стали; она является остовом машины. На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на торцовых сторонах ее - боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины.

Вращающаяся часть машины (якорь) состоит из сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря. В теле якоря делают воздушные каналы для охлаждения обмотки и его сердечника. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями. Лобовые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, включаются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь, и присоединяются к коллекторным пластинам.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдельных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами.

Коллектор является наиболее сложной в конструктивном отношении и наиболее ответственной в работе частью машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической во избежание биения и искрения щеток.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое переходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки. Щетки помещают в особых щеткодержателях. Щетка, помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной к коллектору. На каждом щеткодержателе может находиться несколько щеток, включенных параллельно.

Щеткодержатели помещаются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе.

Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов.

Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в машинах большой мощности. Траверсу можно поворачивать и этим изменять положение щеток относительно полюсов.

Обычно траверса находится в таком положении, при котором расположение щеток в пространстве совпадает с расположением осей главных полюсов.

Обмотки якорей и ЭДС машины постоянного тока

Обмотки якорей машины постоянного тока изготовляют из изолированных медных проводов, а в машинах больших мощностей - из шин прямоугольного поперечного сечения; обмотки выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения (стержней) каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция). Из изолированного медного провода секции обмоток изготов ляют в виде катушек с определенным числом витков многовитковые секции).В машинах постоянного тока наиболее широкое применение находят двухухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя.

Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, отстоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному делению т. е. расстоянию между осями соседних разноизменных полюсов. При таком расстоянии между активными проводниками (шаге обмотки) ЭДС, индуктированные в этих проводниках, будут направлены в одну сторону и ЭДС секции будет иметь наибольшее значение, так как ЭДС ее активных сторон складываются (рис. 3). Одна активная часть секции находится в верхнем слое паза, другая - в нижнем. При изображении развернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя - прерывистой. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.

Секции, образующие обмотки, соединяются между собой так, чтобы индуктированные в них ЭДС были направлены согласно, т. е.

одну сторону. Для этого начальные (конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под полюсами одинаковой полярности. В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последовательными (волновыми).

На рис. 3 показана (толстой линией) одновитковая (а) и много-витковая (б) секции параллельной обмотки, состоящие из активной части верхнего слоя паза 1 и нижнего слоя паза 1+у₁. В этих обмотках последовательно соединяются между собой секции начальные (конечные), активные стороны которых находятся под одним полюсом в расположенных рядом пазах. Таким образом, концы секции параллельной обмотки присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам (1' и 2'), причем в многовитковых секциях к пластине 1' подключается начало первого витка, а к пластине 2' - конец последнего витка, соединяемый с началом следующей секции. Любая коллекторная пластина (например, 1') соединяется с двумя активными проводами, в каждом из которых проходит ток одной параллельной ветви обмотки,, так что между двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллельные ветви.

Рис. 3 Секция простой параллельной обмотки

а) одновитковая, б) многовитковая

При параллельных обмотках число щеток должно быть всегда равно числу полюсов 2р и, следовательно, число параллельных ветвей 2а в этих обмотках равно числу полюсов, т. е. 2а=2р(а=р).

При большом числе полюсов параллельная обмотка образует много параллельных ветвей, что дает возможность понизить ток в одной ветви и уменьшает поперечное сечение провода обмотки.

В последовательных обмотках начальные (конечные) активные провода секций находятся под различными полюсами одинаковой полярности (рис. 4).

Рис. 4- Развернутая схема секций простой последовательной обмотки:

а) одновитковая, б) многовитковая

Активные стороны первой секции находятся под полюсами N₁ и S₂. Активные стороны второй секции, последовательно соединенной с первой, находятся под полюсами N₂-S₂, третьей секции - под полюсами N₃ и S₃ и т. д. После включения всех секций по окружности якоря соединяется верхний проводник пары n-1, лежащей рядом (обычно слева) с проводником пары n, от которого начали обход обмотки. Последовательно с верхним проводником пары n-1 включаем проводники, лежащие под полюсами S₁ N₂, S₂ и т. д., по окружности якоря, и заканчиваем проводником, лежащим рядом с проводником n-1. Затем вновь соединяем пары проводников, находящиеся под различными полюсами по окружности якоря и т. д., пока все проводники не окажутся включенными в замкнутую цепь. Вне зависимости от числа полюсов простая последовательная обмотка образует две параллельные ветви, т. е. 2а=2. Поэтому при любом числе полюсов машина может иметь только две щетки, если обмотка якоря последовательная, причем эти щетки должны помещаться на расстоянии 1/2p части окружности коллектора. Например, при р=2 расстояние между щетками должно быть равно четверти окружности коллектора. Это дает возможность делать доступной для осмотра не всю окружность коллектора, а только ее часть.

Наличие только двух параллельных ветвей свидетельствует о том, что в каждой ветви последовательно соединяется большое число активных проводов и ЭДС машины может иметь большое значение. Поэтому последовательные обмотки находят применение для машин высокого напряжения.

В проводнике, перемещающемся в магнитном поле в направлении, перпендикулярном направлению магнитных линий этого поля, создается ЭДС, равная c=Blv, где В - среднее значение магнитной индукции, Тл; l - длина проводника, м; v - скорость перемещения проводника, м/с.

На якоре машины укладывается большое число активных проводников, которое обозначим буквой N. В каждой параллельной ветви обмотки будет последовательно включено N/2a активных проводника. Таким образом, ЭДС машины E=N/2a·e=N/2aBlv.

Скорость перемещения проводников в магнитном поле v = 2р n/60 , где 2р - число полюсов машины;  - полюсное деление; т. е. расстояние между осями разноименных полюсов; n - частота вращения якоря машины в минуту.

Имея в виду, что произведение среднего значения магнитной индукции В на осевую длину полюса l и на полюсное деление  представляет собой магнитный поток одного полюса Ф=В l , получим для ЭДС машины следующее выражение:

Для каждой машины величины р, N и а постоянны, так что отношение pN/60a = С представляет собой величину, постоянную для данной машины. Следовательно, ЭДС машины постоянного тока определяется следующим выражением: Е = СnФ, т. е. ЭДС машины постоянного тока равна произведению постоянной конструктивной величины С на частоту вращения якоря в минуту n и магнитный поток полюсов Ф. Это выражение показывает, что для изменения ЭДС (или напряжения) машины необходимо изменить либо частоту вращения якоря, либо магнитный поток полюсов. Так как изменение частоты вращения двигателя, приводящего в движение генератор, связано со значительными сложностями, то на практике регулировку ЭДС и напряжения производят изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В цепь обмотки возбуждения включают реостат для изменения тока возбуждения.

Лекция

Расчет и анализ цепей переменного

синусоидального тока,

и трехфазного силового трансформатора

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе, напряжении.

Электрические цепи переменного тока по количеству фаз разделяются на однофазные и многофазные.

Рис.1. Вольт-амперная характеристика:

а - линейного элемента; б - нелинейного элемента

Из многообразных электрических цепей широкое практическое применение имеют трехфазные электрические цепи.

По типу элементов, включенных в цепь, электрические цепи разделяются на линейные и нелинейные.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление, индуктивность и электрическая емкость участков которой не зависят от значений и направлений токов и напряжений в цепи, а также от , называется линейной. Сопротивление линейных элементов не зависит также от температуры.

Связь между током и напряжением в линейных цепях выражается линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями

Вольт-амперная характеристика линейного элемента изображается прямой линией (рис. 1, а). Строго говоря, реальные электрические и радиотехнические цепи не подчиняются линейному закону. С изменением тока в индуктивной катушке с железным сердечником индуктивность L не остается постоянной, не остается постоянной и емкость С конденсатора с различными диэлектриками при изменении напряжения. Сопротивления всех приемников в той или иной мере зависят от температуры. Металлические проводники при нагревании увеличивают сопротивления, электролиты - уменьшают, сопротивление полупроводников и диэлектриков также изменяется при нагревании. Но учитывая, что в электрических цепях ряд приемников нагревается незначительно, изменением сопротивления этих приемников можно пренебречь и электрическую цепь считать линейной. В линейных цепях индуктивность L и емкость С цепи не зависят от значения и направления тока и напряжения.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление, индуктивность или емкость хотя бы одного из участков которой зависят от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью.

Нелинейные электрические цепи имеют нелинейные элементы. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента изображается кривой линией. Примером нелинейных элементов являются вентили, электронные лампы, термосопротивления, лампы накаливания. Вольт-амперная характеристика вентильного диода изображена на рис. 1, б.

В дальнейшем будем изучать линейные электрические цепи. Электрические цепи бывают с последовательным соединением приемников (неразветвленные электрические цепи), с параллельным соединением приемников (разветвленные электрические цепи) и со смешанным соединением приемников.