Динамо-машина: принцип работы генератора постоянного тока, особенности устройства, роль якоря и коллектора

Динамо-машина: принцип работы генератора постоянного тока, особенности устройства, роль якоря и коллектора

Электрические машины постоянного тока

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 – полюсы индуктора, 2 – якорь, 3 – проводники, 4 – контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками – ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, – в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви – противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

(1)

где Се – константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство – коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

3. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U – напряжение на зажимах генератора;
Rя – сопротивление обмотки якоря.

(2)

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

4. Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт – амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв – падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт – амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

6. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где CM – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.
Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

. (3)

Рис.13 Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)
(5)

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:

  1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
  2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
  3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

7. Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

, откуда

(6)

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n2 от момента на валу M2 при U = const и Iв = const.
Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 14

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Рис. 15 Рис. 16

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k – коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

Рис. 17Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения выглядит следующим образом:

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.
С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.
Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д., когда жесткость, то есть рывки момента недопустимы.

Устройство коллекторных машин постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

  1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
  2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

  • сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
  • цельный шихтованный— применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Читайте также:  Светодиодные светильники для уличного освещения: виды фонарей, область применения и советы по выбору

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

  1. индуктор: неподвижная часть;
  2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Читайте также:  Перекидной рубильник для генератора: принцип работы и виды, как сделать своими руками

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

  1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
  2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
  3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
  4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

  • простота и широкий диапазон регулировки;
  • жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

  • искрение;
  • засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
  • появление помех в сети;
  • при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

  1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
  2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

  1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
  2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

  • при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
  • можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

  1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
  2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).

§26. Принцип действия

Машина постоянного тока (рис. 69, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток Iв, который создает магнитное поле возбуждения Фв. 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 U, 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.

Рис. 69. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 — главные полюсы; 3 — якорь; 4 — обмотка якоря; 5 — щетки; 6 — остов (станина)

При подключении к щеткам нагрузки Rн через обмотку якоря будет проходить постоянный ток Iя, направление которого определяется направлением э. д. с. В обмотке якоря ток Iя разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи iя).

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 и 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 i. 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 лобовыми 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 1 и 2 индуцируются э. д. с. с и по витку и внешней цепи начинает проходить ток i. Применяя правило правой руки, можно установить, что э. д. с, индуцированная в стороне 1 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 1. Поэтому направление э. д. с. в рабочих сторонах 1 и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 70, б. В резуль-

Рис. 70. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе (а—г) и кривые изменения э.д.с. е в проводниках обмотки якоря, напряжения u и тока i (д) во внешней цепи

тате изменяются полярность щеток А и Б и направление тока i 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 А 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 1 и 2 индуцируется э. д. с. е и во внешней цепи будет протекать ток i от щетки Б к щетке А. 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 1 и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 71, 6. 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 1. Потенциалы щеток, т. е. напряжение и, при этом сохраняются такими же, как и в положении, показанном на рис. 71,б, 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 i во внешней цепи. Характер изменения напряжения и на щетках и тока i 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.

Читайте также:  Как прозвонить диодный мост генератора: проверка обмотки и интегралки, причины неисправностей

Рис. 71. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе при наличии на нем коллектора (а—г) и график изменения его напряжения и и тока i во внешней цепи (д)

Рис. 72. Схемы подключения обмотки якоря к пластинам коллектора

Для лучшего использования обмотки якоря 1 (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 b (рис. 72,6), действует переменная э. д. с. eab. 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, д). 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

Рис. 73. Распределение тока по проводникам 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 i проходит по витку 1. Возникающий при этом электромагнитный момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток 1 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 1. Однако под щетками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединенных с витком 2, и ток i 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.

Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0.

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — ещ (рис. 4).

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Хотя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек:

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря.

Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9.

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции.

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1. генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2. генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Добавить комментарий