Уроки 45-46. Електричні машини постійного струму. Принцип дії та будова генератора постійного струму.

ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Призначення і застосування електричних машин постійного струму.

Електричні машини постійного струму, як і будь-які інші електричні машини, — це електромеханічні перетворювачі енергії. Машинам постійного струму, як і іншим електричним машинам, притаманна енергетична оберненість, а саме: машина однієї і тієї самої конструкції може працювати і як генератор, і як двигун. Генератори постійного струму перетворюють механічну енергію обертального руху в енергію постійного струму, а двигуни постійного струму — навпаки. Історично склалося так, що першими були винайдені, побудовані і застосовані на практиці машини постійного струму. Застосовуються машини постійного струму і тепер, але галузі їх застосування звужуються. Сучасні системи енергозабезпечення працюють на трифазному змінному струмі. Генератори постійного струму застосовуються для живлення пристроїв, які споживають постійний струм: електролітичні ванни, акумуляторні батареї під зарядкою, електрозварювальні пристрої, двигуни постійного струму. Застосовуються вони також на рухомих об’єктах: автомобілях, літаках, залізничному транспорті, морських та річкових суднах. Слід відзначити, що з бурхливим розвитком силових напівпровідникових приладів (потужних тиристорів і транзисторів) і широким застосуванням їх у керованих і некерованих випрямлячах та інверторах — пристроях для перетворення змінного струму у постійний і навпаки, застосування генераторів постійного струму різко зменшується. Причиною цього є істотні недоліки машин постійного струму, а саме: 

наявність у машин постійного струму дорогого і ненадійного вузла— колекторно-щіткового механізму;

іскріння під час роботи під навантаженням, що робить неможливим експлуатацію у вибухонебезпечних середовищах; 

складна технологія виготовлення; 

необхідність догляду за машиною.

Двигуни постійного струму застосовуються значно ширше, ніж генератори. Це пояснюється важливими перевагами двигунів постійного струму: можливістю плавно, простими засобами і у широких межах змінювати частоту обертання; значним пусковим моментом і одночасно незначним пусковим струмом; здатністю до перевантажень. Зазначені позитивні якості двигунів постійного струму зумовлюють широке застосування їх у системах автоматичного керування, автомобіль* йому, залізничному та морському транспорті, міському електротранспорті тощо. Зазначені вище недоліки машин постійного струму притаманні і двигунам, що обмежує їх застосування. Виробництво і широке застосування потужних силових тиристорів і транзисторів для виготовлення спеціальних джерел електроенергії зі змінною частотою і напругою, призначених для живлення і частотного керування швидкістю обертання асинхронних двигунів, призводить до витіснення ними двигунів постійного струму із галузей їх традиційного застосування. Останнім часом створені і успішно застосовуються двигуни постійного струму, в яких механічний колектор замінено на безконтактний комутатор на напівпровідникових елементах.

Будова електричних машин постійного струму.

Генератори і двигуни постійного струму за будовою принципово не відрізняються один від одного. Конструктивно машина постійного струму (див рис. 9.1) складається з нерухомого статора й рухомого ротора, розділених повітряним зазором. Статор складається зі станини 1, до якої прикріплено осердя основних 2 і додаткових 3 полюсів. На цих осердях розміщено котушки обмотки збудження 4 і обмотки додаткових полюсів 5. Станина, а також осердя основних і додаткових полюсів є частинами магнітопроводу. Обмотка збудження, як і в синхронній машині, створює МРС збудження і відповідний основний магнітний потік. Обмотка додаткових полюсів створює МРС для компенсації реакції якоря і поліпшує умови комутації (усуває іскріння в ковзних контактах* «щітка — колектор»).Осердя основних полюсів або їх наконечники виготовляють шихтованими (із стальних штампованих листів), а додаткові — масивними або також шихтованими. Це робиться з метою зменшення втрат потужності від вихрових струмів, які наводяться в наконечниках основних полюсів завдяки пульсаціям магнітного потоку в повітряному зазорі під час обертання зубчастого якоря. Полюси прикріплюються до станини болтами. Котушки основних і додаткових полюсів виготовляються з ізольованого мідного проводу круглого чи прямокутного перерізу. Якір, закріплений на валу 6, складається з осердя 7 (яке є частиною магнітопроводу машини), обмотки 8 та колектора 9. Осердя якоря, яке перемагнічується з частотою f, збирають з ізольованих листів електротехнічної сталі. У пази осердя вкладають секції обмотки якоря, котра, як і в машинах змінного струму, може бути петльова,(рис. 9.2, а) або хвильова (рис. 9.2, б).Обмотку виготовляють двошаровою: у кожному пазі вкладено дві частини різних секцій — одна поверх іншої. Кінці секцій припаюють до відповідних колекторних пластин. Секції можуть бути одно- і багатовитковими. Над колектором встановлюють щітки 11 (див. рис. 9.1), які розміщуються у щіткотримачах, закріплених на підшипниковому щиті 13 за допомогою траверси 14. Щітки притискаються до колектора за допомогою пружин, натиск яких можна регулювати. Виводи від обмоток збудження і якірної групи розміщують у клемній коробці 19. Якір з’єднано зі статором за допомогою підшипникових щитів 13 та 15. На якорі встановлено підшипники 16 та 17. Уся машина кріпиться до фундаменту за допомогою лап 18. Для охолодження електричних машин передбачено аксіальні канали 10.Крім зазначених обмоток, у наконечниках основних полюсів машини постійного струму зі складними умовами комутації (прокатні, спеціального призначення тощо) розміщують компенсаційну обмотку, яка з’єднується послідовно з обмоткою якоря так, щоб магнітний потік від струму в ній був спрямований назустріч потоку від струму якоря і повністю компенсував би його реакцію. Особливим конструктивним компонентом, властивим машинам постійного струму, є колектор. Здебільшого колектор виготовляють у вигляді циліндра (рис. 9.3), який зібрано з клиноподібних пластин 1 із твердої міді; між пластинами розміщені ізоляційні прокладки 2 з міканіту.

Принцип дії генератора і двигуна постійного струму.

Машини постійного струму мають властивість енергетичної оберненості. Це означає, що робота і генератора і двигуна базується на одних і тих самих принципах. Якщо обмотку збудження увімкнути до джерела електричної енергії, то по обмотці йтиме постійний струм. Під дією струму створюється основне магнітне поле електричної машини. За допомогою основних полюсів і, зокрема, наконечників цих полюсів формується рівномірний розподіл індукції по дузі циліндричної поверхні ротора. Обмотка збудження разом з магнітопроводами статора і ротора називається індуктором, тобто тією частиною електричної машини, що створює основне магнітне поле. Під дією сумарного моменту, прикладеного до ротора, він обертається. Провідники обмотки, обертаючись разом із ротором, перетинають лінії основного магнітного поля і, згідно із законом електромагнітної індукції, в них наводиться електрорушійна сила. Та частина електричної машини, в якій наводиться ЕРС, прийнято називати якорем. Отже, в машинах постійного струму якорем є обмотка ротора. За допомогою колекторно-щіткового вузла здійснюється ковзний електричний контакт між рухомим колектором і нерухомими клемами машини, Через це ковзне з’єднання електрорушійна сила передається на клеми машини. Електрорушійна сила якоря двигуна спрямована проти струму. Рухаючи електричні заряди проти ЕРС двигуна, зовнішнє джерело електричної енергії виконує роботу, передаючи свою енергію двигуну. Двигун таким чином споживає електричну енергію. У генераторі постійного струму, навпаки, під дією ЕРС якоря протікає струм у споживачеві. Генератор віддає електричну енергію. Провідники обмотки якоря зі струмом знаходяться в основному магнітному полі і на них діє сила Ампера. Сумарний момент сил Ампера усіх провідників обмотки ротора становить електромагнітний момент машин постійного струму. Він є гальмівним моментом, напрям якого протилежний напряму обертання. Долаючи цей момент, первинний двигун обертає ротор протилежно напряму його дії, виконуючи при цьому роботу і, таким чином, механічна енергія первинного двигуна перетворюється в електричну. Електромагнітний момент двигуна є рушійним. Прикладений до валу виконавчого механізму електромагнітний момент обертає цей вал, переборюючи дію сил опору виконавчого механізму, спрямованих проти напряму руху валу. Електрична енергія, яку споживає двигун від джерела, перетворюється в механічну енергію обертального руху виконавчого механізму.