торможение противовключением.

Генераторное торможение. Машина переходит в режим генера­тора, если ротор начнет вращаться быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты ис­точника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор на­чинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнит­ного момента, т. е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к измене­нию направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

Одно из достоинств генераторного торможения у асинхрон­ных машин заключается в том, что переход в режим генератора происходит автоматически, как только ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля. Это защищает асинхронные двигатели От аварийной ситуации, которая может наступить у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели не могут пойти в разнос. Максимальная частота вращения ротора ограничивается частотой вращения магнитного поля.

Генераторное торможение является самым экономичным режимом, так как происходит преобразование механической энергии в электрическую и возврат энергии в сеть. Одно из достоинств этого тормозного режима состоит в его самопроизвольном появлении, т. е. не требуется никакая контролирующая аппаратура.

Динамическое торможение. Этот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможе­ния обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением. При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнит­ное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к из­менению направления электромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этого момента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать время торможения.

Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. После останов­ ки двигатель нужно отключить от сети постоянного тока. Основные недостатки динамического торможения: необходим источник постоянного тока и неэкономичность.

Торможение противовключением. Этот тормозной режим воз­никает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередова­ния фаз, т. е. переключить две фазы.

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, так как тормозной момент действует на всем тормоз­ ном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможе­нии, необходима аппаратура, контролирующая скорость вра­щения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших по­терь мощности.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Число оборотов ротора в минуту определяется следующим вы­ражением:

Из выражения видно, число оборотов ротора асинхронного двига­теля можно регулировать изменением любой из трех величин:f₁ , р, S.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с по­ мощью изменения частоты тока сети возможно на базе полупро­водниковой техники. При таком регулировании частота вращения изменяется плавно.

Изменение числа полюсов электрической машины возможно, если на статоре выполнено несколько (обычно две) обмоток с раз­ личным числом полюсов или одна обмотка, допускающая переклю­чения на различное число полюсов. При изменении числа полюсов обмотки статора изменится скорость вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования является достаточно экономичным, но недостаток его состоит в ступенчатом изменении частоты вращения двигателя. Кро­ме того, стоимость такого двигателя возрастает вследствие усложне­ния обмотки статора и увеличения габаритных размеров машины.

Регулирование частоты вращения этим способом применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором.

Изменение скольжения можно получить путем введения в цепь обмотки ротора регулирующего реостата. Регулирующий реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому, но в отличие от пускового этот реостат рассчитывается на длитель­ную нагрузку током. Этот способ регулирования частоты вращения Синхронных двигателей имеет ряд существенных недостатков: до­полнительные потери в реостате, малый диапазон регулирования.

Асинхронные двигатели являются наиболее распространенны­ ми среди электрических двигателей и выпускаются со стандартизованными номинальными значениями синхронных частот вращения для промышленной частоты сети 50 Гц: 3 ООО; 1 500; 1 ООО; 750 375; 300; 250; 187,5; 166,6; 150; 125; 100 об/мин.

Номинальные рабочие частоты асинхронных двигателей не­ сколько меньше синхронных из-за наличия скольжения.

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Коэффициент мощности асинхронного двигателя определяется соотношением

где P₁ Q₁, S₁ активная, реактивная и полная мощность двигателя соответственно.

Активная мощность двигателя Р₁ складывается из мощности на валу Р₂ (полезной мощности) и мощности потерь Р:

P₁= Р₂+ Р.

Потери складываются из электрических потерь (потери на на­грев обмоток) Р_эл; потерь в стали (потери на нагрев сердечника) Р_ст и механических потерь Р_мех:

Р= Р_эл+ Р_ст+ Р_мех.

Электрические потери Р_эл зависят от токов в обмотках и возрас­тают при увеличении нагрузки на валу. Потери в стали не зависят от нагрузки на валу, а зависят от подведенного к обмотке статора на­пряжения. Механические потери относятся к постоянным потерям.

В номинальном режиме cos _н = 0,85 — 0,9, в режиме холостого хода cos _х = 0,1 —0,2.

Снижение cos _х объясняется тем, что активная мощность мала (Р_1х = Р_эл+ Р_ст+ Р_мех). А реактивная мощность Q₁ остается такой же, как и в номинальном режиме. Зависимость коэффициента мощности асинхронного двигателя от нагрузки на валу показана на рис. 11. При большой недогрузке асин­хронного двигателя он имеет низкий коэффициент мощности, что экономически невыгодно.

Для повышения cos при малой нагрузке рекомендуется

пони­ жать подведенное к двигателю напряжение.

При этом уменьшает­ся реактивная мощность, а

коэффициент мощности повышается.

3.МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети f и числом пар полюсов p:

Как и всякая электрическая машина, синхронная машина является обратимой, т. е. может работать в режиме как генератора, так и двигателя.

В 1876 г. русский ученый П. Н. Яблочков разработал несколько об­разцов многофазных синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и электрически несвязанными фазами, предназна­ченных для питания созданных им дуговых электрических ламп (све­чи Яблочкова). Первый трехфазный синхронный генератор изобрел известный русский электротехник М. О. Доливо - Добровольский. Этот генератор имел мощность 230 кВ • А, приводился во вращение от гидротурбины и обеспечивал электроснабжение международной электротехнической выставки во Франкфурте в 1891 г. по четырех­ проводной электрической линии трехфазного тока.

Основная электромагнитная схема синхронных машин с тех пор оставалась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное выполнение и возросли электромагнитные нагрузки, что по­зволило значительно улучшить массогабаритные и энергетические показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Внеш­ний вид синхронного генератора представлен на рис. 12.

Рис.12. Внешний вид синхронного генератора

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанав­ливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электро­станциях, а также на передвижных электростанциях и транспорт­ных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода.

В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенератор и дизель – генераторы.Турбогенераторы приводятся во вращение паровым и или газовыми турбинами, гидрогенераторы — гидротур­бинами, дизель – генераторы — двигателями внутреннего сгорания. Синхронные машины широко используют также в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и более для привода на­сосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работа­ющих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности в целях улучшения коэффици­ента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы. В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широкое применение по­ лучили различные синхронные микромашины — с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

СИНХРОННЫХ МАШИН

Как и все электрические машины, синхронные имеют статор и ротор. Ротор синхронной машины представляет собой электро­магнит, возбуждаемый постоянным током. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки на роторе могут использоваться постоянные магниты.

Статор 1 синхронной машины (рис. 13, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 6 и щеток 5 (рис. 13, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то про­ ходящий по этой обмотке многофазный ток I_а создает вращающее­ся магнитное поле, частота вращения которого:

Из формул (2) и (3) следует, что n₁ = n₂, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Такую машину на­зывают синхронной.

Результирующий магнитный поток Ф синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмот­ки статора, и результирующее магнитное поле вращается в про­странстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть ма­шины, на которой расположена обмотка возбуждения, — индукто­ром. Следовательно, в приведенной машине (см. рис. 13) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхрон­ные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку яко­ря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а об­ мотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины име­ют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен от­бор мощности от обмотки ротора.

Запомните

Для установившихся режимов работы синхронной машины ха­рактерны следующие особенности:

· ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генера­торном режимах, вращается с постоянной частотой, равной ча­стоте вращающегося магнитного поля, т.е. n₂ = n₁ ,поэтому машина называется синхронной;

· частота изменения ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря, про­порциональна частоте вращения ротора;

· в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не инду­цируется; МДС этой обмотки определяется только током воз­буждения и не зависит от режима работы машины.

Пример 2. Для получения ЭДС с частотой 50 Гц двух полюсный генератор должен сделать 3000

об/мин ( = 50 Гц)

По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой индуктивные катушки обмотки постоянного магнита размещены на выступающих полю­сах (рис. 14, а), и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 14, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работа­ющие при частоте вращения ротора 1 500 и 3 000 об/мин, изготов­ляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения не­ обходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей.

Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1 500 об/мин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанав­ливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение ги­дравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50 — 500 об/мин. Машины этого типа могут быть использованы и в качестве дизель – генераторов, которые приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания, с частотой вращения от 100 до 1 500 об/мин.

Устройство явнополюсной машины представлено на рис. 15.

Турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными па­ровыми или газовыми турбинами и конструктивно выполняются неявнополюсными. Вал в них расположен горизонтально. Диаметр ротора по условиям механической прочности ограничен размерами 1 — 1,5 м. Предельная длина ротора 7,5 — 8,5 м; она ограничена до­пустимым прогибом вала. Мощность турбогенераторов составляет 800— 1200 МВт.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50 — 500 об/мин. Генераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. В гидрогенераторах мощностью более 500 МВт диаметр ротора превышает 15 м при длине ротора около 2 м.

Дизель – генераторы приводятся во вращение двигателями вну­треннего сгорания. Их изготовляют явнополюсными с горизон­тальным расположением вала. Мощность таких генераторов бывает от нескольких киловольт-ампер до нескольких мегавольт-ампер при частотах вращения от 100 до 1 500 об/мин. Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вра­щение паровой турбиной со скоростью вращения 3 000 об/мин (при частоте 50 Гц).

Запомните

· Ротор синхронной машины может быть явно- и неявнополюс­ным.

· Синхронные генераторы применяются в качестве основных устройств, производящих электрическую энергию на электро­станциях, и разделяются на турбо-, гидро- и дизель – генераторы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО

ГЕНЕРАТОРА

Эксплуатационные свойства синхронного генератора в значи­тельной степени определяются его внешней и регулировочной ха­рактеристиками.

Если синхронный генератор не нагружен (работает вхолостую), То тока в обмотках статора нет и напряжение U на зажимах генера­тора равно ЭДС Е₀, созданной в обмотке статора.

Напряжение U на зажимах генератора, работающего под на­ грузкой, существенно отличается от ЭДС Е₀ при холостом ходе. Это отличие тем больше, чем больше реактивное сопротивление на­грузки.

Внешние характеристики U = f(I_я) синхронного генератора, показывающие изменения напряжения на зажимах генератора при изменении тока для активной и реактивной нагрузок, изобра­жены на рис. 16.

На практике нагрузка генератора в большинстве случаев являет­ся активно-индуктивной.

Падение напряжения на активно-индуктивной нагрузке обусловлено размагничивающим действием реакции якоря и в незна­чительной степени падением напряжения на внутренним индуктивном сопротивлении машины.

Подъем характеристик при емкостной нагрузке обусловлен подмагничивающим действием реакции якоря.

Зависимости тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при неиз­менных напряжении U, угле и частоте f₁, называют регулировоч­ными характеристиками (рис. 17). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при > 0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при < 0 — уменьшать его. Чем больше угол по аб­солютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

Запомните

· Реакция якоря при индуктивной нагрузке будет размагничиваю­щая, т.е. результирующее поле машины ослабляется.

· Реакция якоря при емкостной нагрузке — подмагничивающая, т. е. результирующее поле усиливается.

ПАРАЛЕЛЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

Синхронные генераторы в качестве источников электроэнергии переменного тока включаются параллельно в распределительную сеть. Необходимым условием включения генератора на параллельную работу с сетью является его синхронизация, т. е. достижение совпадения чередования фаз, частот, начальных фаз и значений напряжений сети и генератора. Момент совпадения фаз сети и генератора контро­лируют синхроноскопами. Для включения генераторов на параллель­ную работу используют автоматическую синхронизацию, которая позволяет регулировать напряжения и частоты так, как это необходимо. Применяется также метод самосинхронизации, сущность которого заключается в том, что генератор включают в сеть невозбужденным при частоте вращения ротора, близкой к синхронной, а затем включа­ют ток возбуждения и ротор генератора втягивается в синхронизм.

Пример 3. Определить напряжение на зажимах синхронного трехфаз­ного генератора, работающего в режиме холостого хода, при соединении обмоток «треугольником» и «звездой», если частота f= 50 Гц, количество вит­ ков, размещенных в пазах статора, w = 180, обмоточный коэффициент k_об = 0,9, амплитудное значение магнитного потока одной фазы Ф_m = 0,01 Вб.

Решение

Число витков одной фазы обмотки статора

Вращающийся магнитный поток

Ф= 1,5Ф_m = 1,5 · 0,01 = 0,015 Вб.

Электродвижущая сила, индуцируемая в каждой фазе,

Е_ф = 4,44fk_обw₁Ф = 4,44· 50· 0,9 · 60 · 0,015= 179,8 В 180 В.

При холостом ходе генератора и соединении его обмоток «треугольни­ком» напряжение на зажимах равно ЭДС:

= Е_ф=180В

При соединении обмоток «звездой» напряжение на зажимах

U = ЗЕ_ф = 3 · 180 = 311,4 В.

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ПРИНЦИП

ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив­ных отличий от синхронного генератора. Трехфазную статорную обмотку (якорь) двигателя подключают к сети трехфазного переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, число обо­ротов которого

На роторе двигателя помещается обмотка возбуждения, подклю­чаемая к источнику постоянного тока (обычно регулируемому вы­прямителю). Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами обмотки ста­ тора, увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор вращается только с синхронной частотой, т.е. с частотой, равной частоте вра­щения поля статора. Таким образом, частота вращения синхронно­ го двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питаю­ щей сети.

Синхронные двигатели производят преимущественно с явновыраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме с перевозбуждением при опережающем cos = 0,8.

Синхронные двигатели имеют следующие преимущества:

· возможность работы при cos = 1; это приводит к улучшению cos сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели слу­жат генераторами реактивной мощности, поступающей в асин­хронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

· меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в пер­вой степени (а не квадрату напряжения);

· строгое постоянство частоты вращения независимо от механи­ческой нагрузки на валу.

Недостатками синхронных двигателей являются:

· сложность конструкции;

· сравнительная сложность пуска в ход;

· трудности с регулированием частоты вращения, которое воз­ можно только путем изменения частоты питающего напряже­ния.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощ­ностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асин­хронных.

Запомните

· Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля статора и не зависит от нагрузки; синхронный двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

· Несмотря на наличие дополнительного источника постоянного тока для возбуждения синхронные двигатели нередко использу­ются в промышленности, так как позволяют регулировать cos потребителя и тем самым снизить потери при передаче электро­энергии.

ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем стато­ра, скорость которого устанавливается мгновенно. На ротор, если он возбужден, действует знакопеременный момент, среднее зна­чение которого за период равно нулю. Электромагнитный момент возникает и может заставить ротор вращаться только в том случае, когда полюсы поля статора будут медленно перемещаться относи­тельно полюсов возбуждения ротора.

Запомните

Для пуска в ход двигателя необходимо предварительно увеличить число оборотов ротора до синхронной скорости или близкой к ней.

Для разгона синхронных двигателей применяют асинхронный пуск. Для этого в полюсных наконечниках ротора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, выполненная в виде бе­личьего колеса подобно короткозамкнутой обмотке ротора асин­хронного двигателя. После разгона ротора двигателя до частоты вращения, близкой к синхронной, составляющей примерно 0,95n₁, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягива­ется в синхронизм.

Отключаемую от источника питания обмотку возбуждения за­ мыкают на активное сопротивление. Если же обмотку оставить ра­зомкнутой, то вращающийся магнитный поток статора индуцирует в ней ЭДС в 20— 30 раз больше номинального напряжения возбуж­дения и это может привести к пробою изоляции обмотки ротора. Синхронные двигатели обычно пускаются прямым включени­ем в сеть статорной обмотки, и только мощные двигатели требуют ограничения пускового тока.

ПОТЕРИ И КПД СИНХРОННЫХ

МАШИН

В синхронных машинах имеют место электрические потери в роторе и статоре, магнитные потери в сердечнике статора, меха­нические потери на вентиляцию и трение вращающихся частей. Коэффициент полезного действия трехфазного синхронного ге­нератора определяется по формуле

Коэффициент полезного действия трехфазного синхронного двигателя

Сумма потерь

где Р_м — потери в меди обмоток статора, Р_м = 3I² R, Р_ст — потери в стали статора; Р_мех — механические потери (потери на трение); Р_В — потери на возбуждение; Р_А — добавочные потери.

Коэффициент полезного действия мощных синхронных генераторов достаточно высок и достигает 0,98; КПД синхронных двигателей, тем выше, чем больше мощность двигателя, и составляет 0,91 — 0,96.

Пример 4. Трехфазный синхронный двигатель с номинальной мощностью Р_Н = 600 кВт и номинальным напряжением U_Н = 400 В имеет следующие данные: частота f = 50 Гц, количество полюсов 2p = 4, КПД η₁ = 0,96, коэффициент мощности cos _Н = 0,8 (при токе, опережающем по фазе на­ пряжение). Определить частоту вращения ротора, номинальный вращаю­щий момент, активную и реактивную мощности, потребляемые из сети, ток статора и его реактивную составляющую.

Решение

Частота вращения ротора

Номинальный вращающий момент

Активная мощность

Полная мощность

Реактивная мощность:

Ток статора

Реактивная (емкостная) составляющая тока

I_р = I_м sin = 1,15 · 0,6 = 0,69 А

4.МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвига­телей и генераторов. Двигатель и генератор постоянного тока име­ют одинаковое устройство. Электродвигателям постоянного тока присущи хорошие регулировочные свойства и значительная пере­грузочная способность. Они позволяют получать жесткие и мягкие механические характеристики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее, и их стои­мость выше, чем асинхронных двигателей.

Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напря­жением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях экономики.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных элек­трических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Принципиальная возможность создания электродвигателя по­стоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г. В соз­данном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждени­ем был создан в России академиком Б. С.Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для приво­да гребного винта речного катера. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая рабо­та», в котором рассмотрел вопросы создания вращающего момен­та электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжались развитие теории и совершенство­вание конструкции машин постоянного тока. Большое внимание об­ращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновение искрения под щетками (улуч­шения коммутации) и образование кругового огня на коллекторе.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Действие любого электрического генератора основано на ис­ пользовании закона электромагнитной индукции, поэтому генера­тор постоянного тока, как и генератор переменного тока, состоит из полюсов и якоря с обмоткой. Простейшим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S (рис. 18).

В витке 1 индуцируется переменная во времени ЭДС. При при­ соединении концов витка к контактным кольцам, вращающимся вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки 2, 3 про­текает переменный ток, т.е. такая машина является генератором переменного тока. Для преобразования переменного тока в посто­янный применяют коллектор, который играет роль механического выпрямителя переменного тока, индуцируемого в витке 1. Концы витка 1 присоединяют к двум медным полукольцам (сегментам), на­зываемым коллекторными пластинами. При вращении витка кол­лекторные пластины вращаются с валом машины так, что каждая из щеток 2, 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной.

Щетки на коллекторе устанавливаются так, чтобы они перехо­дили с одной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС, индуци­руемая в витке, будет равна нулю. Таким образом, щетка 2 в любой момент времени соприкасается с проводником, который находится под полюсом S, а щетка 3 контактируется всегда только с тем из про­ водников, который находится под полюсом N. Следовательно, ЭДС на щетках 2 и 3 не меняет знака и ток по внешнему участку электри­ческой цепи будет протекать в одном направлении от щетки 2 через сопротивление R к щетке 3.

Направление ЭДС во внешней цепи остается неизменным, а ве­личина ее меняется во времени и получается не постоянная, а пуль­сирующая ЭДС, и соответственно ток во внешней цепи будет также пульсирующим (рис. 19).

При увеличении числа коллекторных пластин пульсация тока во внешней цепи уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов пульсация составляет менее 1 %. Таким образом, при большом чис­ле коллекторных пластин ЭДС и ток во внешней цепи будут практически постоянны.

Как и всякая электрическая машина, генератор постоянного тока имеет неподвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть машины называется индуктирующей, т.е. создающей магнитное поле, а вращающаяся — индуктируемой.

Машина постоянного тока с одной парой полюсов (р = 1) пред­ставлена на рис. 20. Число полюсов может быть и больше, но это всегда четное число, т. е. 2р.

На внутренней поверхности стального корпуса станины 6 ста­ тора укреплены полюсы 4 с обмотками возбуждения 5. Обмотки возбуждения питаются постоянным током и создают магнитный поток, который замыкается через станину статора, сердечни­ки полюсов, воздушные зазоры и сталь якоря 3. С торцов корпус машины закрыт подшипниковыми щитами 7 и 10. На роторе рас­ положены якорь 3 с коллектором 1 и вентилятор 8 для охлаждения машины. Вал ротора закреплен на подшипниках для уменьшения потерь при вращении. С помощью специальных муфт он соединяется с механическим устройством. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, в пазах которого уложе­ны и закреплены медные проводни­ки. Эти проводники, соединенные в определенном порядке, образуют замкнутую обмотку 9 якоря. Коллек­тор имеет форму цилиндра и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К каждой пластине присоединены начала про­ водников обмотки якоря. Обмотка якоря с внешней цепью связана че­ рез щетки 2, которые пружинами плотно прижаты к коллектору. Щеткодержатели

крепятся на подшипниковом щите 10 машины.

Рассмотрим особенности работы машин постоянного тока. При прохождении тока в скользящем контакте щеток с коллекто­ром возможно возникновение искрения, которое, естественно, не­ желательно, поскольку разрушает коллектор и щетки. Для умень­шения искрения необходимы периодическая проточка, шлифовка коллектора и другие меры для поддержания хорошего качества скользящего контакта.

Ток якоря создает в машине собственный магнитный поток,

ко­торый искажает и даже уменьшает магнитный поток машины.

Это явление называется реакцией якоря. Из-за реакции якоря

снижа­ется ЭДС машины и ухудшаются условия работы коллектора,

при этом усиливается искрение под щетками. Для улучшения

коммута­ции между основными полюсами 1 машины устанавливают

допол­нительные полюса 2 (рис. 21). Токи обмоток коллектора

создают в зоне коммутации магнитный поток, противоположный

магнитно­