Общие сведения о двигателях постоянного тока

Машины постоянного тока конструктивно сложнее и поэтому дороже машин переменного тока.

Двигатели постоянного тока позволяют плавно регулировать частоту вращения, развивают большой пусковой момент. Они применяются там, где можно использовать эти качества: электродвигатели электрической тяги (трамваи, троллейбусы, электровозы), электродвигатели прокатных станов, шахтных подъемников, стартеров автомобилей и т.д. Их достоинство – экономичное и плавное регулирование скорости. Недостатки двигателя связаны с применением коллектора. Искрение разрушает коллектор и создает радиопомехи. Непостоянство щеточного контакта приводит к нестабильности характеристик двигателя. Щеточная пыль загрязняет двигатель, за ним нужен систематический уход.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип действия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (рис. 8.1, а) присоединены к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллекторными пластинами. Пластины жестко укреплены на валу машины и изолированы как друг от друга, так и от вала. На пластинах помещены неподвижные щетки 2 и 3, электрически соединенные с приемником энергии.

Рис. 8.1. Генератор постоянного тока:

а – схема устройства; б – общий вид

1 – виток; 2 и 3 – щетки; 4 – коллекторные пластины.

При вращении витка коллекторные пластины также вращаются вместе с валом машины, и каждая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной. Щетки на коллекторе установлены так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС, индуктируемая в витке, была равна нулю. В этом случае при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся синусоидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и соответственно с тем из проводников, который в данный момент находится под полюсом определенной полярности.

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

При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при большом числе коллекторных пластин ЭДС и ток практически постоянны.

На рис. 8.1, б показан общий вид машины постоянного тока. Неподвижная часть является индуктирующей, т.е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть – индуктируемой (якорем).

Неподвижная часть машины (рис. 8.2, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный полюс (рис. 8.2, б) представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток. Он состоит из сердечника 4, обмотки возбуждения 6 и полюсного наконечника 7. Полюсы крепятся на станине 3 с помощью болта 5. Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса помещена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолированного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный наконечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного поля под полюсом. Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги.

Рис. 8.2. Устройство статора машины постоянного тока:

а – схема статора; б – схема главного полюса

1 – главные полюсы; 2 – дополнительные полюсы; 3 – станина; 4 – сердечник; 5 – болт; 6 – обмотка возбуждения; 7 – полюсный наконечник.

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

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

Вращающаяся часть машины (якорь) (рис. 8.3, а) состоит из сердечника 1, обмотки 2 и коллектора 3. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на стенках по шаблону; они имеют пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря. В теле якоря делают воздушные каналы для охлаждения обмотки и его сердечника. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями. Лобовые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, включаются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь, и присоединяются к коллекторным пластинам.

Рис. 8.3. Якорь машины постоянного тока:

а – общий вид; б – щетка и щеткодержатель

1 – сердечник; 2 – обмотка; 3 – коллектор; 4 – щетка; 5 – пружина.

Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Таким образом, для реверсирования двигателя, т.е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов, переключив обмотку возбуждения, либо изменить направление тока в обмотке якоря. Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, и переключение его нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно заключается в переключении обмотки якоря.

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

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

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзово-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое переходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения – бронзо-графитные щетки. Щетки помещают в особых щеткодержателях (рис. 8.3, б). Щетка 4, помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной 5 к коллектору 3. На каждом щеткодержателе может находиться несколько щеток, включенных параллельно.

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

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

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

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

Пуск двигателя осуществляется прямым включением в сеть (рис. 8.4). В момент включения рубильника якорь его неподвижен, n = 0. Следовательно, противо-ЭДС в обмотке якоря Е = С_Е n Ф также равна нулю. Зная, что напряжение сети уравновешивается возникающей противо-ЭДС и падением напряжения на внутреннем сопротивлении двигателя:

U = E + R_я I_я, (8.1)

определяем ток в обмотке якоря:

I_я = (U – E)/R_я = U/R_я. (8.2)

Рис. 8.4. Включение пускового реостата Rп для ограничения пускового тока.

Так как R_я очень мало, порядка десятых долей Ома, то пусковой момент в 10…25 раз превысит номинальный и будет опасен для двигателя. Чтобы уменьшить пусковой ток, последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат:

I_п = U/(R_я + R_п). (8.3)

Сопротивление пускового реостата подбирают так, чтобы I_п находился в пределах 1,5…2I_ном. Когда якорь развернется, в его обмотке появляется противо-ЭДС Е = С_Е n Ф и пусковой реостат можно выключить. Ток в якоре ограничен появившейся противо-ЭДС.

Двигатели мощностью до 1 кВт, имеющие сравнительно большое сопротивление R_я, включаются в сеть без пусковых реостатов.

Характеристики двигателей зависят от способа их возбуждения. Электродвигатели бывают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

У двигателей параллельного возбуждения (рис. 8.5) цепь возбуждения включается в сеть до пускового реостата. Чтобы обеспечить при пуске наибольший вращающий момент, стараются создать максимальный магнитный поток, т.е. максимальный ток возбуждения. Для этого полностью выводят регулировочный реостат R_р в цепи возбуждения. Пусковой реостат R_пуск полностью введен. После включения двигателя пусковой реостат плавно выводят. Регулировочным реостатом устанавливают нужную скорость двигателя.

Рис. 8.5. Схема двигателя параллельного возбуждения.

Из формулы ЭДС Е = С_Е n Ф частота вращения будет равна:

n = Е/(С_Е Ф). (8.4)

Зная, что U = E + R_яI_я, получим

n = (U – R_яI_я)/(С_Е Ф). (8.5)

Из этой формулы следует, что частоту вращения двигателя можно регулировать, изменяя магнитный поток Ф, т.е. изменяя ток возбуждения, изменяя напряжение сети U, изменяя сопротивление в цепи якоря R_я. Наиболее распространенным является первый способ.

Машина постоянного тока может работать в режимах генератора и двигателя (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схема работы машины постоянного тока в режимах:

а – генератора; б – двигателя.

При работе в режиме генератора направление ЭДС и тока в активных проводах якоря показано на схеме (рис. 8.6, а). Машина развивает электромагнитный момент М_э, являющийся тормозным, т.е. потребляет механическую энергию и вырабатывает энергию электрическую.

Если понизить ток возбуждения, то уменьшится как магнитный поток, так и ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря. Это вызовет уменьшение нагрузки генератора. Изменяя сопротивление регулировочного реостата, можно довести ток возбуждения до такой величины, при которой ЭДС в обмотке якоря равна напряжению сети (Е = U) и ток в якоре равен нулю, т.е. генератор работает вхолостую.

При токе возбуждения, меньшем тока, соответствующего холостой работе генератора, ЭДС обмотки якоря будет меньше напряжения сети, и ток в якоре изменит направление на обратное (рис. 8.6, б).

При изменении направления тока в проводниках обмотки якоря также изменится направление электромагнитного момента М_э, развиваемого машиной, т.е. момент станет вращающим. Таким образом, машина, потребляя электрическую энергию, вырабатывает энергию механическую, т.е. работает в режиме двигателя.

При холостом ходе машины тока в обмотке якоря нет, магнитное поле создается только обмоткой возбуждения (рис. 8.7, а). При нагрузке ток в обмотке якоря создает свое магнитное поле. Магнитные силовые линии замыкаются вокруг проводников обмотки через сталь якоря и полюсов (рис. 8.7, б). Так как направление токов в проводниках между щетками неизменно, то поле вращающегося якоря оказывается неподвижным относительно щеток и полюсов возбуждения. Сам якорь становится магнитом, ось магнита совпадает с линией щеток.

В

В

А

А

Рис. 8.7. Магнитное поле:

а – полюсов; б – якоря; в – результирующее.

Влияние магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря.

Наложением двух магнитных полей – поля полюсов и поля якоря – создается результирующее магнитное поле (рис. 8.7, в).

В результате наложения магнитных полей под набегающими половинами полюсов АА (рис. 8.7, в) магнитные линии якоря и полюса будут направлены встречно и поэтому здесь создается разрежение, ослабление магнитного поля; под сбегающими половинами ВВ силовые линии направлены одинаково, магнитное поле усиливается. Обычно здесь магнитная индукция возрастает настолько, что зубцы якоря и сердечники полюсов на этом участке насыщаются. В результате поле якоря ослабляет основное магнитное поле под одним краем полюса больше ( , рис. 8.8), чем усиливает это поле под другим краем полюса ( ). Результирующий магнитный поток уменьшается.

Рис. 8.8. Ослабление магнитного поля реакцией якоря вследствие насыщения.

Магнитное поле якоря деформирует поле полюсов. Распределение индукции в зазоре под полюсами становится несимметричным относительно геометрической оси главных полюсов. Физическая нейтраль – линия , проходящая через точки окружности якоря, где индукция равна нулю, смещается на некоторый угол (рис. 8.7, в): у генераторов – в направлении вращения, у двигателей – против вращения. Величина угла зависит от нагрузки.

Таким образом, реакция якоря: 1) искажает поле под полюсами;

2) уменьшает поток полюсов.

Вследствие этого в генераторе уменьшается ЭДС и напряжение на щетках, в двигателе уменьшается электромагнитный момент и изменяется частота вращения.

Для ослабления реакции якоря увеличивают воздушный зазор между якорем и полюсами. В машинах большой мощности применяется специальная компенсационная обмотка. Она закладывается в пазы, выштампованные в полюсных наконечниках, и включается последовательно с якорем. Создаваемый ею магнитный поток равен потоку якоря в зоне полюсов и направлен ему навстречу.