Электрические машины постоянного тока
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО
ТОКА
(ELECTRIC MACHINES OF THE DIRECT CURRENT)
4.1 Общие сведения
Электрические машины постоянного
тока широко применяются в различных
отраслях промышленности.
Значительное распространение
электродвигателей постоянного
тока (Direct Current electric motors or DC electric motors) объясняется
их ценными качествами: высокими
пусковым (starting), тормозным (braking)
и перегрузочным (overload) моментами (torque),
сравнительно высоким быстродействием,
что важно при реверсировании
и торможении, возможностью
широкого и плавного регулирования
частоты вращения.
Электродвигатели постоянного
тока используют для регулируемых приводов,
например, для приводов различных
станков и механизмов. Мощности
этих электродвигателей достигают сотен
киловатт. В связи с автоматизацией
управления производственными процессами
и механизмами расширяется область применения
маломощных (low-power) двигателей постоянного
тока общего применения мощностью
от единиц до сотен ватт.
Генераторы постоянного тока (DC
generators) общего применения в
настоящее время используются
реже, чем электродвигатели,
поскольку значительное распространение
получают ионные и полупроводниковые
преобразователи.
Электродвигатели и генераторы
постоянного тока составляют значительную
часть электрооборудования летательных
аппаратов (electric equipments of flying machines). Генераторы
постоянного тока применяют в
качестве источников питания;
их максимальная мощность достигает
30 кВт. Электродвигатели летательных
аппаратов используют для привода
различных механизмов; мощность их имеет
значительный диапазон – от долей
до десятков киловатт. На самолетах,
например, устанавливается более 200 различных
электродвигателей постоянного
тока. Двигатели постоянного тока
широко используются в электрической
тяге (electrical haulage), в приводе
подъемных устройств (lifting machines), для привода
металлорежущих станков (cutting machine). Мощные
двигатели (powerful motors) постоянного тока
применяются для привода прокатных
станов (rolling mills) и на судах для
вращения гребных винтов. Постоянный ток
(direct current) для питания двигателей получается
с помощью генераторов постоянного
тока или выпрямительных установок,
преобразующих переменный ток в постоянный.
Генераторы постоянного
тока являются источником
питания (power supply) для промышленных
установок, потребляющих постоянный
ток низкого напряжения (low voltage current)
(электролизные и гальванические установки).
Питание обмоток возбуждения (excitation
winding) мощных синхронных генераторов
осуществляется во многих случаях
от генераторов постоянного тока (возбудителей).
В зависимости от схемы питания
обмотки возбуждения машины
постоянного тока разделяются на
несколько типов (с независимым,
параллельным, последовательным и смешанным
возбуждением).
4.2 Устройство принцип
действия машины постоянного
тока
Конструктивно машина постоянного
тока состоит из неподвижного статора
(индуктора) с полюсами (poles) и вращающегося
ротора (якоря) с коллектором (commutator). Статор
является источником магнитного поля
и механическим остовом машины, якорь-
часть машины, в обмотке которой индуцируется
э. д. с. – электродвижущая сила (electro
motive force).
На одном валу с якорем (armature)
жестко закрепляется коллектор, электрически
соединенный с его обмоткой. Коллектор
– характерная деталь машины постоянного
тока. Его медных пластин касаются неподвижные
угольно-графитовые щетки, размещенные
в щеткодержателях на траверсе и электрически
соединенные с внешней цепью. Во избежание
искрения щетки тщательно притираются
к коллектору, а их умеренный нажим должен
быть отрегулирован.
Принцип действия машин постоянного
тока основан на законе электромагнитной
индукции и законе Ампера. Магнитное поле
(magnetic field) машины создается постоянным
током (током возбуждения) в обмотке полюсов
или постоянными магнитами (permanent magnets)
в машинах малой мощности. Его силовые
линии замыкаются через стальные станину
(frame), сердечники полюсов (poles body) и сердечник
якоря (armature core), дважды преодолевая на
своем пути воздушный зазор между ними.
Существует два режима работы электрических
двигателей:
– режим генератора (generator mode);
– режим двигателя (motor mode).
В режиме генератора машина преобразует
механическую энергию в электрическую:
к обмотке возбуждения статора
подводится постоянный ток возбуждения,
а якорь вращается каким-либо
первичным двигателем. При этом провода
обмотки якоря пересекают магнитные силовые
линии (line of flux) полюсов и в них индуцируются
э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые
являются механическим выпрямителем
(mechanical rectifier), эти переменные пульсирующие
э. д. с. суммируются в постоянную по значению
и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам
подключить приемник, то в нем установится
постоянный ток I.
В режиме двигателя машина преобразует
электрическую энергию в механическую:
к якорю и к обмотке возбуждения машины
одновременно подводится постоянный ток
от источника. Взаимодействие магнитного
поля полюсов статора с током обмотки
якоря создает вращающий электромагнитный
момент, который и приводит в движение
якорь (ротор).
4.3 Устройство и расположение
главных и добавочных полюсов
Каждая машина постоянного тока
имеет одну или несколько пар главных
полюсов (main poles), расположенных по окружности
якоря (armature girth) строго симметрично
и поочередно: северный – южный – северный
и т. д. Сердечник главного полюса набирают
из листовой электротехнической стали
(electric grade sheet) и крепят к станине при помощи
болтов. Шихтовка (reclaimer operation) сердечника
уменьшает потери в стали от вихревых
токов (eddy currents), которые возникают
в сердечнике из-за пульсации магнитного
тока, обусловленных зубчатостью якоря.
Эти потери могут стать очень большими,
так как сталь сердечника обычно насыщена.
На каждый главный полюс надеты
одна или несколько катушек (coils),
предназначенных для создания магнитного
потока машины или для других целей. Обмотка
параллельного возбуждения (winding of parallel
excitation), создающая, как правило, основной
магнитный поток, выполнена проводом малого
сечения. Обычно катушки этой обмотки
имеют самые большие размеры. Обмотка
последовательного возбуждения (winding of
consecutive excitation) служит чаще для компенсации
размагничивающего действия реакции якоря,
то есть является вспомогательной обмоткой,
поэтому катушки ее невелики по размерам.
Однако они выполнены из провода большого
сечения, так как по ним проходит ток, равный
току обмотки якоря.
Добавочные полюсы (interpoles) выполняют
из цельного куска стали. Это обусловлено
тем, что сталь добавочных полюсов при
работе машины не насыщена, а воздушный
зазор под ним больше, чем под главными,
поэтому потери в стали от вихревых токов
невелики. Добавочные полюсы устанавливают
в промежутках между главными. Число их
обычно равно числу главных полюсов, однако
двухполюсные машины (bipolar machines) небольшой
мощности могут быть выполнены и с одним
добавочным полюсом.
4.4 Устройство якоря
и коллектора
Вращающаяся часть машины постоянного
тока включает в себя вал
(shaft) с подшипниками (bearings), на который
насажаны якорь с обмоткой, уложенной
в пазах сердечника якоря (armature slots), коллектор
(collector) и крыльчатку вентилятора (fan).
Сердечник якоря набран из листов
электротехнической стали, которые
располагаются так, чтобы образовался
скос пазов сердечника на одно зубцовое
деление. Это необходимо для уменьшения
добавочных потерь и шумности машины.
Сердечник якоря может иметь аксиальные
вентиляционные каналы (ventilating passage).
От проворачивания на валу сердечник удерживается
продольной шпонкой (key) или рифлениями,
а плотность прилегания листов друг к
другу обеспечивается нажимными шайбами
и кольцевой шпонкой.
Обмотка якоря выполнена из медного
провода в виде жестких или мягких
секций и уложена в пазы. На лобовые части
обмотки намотаны проволочные бандажи,
противодействующие центробежным силам.
Концы секций обмотки присоединены к пластинам
коллектора (commutator bars) с помощью петушков
(commutator neck). Количество коллекторных пластин
практически всегда равно числу секций
обмотки якоря и равно или кратно числу
пазов якоря. Пластины коллектора собраны
в виде барабана (drum), изолированы друг
от друга и от корпуса миканитовыми прокладками
(mica plate) и плотно стянуты нажимными кольцами
(или запрессованы в пластмассовую втулку).
Крыльчатка вентилятора (fan
impeller) установлена на валу со стороны,
противоположной коллектору. Она прогоняет
через машину воздух, который засасывается
в машину со стороны коллектора через
специальные люки, и осуществляет тем
самым отвод тепла, выделяемого при работе
машины. Холодный воздух омывает сначала
коллектор, затем якорь, катушки полюсов
и после этого выбрасывается крылаткой
в окружающееся пространство. Недостаток
такого способа охлаждения состоит в том,
что угольная пыль от щеток загрязняет
всю машину. Однако при обратном направлении
движения воздуха он, прежде чем попасть
в машину, нагревался бы самим вентилятором,
что в конечном итоге привело бы к увеличению
габаритов и массы машины.
Положение вращающегося якоря относительно
главных и добавочных полюсов
строго зафиксировано с помощью
подшипниковых щитов, в которых
закреплены наружные кольца подшипников.
В свою очередь подшипниковые щиты плотно
закреплены на станине. В подшипниковых
щитах предусмотрены люки для осмотра
и ухода за коллектором, а также отверстие
для прохода охлажденного воздуха. В машинах
водозащищенного исполнения охлаждающий
воздух внутрь машины не проходит и отводит
тепло посредствам внешнего обдува, поэтому
коллекторные люки таких машин снабжены
глухими крышками.
4.5 Устройство щеточного
аппарата
Щеточный аппарат (brush ring) совместно
с коллектором служит для соединения
обмотки якоря с внешней сетью и преобразования
тока. Он состоит из траверсы (brush rocker),
щеткодержателей (brush holders) и щеток.
Траверсу машины постоянного тока
выполняют из стали или алюминиевого
сплава. Она имеет вид кольца с
разрезом и с выступами для закрепления
пальцев щеткодержателей (brush-holder finger).
Пальцы выполняют обычно из стеклотекстолита.
Если же они выполнены из металла, то должны
быть изолированы пластмассовыми втулками
и шайбами. На пальцах закреплены щеткодержатели,
которые служат для удержания щеток в
определенном положении относительно
коллектора. Щетки должны быть расположены
в шахматном порядке, чтобы предотвратить
неравномерный износ коллекторных пластин.
Щетки устанавливаются в обоймах щеткодержателей
и прижимаются к коллектору пружинами.
Сила нажатия пружин должна обеспечить
хороший контакт щетки с коллектором,
не вызывая слишком больших потерь
на трение. Проверка нажатия осуществляется
динамометром или приближенно при помощи
полоски папиросной бумаги. В последнем
случае полоску папиросной бумаги надо
положить под щетку и вытягивать ее. Если
бумага выходит с трудом, но еще не рвется,
то давление нормальное.
5 СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
(THE SYNCHRONOUS MOTOR)
5.1 Общие сведения
Синхронная машина – это электрическая
машина переменного тока, частота вращения
ротора которой равна или кратна частоте
вращения вращающегося в зазоре магнитного
поля, создаваемого током якорной обмотки.
Принцип действия синхронных машин основан
на явлении электромагнитной индукции
при взаимодействии магнитных полей.
5.1.1 Область применения
синхронных машин. Совершенствование
синхронной машины находится в тесной
связи с расширением электрического энергоснабжения
и возрастающей единичной мощности генераторов.
Синхронные двигатели используются прежде
всего там, где необходимо постоянное
число оборотов и где нет необходимости
частого пуска/остановки и регулирования
скорости вращения (например в системах
вентиляции). При появлении преобразователей
частоты (frequency converters) синхронный двигатель
начал использоваться в качестве привода
(electrical drive). Поэтому в настоящее время
применение его широко: от сервомоторов
до двигателей большой мощности. В качестве
примера можно назвать 30 МВт воздуходувку
доменной печи (синхронный двигатель с
преобразователем). Также используют синхронные
двигатели в качестве приводов для цементных
мельниц, подъёмно-транспортных машин,
конвейеров и прокатных станов. В настоящее
время часто применяется синхронный двигатель,
прежде всего, как микродвигатель в часах,
фотоаппаратах и в точном приборостроении.
5.1.2 Разновидности синхронных машин.
Гидрогенератор – явнополюсный синхронный
генератор, предназначенный для
выработки электрической энергии
в работе от гидравлической турбины
(hydraulic turbine) (при низких скоростях вращения).
Турбогенератор – неявнополюсный
синхронный генератор, предназначенный
для выработки электрической
энергии в работе от паровой или
газовой турбины (при скоростях
вращения ротора 6000, 3000, 1500 об/мин.).
Компенсатор – синхронная электрическая
машина (в большинстве случаев
неявнополюсная), предназначенная для
выработки реактивной мощности
(reactive power). Компенсатор представляет
собой синхронный двигатель, работающий
на холостом ходу (idling) (т.е. без
нагрузки), в котором генерирование
реактивной мощности регулируется током
возбуждения обмотки индуктора.
5.2 Устройство синхронных
машин
Основными частями синхронной машины
являются якорь и индуктор (обмотка
возбуждения).
Якорь представляет собой одну или
несколько обмоток переменного тока. В
двигателях токи, подаваемые в якорь, создают
вращающееся магнитное поле (так называемое
поле реакции якоря), которое сцепляется
с полем индуктора и таким образом происходит
преобразование энергии.
