третья. Электротехнические силовые устройства
Машины постоянного тока
Общие сведения
Машинами постоянного тока (МПТ) называются вращающиеся преобразователи механической энергии в электрическую (в генераторном режиме) или электрической энергии (ЭЭ) в механическую (в двигательном) при постоянном по знаку напряжении. МПТ обратимы: они могут работать как в генераторном, так и в двигательном режиме.
Основными неподвижными элементами конструкции МПТ являются (рис. 8.1) статор 6, имеющий полюса с обмотками, подшипниковые щиты и щеточный аппарат. Статор имеет форму толстостенного стального цилиндра и являются частью магнитопровода для основного магнитного потока машины. С помощью статора осуществляется крепление машины в целом на несущей конструкции (фундаменте) и крепление полюсов с обмотками возбуждения 5 и подшипниковых щитов 7.
Рис. 8.1. Устройство МПТ:
- 1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — магнитопровод и обмотка якоря,
- 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения,
- 6 — станина (корпус), 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал, 11 — лапы
Серийные МПТ общего назначения имеют 2-3 пары полюсов. Магнитопровод полюсов набирается из тонких пластин электротехнической стали. У машин малой мощности «железо» полюсов — сплошное. Поверхности «железа» полюсов, обращенные к статору и ротору, имеют цилиндрическую форму. На магнитопровод полюсов накладывается обмотка, протекание по которой тока возбуждения / создает основное МП. В подшипниковых щитах, устанавливаемых на торцевых сторонах статора, находятся подшипники, в которых вращается ротор Р, называемый также якорем. На валу В ротора машины жестко укреплены пакеты листов электротехнической стали С, образующие магнитопровод якоря, и коллектор К. В пакетах стали предусматриваются аксиально ориентированные пазы для обмотки якоря ОЯ, в которой создается основная ЭДС машины. Вал воспринимает момент электромагнитных сил взаимодействия поля полюсов и тока якоря /, а также внешний механический момент двигателя или механизма нагрузки, присоединенных к машине. Коллектор (рис. 8.2), изолированные друг от друга пластины П которого изготовляются из меди, предназначен для контактного подсоединения вращающейся обмотки якоря (ОЯ) к неподвижным угольным щеткам (Щ). Щетки своими торцевыми поверхностями скользят по цилиндрической поверхности коллекторных пластин (П). Токопроводящие жгуты щеток с помощью внутренней проводки машины присоединяются к наружным ее клеммам, через которые машина включена во внешнюю цепь нагрузки или источника питания соответственно в генераторном или двигательном режиме.
Взаимодействие основных элементов МПТ в генераторном режиме показано на развертке ее поперечного сечения (рис. 8.3,а и 8.3,в) и сопряженной с ней схеме якоря (рис. 8.3,г и 8.3,6). Ток возбуждения ie, протекая по обмоткам полюсов статора (см. рис. 8.3,а), создает МП, которое может быть описано общим магнитным потоком Ф или эпюрой распределения магнитной индукции В в воздушном зазоре по окружности якоря (рис. 8.3,6). Обмотка, уложенная здесь в два слоя в пазы якоря (см. рис. 8.3,в), находится в магнитном поле полюсов. Для упрощения схемы на рис. 8.3,в предполагаем, что машина имеет только шесть пазов и в каждом пазу уложено по два стержня (проводника) обмотки: один сверху, а другой снизу.
Рис. 8.2. Эскиз контактного соединения коллектора и щетки
Рис. 8.3. Взаимодействие основных элементов генератора постоянного тока
В генераторном режиме якорь (ротор) машины вращается присоединенным двигателем с угловой скоростью О.. На участках обмотки якоря, находящихся в пазах, при его вращении в магнитном поле в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает ЭДС. Эти так называемые «активные» участки обмотки соединены друг с другом (см. рис. 8.3,г) с помощью лобовых частей, находящихся вне МП полюсов (зоны N и S на рис. 8.3,г). Схема соединений активных участков обеспечивает суммирование их ЭДС. К лобовым частям обмотки с одной стороны якоря присоединяются пластины коллектора (см. рис. 8.3Д). Щетки на коллекторе устанавливаются в продольной плоскости симметрии полюсов и тем самым оказываются присоединенными к парам пластин, напряжение между которыми имеет наибольшее значение. В частности, на рис. 8.3,г видно, что только при указанном положении щеток сумма ЭДС последовательно соединенных стержней (ЭДС якоря) максимальна, при этом все индуцируемые при вращении якоря ЭДС в цепи щетка («+») — обмотка — щетка («-») имеют одинаковое направление. Обмотка включена между щетками двумя параллельными ветвями, токи в которых одинаковы и равны половине общего тока щетки (рис. 8.3,е). В МПТ используются и другие разновидности обмоток (с числом параллельных ветвей более двух). При числе пар полюсов р более единицы щетки могут соединяться параллельно или последовательно для суммирования соответственно токов или ЭДС ветвей.
