ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Будова машини постійного струму

Будова машини постійного струму

Будова генераторів і двигунів постійного струму однакова (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема машини постійного струму

Нерухома частина машини, яка називається статором (індуктором), складається з циліндричної станини (ярма) 1, до якої болтами кріпляться головні полюси 2 і додаткові полюси 3. Для зменшення магнітних втрат (втрат потужності від вихрових струмів і на перемагнічування) головні полюси виготовляються з окремих стальних пластин. Додаткові полюси виготовляються суцільними або також набираються з пластин. На сердечниках головних полюсів розміщені котушки обмоток збудження 4, на додаткових полюсах – котушки 5 обмоток додаткових полюсів [1–4].

До ярма з обох торців болтами кріпляться підшипникові щити, в яких розташовані підшипники, що несуть вал 6 обертової частини машини, яка називається якорем. На валу закріплене осердя 7 якоря, який для зменшення магнітних втрат набирається з ізольованих одна від одної сталевих пластин. В пазах, розташованих на поверхні сердечника якоря, укладена обмотка 8. Обмотки якоря, збудження і додаткових полюсів виготовляють з мідних ізольованих проводів. Обмотка якоря складається з секцій, кінці яких приєднуються до розташованого на валу колектора 9.

Колектор – це циліндр, що складається з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала. До колектора за допомогою пружин притискаються графітні або вуглеграфітні, або металографітні щітки 10. Вони розташовані в щіткотримачах, закріплених на траверсі.

Обмотка збудження машини живиться постійним струмом і призначена для створення основного магнітного поля, показаного на рис. 2.1 умовно за допомогою двох ліній магнітної індукції (зображені штриховою лінією).

Головні полюси закінчуються полюсними наконечниками 11, що призначені для отримання на більшій частині окружності якоря однакового повітряного зазору між сердечником якоря і головними полюсами.

Додаткові полюси призначені для зменшення іскріння під щітками.

За допомогою колектора і щіток обертова обмотка якоря з'єднується з зовнішнім електричним колом. Про інші важливі призначення колектора і щіток буде сказано далі.

На рис. 2.1 показана машина постійного струму з двома головними полюсами. В залежності від потужності і напруги машини постійного струму можуть мати і більшу кількість полюсів. При цьому відповідно збільшується кількість комплектів щіток і додаткових полюсів. Кріплення машини до фундаменту або металоконструкції здійснюється за допомогою лап 12.

Принцип дії генератора

 

Основним типом машин постійного струму є колекторний тип з електромагнітним збудженням. В них основний магнітний потік Ф0 створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження, яка розташована на головних полюсах [1–4].

Розглянемо принцип роботи генератора постійного струму на прикладі найпростішої колекторної машини з електромагнітним збудженням, обмотка якоря якої складається лише з одного витка (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Найпростіша машина постійного струму

Між двома полюсами електромагніту розміщений якір, що є сталевим циліндром. На якорі розташована обмотка у вигляді витка авсd,кінці якої приєднані до двох пластин (півкілець), закріплених на валу й ізольованих одна від одної. Ці пластини утворюють колектор. До півкілець дотикаються щітки А та В, до яких приєднане навантаження генератора Rнав. Якір обертається під дією механічної сили первинного двигуна, наприклад турбіни, двигуна внутрішнього згоряння або електродвигуна. Колектор обертається разом з валом, а щітки А та В залишаються нерухомими.

Полярність полюсів електромагніту (головних полюсів машини) залежить від напрямку струму в обмотці збудження і може бути визначена за допомогою правої руки: якщо долоню правої руки покласти на котушку збудження таким чином, щоб чотири пальці співпадали з напрямком струму у витках котушки, тоді відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрямок магнітних силових ліній поля, створеного струмом котушки [1]. Відповідно до цього правила верхній полюс на рис. 2.2 є північним (N), а нижній – південним (S). Незалежно від числа полюсів машини їх полярність завжди чергується, тобто за полюсом N завжди буде полюс S. Силові лінії поля (лінії магнітної індукції) виходять з північного полюса, пронизують якір і входять у південний, двічі перетинаючи при цьому повітряний зазор. Далі вони замикаються по ярму машини (на рис. 2.2 не показано). Припустимо, що якір обертається проти руху годинникової стрілки з кутовою швидкістю [рад/с]. При цьому сторони ав і cd витка перетинають силові лінії поля і в них, відповідно до закону електромагнітної індукції, індукується електрорушійна сила (ЕРС). Напрямок цієї ЕРС визначається правилом правої руки: якщо долоню правої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий у площині долоні на 90 великий палець збігався з напрямком руху провідника, то чотири витягнутих пальці покажуть напрямок індукованої у провіднику ЕРС. На рис. 2.2 напрямок ЕРС у провідниках ав і cd показаний стрілками.

Миттєве значення ЕРС для одного провідника обмотки визначається за формулою

(2.1)

де В – індукція в повітряному зазорі від основного магнітного поля в точці, де знаходиться провідник;

l – активна довжина провідника, що перетинає силові лінії поля;

– лінійна швидкість руху провідника:

, (2.2)

де Da – діаметр якоря, м;

n – частота обертання якоря, об/хв.

Кутову швидкість обертання можна виразити через частоту обертання:

(2.3)

В обох провідниках внаслідок симетрії індукуються однакові ЕРС, які по контуру витка додаються, і тому повна ЕРС якоря найпростішої машини становить

(2.4)

Активна довжина провідника – величина незмінна. Якщо швидкість руху якоря в процесі роботи генератора залишається незмінною, тоді l = const. Тому величина і напрямок ЕРC епр визначається винятково значенням магнітної індукції В. Але розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини в різних місцях по окружності якоря нерівномірний: під серединою полюсів В має максимальні значення (під північним полюсом – позитивне, під південним – негативне), ближче до країв полюсів індукція зменшується (рис. 2.3). Лінія О1О2, яка розділяє зони магнітних полюсів і проходить через центр якоря, називається геометричною нейтраллю. Магнітна індукція на геометричній нейтралі дорівнює нулю.

В процесі роботи генератора якір обертається і провідники його обмотки по черзі займають в магнітному полі положення з різними значеннями магнітної індукції. Тому в обмотці якоря наводиться змінна ЕРС. При цьому графік зміни ЕРС у функції часу відповідає діаграмі розподілу магнітної індукціїВ в повітряному зазорі (див. рис. 2.3). Так, наприклад, при синусоїдному характері розподілу магнітної індукції ЕРС струм в обмотці якоря також буде синусоїдним. Якби в машині не було колектора (замість півкілець були б два кільця), то струм у зовнішньому колі генератора був би змінним. За допомогою колектора та щіток А і В змінний струм обмотки якоря перетворюється в пульсуючий, тобто незмінний за напрямом струм.

Рисунок 2.3 – Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини

 

При зображеному на рис. 2.2 положенні витка abcd струм у зовнішньому колі генератора направлений від щітки А до щітки В, тобто щітка А має позитивну полярність, а щітка В – негативну. При повороті якоря на 1800 напрями ЕРС у провідниках і струму у витку зміняться на зворотні. Однак полярність щіток, а отже, і напрям струму в зовнішньому колі залишаються незмінними. Пояснюється це тим, що в той момент, коли струм у витку змінює свій напрям, відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Таким чином, під щіткою А завжди знаходиться пластина, що з'єднується з провідником, розташованим під північним полюсом, а під щіткою В – пластина, з'єднана з провідником, розташованим під південним полюсом. В результаті полярність щіток при роботі генератора залишається незмінною незалежно від положення витка в магнітному полі. Тому і напрям струму в зовнішньому колі незмінний, хоча величина його змінюється, тому що при положенні провідників обмотки під серединою полюсів струм має максимальне значення, а при їхньому положенні на геометричній нейтралі струм дорівнює нулю. Це ілюструє рис. 2.4 а, на якому показані різні положення якоря генератора за один оберт, і рис. 2.4 б, в, на яких зображені графіки ЕРС і струму в обмотці якоря (рис. 2.4, б) і ЕРС і струму на щітках і в зовнішньому колі (рис. 2.4, в) [1].

Рисунок 2.4 – Процес комутації (а) та криві ЕРС і струму найпростішої машини в колі якоря (б) і в зовнішньому колі (в)

 

Таким чином, у генераторі постійного струму за допомогою колектора змінний струм в обмотці якоря перетворюється в пульсуючий струм у зовнішній ділянці кола.

Щоб зменшити пульсації й отримати практично постійний за величиною струм у зовнішньому колі, на якорі розташовують обмотку, що складається з декількох десятків витків (секцій). В процесі роботи генератора на холостому ході, коли струм в колі якоря відсутній (Іа = 0),в його обмотці від основного магнітного поля індукується ЕРС, діюче значення якої визначається за формулою

(2.5)

де се – конструктивна стала машини:

, (2.6)

де р – число пар полюсів;

N – число активних провідників обмотки якоря;

а – кількість паралельних віток обмотки якоря.

 

 

Формулу для ЕРС можна представити в іншому вигляді:

(2.7)

де

(2.8)

В режимі холостого ходу напруга генератора на затискачах якоря U0 = Е0. При роботі генератора в режимі навантаження (Іа0) його вихідна напруга U менша ЕРС Е на величину спаду напруги в якірному колі:

(2.9)

де Ra – повний опір якірного кола, який складається з власного опору обмотки якоря Ra, опору додаткових полюсів Rд.п., опору компенсаційної обмотки Rк.о. та опору щітково-колекторного переходу Rщ.

Якір генератора приводиться в обертання первинним двигуном, який створює на валу генератора обертовий момент Μ (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Процес створення обертового моменту в генераторі постійного струму

Якщо генератор працює в режимі холостого ходу (1а = 0), для обертання його якоря потрібен невеликий момент, який називається моментом холостого ходу. Він витрачається на подолання сил тертя в підшипниках, тертя щіток з колектором, тертя частин, що обертаються, з опором повітрям.

В режимі навантаження в провідниках обмотки якоря під дією ЕРС виникає струм іа. Оскільки ці провідники зі струмом знаходяться в магнітному полі, то відповідно до закону Ампера на них діють механічні сили, що залежать від величини індукції в повітряному зазорі в місці розташування провідникаВ, довжини провідника l і струму в ньому іа:

(2.10)

Напрям сили визначається правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрям механічної сили, яка діє на провідник (див. рис. 2.5). Такі сили діють на всі провідники обмотки якоря, що в результаті створює електромагнітний момент М, спрямований назустріч моментові первинного двигуна й напряму обертання якоря, тобто є гальмівним моментом. Саме ця властивість генератора і дозволяє використовувати його як навантажувальний пристрій на валу двигуна. Величина електромагнітного моменту може бути знайдена з виразів

(2.11)

(2.12)

де Dа – зовнішній діаметр якоря.

З формули (2.12) видно, що, змінюючи величину магнітного потоку полюсів регулюванням струму збудження генератора і зміною струму якоря (струму навантаження), можна змінювати величину моменту генератора, а отже, і величину моменту навантаження на валу двигуна.

Напрям ЕРС в обмотці якоря, полярність щіток, напрям напруги і струму в зовнішньому колі генератора можна змінити одним із двох способів:

1) зміною напряму магнітного поля головних полюсів (зміною їхньої полярності). Для цього змінюють напрям струму в обмотці збудження, змінюючи полярність підведеної до неї напруги;

2) зміною напряму обертання якоря генератора за допомогою приводного двигуна.

На практиці здебільшого використовується перший спосіб.

Резонанс напруг

Резонанс напруг можливий у нерозгалуженій ділянці ланцюга, схема якого містить індуктивний L, ємнісний С и резистивный R елементи, тобто в послідовному коливальному контурі. Назва "резонанс напруг" відбиває рівність діючих значень напруг на ємнісному й індуктивному елементах при протилежних фазах, на якій обрана початкова фаза напруги.

Величина має розмірність Ом і називається характеристичним опором коливального контуру. Відношення напруги на індуктивному або ємнісному елементах при резонансі до напруги U між висновками контуру, рівна відношенню характеристичного опору до опору резистивного елемента, визначає резонансні властивості коливального контуру й називається добротністю контуру

Якщо при резонансі збільшити в однакове число раз індуктивний і ємнісний опори, то струм у ланцюзі не зміниться, а напруги на індуктивному і ємнісному елементах збільшаться в таке ж число раз. Можна необмежено збільшувати напруги на індуктивному і ємнісному елементах при незмінному струмі джерела. Фізичною причиною цього є коливання значної енергії, що запасається поперемінно в електричному полі ємнісного й у магнітному полі індуктивного елементів.

При резонансі напруг малі кількості енергії, що надходить від джерела й втрати, що компенсує, енергії в активному опорі, достатні для підтримки незатухаючих коливань у ланцюзі щодо більших кількостей енергії магнітного й електричного полів. В електроенергетичних установках резонанс напруг - явище небажане, тому що при цьому напруги установок можуть у кілька разів перевищувати їхні робочі напруги. Але, наприклад, у радіотехніку, телефонії, автоматиці резонанс напруг застосовується для настроювання ланцюгів на задану частоту

Пуск, зупинка, реверсування і зміна частоти обертання електроприводу пов’язані з необхідністю переключення у ланцюгах живлення і керування електродвигуна. У найпростішому випадку ці переключення можуть бути виконані вручну. Проте сучасні процеси керування об’єктами, що рухаються, настільки швидкоплинні, що людина, в силу своїх обмежених фізичних і психічних можливостей, не в стані впоратись з ними з необхідною точністю і швидкістю. Це сприяло створенню систем автоматизованого керування електроприводами без особистої участі людини.

Ці системи керування поділяють на розімкнуті і замкнуті. У розімкнутій системі керування (рис.3.3.1,а) при виникненні відхилення вихідного параметра, наприклад швидкості переміщення регулюючого органу РО від заданого значення, керуючий сигнал U, на вході керуючого пристрою КП залишається незмінним. Іншими словами, розімкнуті системи не мають зворотнього зв’язку за контрольованим системою параметром. У замкнутій системі керування (рис.3.3.1,б) є ланцюги зворотніх зв’язків за одним або декількома параметрами. Наприклад, система містить давач швидкості ДШ (тахогенератор), що виробляє сигнал зворотнього зв’язку за швидкістю UЗЗШ регулюючого органу РО, і давач становища ДС (індуктивний давач), що виробляє сигнал зворотнього зв’язку за станом регулюючого органу РО. При відхиленні контрольованих параметрів від заданих значень на вхід керуючого пристрою КП надходять сигнали зворотнього зв’язку, що, взаємодіючи з керуючим сигналом Uk, корегують роботу системи керування.

Існують наступні види керування автоматизованими електроприводами: що стабілізує — підтримує якийсь параметр на заданому рівні; програмне — здійснює керування за заданою програмою; що стежить — відтворює зміну якогось параметру за визначеним законом: синхронне — забезпечує обертання з однаковою частотою декількох електродвигунів, які приводяться в рух діючи сумісно.

В залежності від виду комутуючих пристроїв, які керують роботою електроприводу, розрізняють автоматизовані електроприводи з релейно-контактним і безконтактним керуванням. У електроприводі з релейно-контактним керуванням всі переключення здійснюються за допомогою електромеханічних пристроїв дискретної дії: реле, контакторів, кнопок і т.д. Основні недоліки цих пристроїв – недовготривалість використання, обумовлена підгоранням контактів, що розмикаються, і значний час спрацьовування. Крім того, релейно-контакторна апаратура вимагає систематичного контролю і регулювання. У автоматизованих приводах, до яких ставиться вимога підвищеної надійності, застосовують безконтактні комутуючі пристрої. Керування струмом у цих пристроях відбувається за рахунок дискретної або аналогової (плавної) зміни їх параметрів. До безконтактних елементів відносяться: транзистори (напівпровідникові тріоди), тиристори (керовані діоди), фотодіоди, дроселі насичення і т.п., а також індуктивні і трансформаторні давачі, давачі ЕРС Хола, напівпровідникові і магнітні підсилювачі.

Рис.3.3.1. Структурні схеми АСУ розімкнута (а) і замкнута (б)

Автоматизоване керування електроприводом здійснюється у функції часу, швидкості (частоти обертання), струму або шляху, тобто в залежності від просторового становища регулюючого органу. Якщо електропривід працює в системі автоматичного керування яким-небудь технологічним процесом, то керування приводом здійснюється у функції якогось технологічного параметра: температури, тиску, розмірів оброблюваного виробу, його маси і т.д.

Будова машини постійного струму

Будова генераторів і двигунів постійного струму однакова (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема машини постійного струму

Нерухома частина машини, яка називається статором (індуктором), складається з циліндричної станини (ярма) 1, до якої болтами кріпляться головні полюси 2 і додаткові полюси 3. Для зменшення магнітних втрат (втрат потужності від вихрових струмів і на перемагнічування) головні полюси виготовляються з окремих стальних пластин. Додаткові полюси виготовляються суцільними або також набираються з пластин. На сердечниках головних полюсів розміщені котушки обмоток збудження 4, на додаткових полюсах – котушки 5 обмоток додаткових полюсів [1–4].

До ярма з обох торців болтами кріпляться підшипникові щити, в яких розташовані підшипники, що несуть вал 6 обертової частини машини, яка називається якорем. На валу закріплене осердя 7 якоря, який для зменшення магнітних втрат набирається з ізольованих одна від одної сталевих пластин. В пазах, розташованих на поверхні сердечника якоря, укладена обмотка 8. Обмотки якоря, збудження і додаткових полюсів виготовляють з мідних ізольованих проводів. Обмотка якоря складається з секцій, кінці яких приєднуються до розташованого на валу колектора 9.

Колектор – це циліндр, що складається з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала. До колектора за допомогою пружин притискаються графітні або вуглеграфітні, або металографітні щітки 10. Вони розташовані в щіткотримачах, закріплених на траверсі.

Обмотка збудження машини живиться постійним струмом і призначена для створення основного магнітного поля, показаного на рис. 2.1 умовно за допомогою двох ліній магнітної індукції (зображені штриховою лінією).

Головні полюси закінчуються полюсними наконечниками 11, що призначені для отримання на більшій частині окружності якоря однакового повітряного зазору між сердечником якоря і головними полюсами.

Додаткові полюси призначені для зменшення іскріння під щітками.

За допомогою колектора і щіток обертова обмотка якоря з'єднується з зовнішнім електричним колом. Про інші важливі призначення колектора і щіток буде сказано далі.

На рис. 2.1 показана машина постійного струму з двома головними полюсами. В залежності від потужності і напруги машини постійного струму можуть мати і більшу кількість полюсів. При цьому відповідно збільшується кількість комплектів щіток і додаткових полюсів. Кріплення машини до фундаменту або металоконструкції здійснюється за допомогою лап 12.

Принцип дії генератора

 

Основним типом машин постійного струму є колекторний тип з електромагнітним збудженням. В них основний магнітний потік Ф0 створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження, яка розташована на головних полюсах [1–4].

Розглянемо принцип роботи генератора постійного струму на прикладі найпростішої колекторної машини з електромагнітним збудженням, обмотка якоря якої складається лише з одного витка (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Найпростіша машина постійного струму

Між двома полюсами електромагніту розміщений якір, що є сталевим циліндром. На якорі розташована обмотка у вигляді витка авсd,кінці якої приєднані до двох пластин (півкілець), закріплених на валу й ізольованих одна від одної. Ці пластини утворюють колектор. До півкілець дотикаються щітки А та В, до яких приєднане навантаження генератора Rнав. Якір обертається під дією механічної сили первинного двигуна, наприклад турбіни, двигуна внутрішнього згоряння або електродвигуна. Колектор обертається разом з валом, а щітки А та В залишаються нерухомими.

Полярність полюсів електромагніту (головних полюсів машини) залежить від напрямку струму в обмотці збудження і може бути визначена за допомогою правої руки: якщо долоню правої руки покласти на котушку збудження таким чином, щоб чотири пальці співпадали з напрямком струму у витках котушки, тоді відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрямок магнітних силових ліній поля, створеного струмом котушки [1]. Відповідно до цього правила верхній полюс на рис. 2.2 є північним (N), а нижній – південним (S). Незалежно від числа полюсів машини їх полярність завжди чергується, тобто за полюсом N завжди буде полюс S. Силові лінії поля (лінії магнітної індукції) виходять з північного полюса, пронизують якір і входять у південний, двічі перетинаючи при цьому повітряний зазор. Далі вони замикаються по ярму машини (на рис. 2.2 не показано). Припустимо, що якір обертається проти руху годинникової стрілки з кутовою швидкістю [рад/с]. При цьому сторони ав і cd витка перетинають силові лінії поля і в них, відповідно до закону електромагнітної індукції, індукується електрорушійна сила (ЕРС). Напрямок цієї ЕРС визначається правилом правої руки: якщо долоню правої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий у площині долоні на 90 великий палець збігався з напрямком руху провідника, то чотири витягнутих пальці покажуть напрямок індукованої у провіднику ЕРС. На рис. 2.2 напрямок ЕРС у провідниках ав і cd показаний стрілками.

Миттєве значення ЕРС для одного провідника обмотки визначається за формулою

(2.1)

де В – індукція в повітряному зазорі від основного магнітного поля в точці, де знаходиться провідник;

l – активна довжина провідника, що перетинає силові лінії поля;

– лінійна швидкість руху провідника:

, (2.2)

де Da – діаметр якоря, м;

n – частота обертання якоря, об/хв.

Кутову швидкість обертання можна виразити через частоту обертання:

(2.3)

В обох провідниках внаслідок симетрії індукуються однакові ЕРС, які по контуру витка додаються, і тому повна ЕРС якоря найпростішої машини становить

(2.4)

Активна довжина провідника – величина незмінна. Якщо швидкість руху якоря в процесі роботи генератора залишається незмінною, тоді l = const. Тому величина і напрямок ЕРC епр визначається винятково значенням магнітної індукції В. Але розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини в різних місцях по окружності якоря нерівномірний: під серединою полюсів В має максимальні значення (під північним полюсом – позитивне, під південним – негативне), ближче до країв полюсів індукція зменшується (рис. 2.3). Лінія О1О2, яка розділяє зони магнітних полюсів і проходить через центр якоря, називається геометричною нейтраллю. Магнітна індукція на геометричній нейтралі дорівнює нулю.

В процесі роботи генератора якір обертається і провідники його обмотки по черзі займають в магнітному полі положення з різними значеннями магнітної індукції. Тому в обмотці якоря наводиться змінна ЕРС. При цьому графік зміни ЕРС у функції часу відповідає діаграмі розподілу магнітної індукціїВ в повітряному зазорі (див. рис. 2.3). Так, наприклад, при синусоїдному характері розподілу магнітної індукції ЕРС струм в обмотці якоря також буде синусоїдним. Якби в машині не було колектора (замість півкілець були б два кільця), то струм у зовнішньому колі генератора був би змінним. За допомогою колектора та щіток А і В змінний струм обмотки якоря перетворюється в пульсуючий, тобто незмінний за напрямом струм.

Рисунок 2.3 – Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини

 

При зображеному на рис. 2.2 положенні витка abcd струм у зовнішньому колі генератора направлений від щітки А до щітки В, тобто щітка А має позитивну полярність, а щітка В – негативну. При повороті якоря на 1800 напрями ЕРС у провідниках і струму у витку зміняться на зворотні. Однак полярність щіток, а отже, і напрям струму в зовнішньому колі залишаються незмінними. Пояснюється це тим, що в той момент, коли струм у витку змінює свій напрям, відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Таким чином, під щіткою А завжди знаходиться пластина, що з'єднується з провідником, розташованим під північним полюсом, а під щіткою В – пластина, з'єднана з провідником, розташованим під південним полюсом. В результаті полярність щіток при роботі генератора залишається незмінною незалежно від положення витка в магнітному полі. Тому і напрям струму в зовнішньому колі незмінний, хоча величина його змінюється, тому що при положенні провідників обмотки під серединою полюсів струм має максимальне значення, а при їхньому положенні на геометричній нейтралі струм дорівнює нулю. Це ілюструє рис. 2.4 а, на якому показані різні положення якоря генератора за один оберт, і рис. 2.4 б, в, на яких зображені графіки ЕРС і струму в обмотці якоря (рис. 2.4, б) і ЕРС і струму на щітках і в зовнішньому колі (рис. 2.4, в) [1].

Рисунок 2.4 – Процес комутації (а) та криві ЕРС і струму найпростішої машини в колі якоря (б) і в зовнішньому колі (в)

 

Таким чином, у генераторі постійного струму за допомогою колектора змінний струм в обмотці якоря перетворюється в пульсуючий струм у зовнішній ділянці кола.

Щоб зменшити пульсації й отримати практично постійний за величиною струм у зовнішньому колі, на якорі розташовують обмотку, що складається з декількох десятків витків (секцій). В процесі роботи генератора на холостому ході, коли струм в колі якоря відсутній (Іа = 0),в його обмотці від основного магнітного поля індукується ЕРС, діюче значення якої визначається за формулою

(2.5)

де се – конструктивна стала машини:

, (2.6)

де р – число пар полюсів;

N – число активних провідників обмотки якоря;

а – кількість паралельних віток обмотки якоря.

 

 

Формулу для ЕРС можна представити в іншому вигляді:

(2.7)

де

(2.8)

В режимі холостого ходу напруга генератора на затискачах якоря U0 = Е0. При роботі генератора в режимі навантаження (Іа0) його вихідна напруга U менша ЕРС Е на величину спаду напруги в якірному колі:

(2.9)

де Ra – повний опір якірного кола, який складається з власного опору обмотки якоря Ra, опору додаткових полюсів Rд.п., опору компенсаційної обмотки Rк.о. та опору щітково-колекторного переходу Rщ.

Якір генератора приводиться в обертання первинним двигуном, який створює на валу генератора обертовий момент Μ (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Процес створення обертового моменту в генераторі постійного струму

Якщо генератор працює в режимі холостого ходу (1а = 0), для обертання його якоря потрібен невеликий момент, який називається моментом холостого ходу. Він витрачається на подолання сил тертя в підшипниках, тертя щіток з колектором, тертя частин, що обертаються, з опором повітрям.

В режимі навантаження в провідниках обмотки якоря під дією ЕРС виникає струм іа. Оскільки ці провідники зі струмом знаходяться в магнітному полі, то відповідно до закону Ампера на них діють механічні сили, що залежать від величини індукції в повітряному зазорі в місці розташування провідникаВ, довжини провідника l і струму в ньому іа:

(2.10)

Напрям сили визначається правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні на 90 великий палець покаже напрям механічної сили, яка діє на провідник (див. рис. 2.5). Такі сили діють на всі провідники обмотки якоря, що в результаті створює електромагнітний момент М, спрямований назустріч моментові первинного двигуна й напряму обертання якоря, тобто є гальмівним моментом. Саме ця властивість генератора і дозволяє використовувати його як навантажувальний пристрій на валу двигуна. Величина електромагнітного моменту може бути знайдена з виразів

(2.11)

(2.12)

де Dа – зовнішній діаметр якоря.

З формули (2.12) видно, що, змінюючи величину магнітного потоку полюсів регулюванням струму збудження генератора і зміною струму якоря (струму навантаження), можна змінювати величину моменту генератора, а отже, і величину моменту навантаження на валу двигуна.

Напрям ЕРС в обмотці якоря, полярність щіток, напрям напруги і струму в зовнішньому колі генератора можна змінити одним із двох способів:

1) зміною напряму магнітного поля головних полюсів (зміною їхньої полярності). Для цього змінюють напрям струму в обмотці збудження, змінюючи полярність підведеної до неї напруги;

2) зміною напряму обертання якоря генератора за допомогою приводного двигуна.

На практиці здебільшого використовується перший спосіб.

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти