Електричні машини постійного струму: призначення, конструкція, пристрій і принцип дії

Машини постійного струму (МПТ) – це загальний термін, який об'єднує генератори (ГПТ) і двигуни (ДПТ). Як правило, кажучи про МПТ, мають на увазі біполярні машини, у яких є чергуються «північні» і «південні» магнітні полюси збудження і механічний або електронний комутатор струму до обертової обмотки якоря з одним єдиним кільцевим полюсом (на відміну від уніполярних машин). Ми також будемо дотримуватися цього принципу.

Класифікація МПТ

В електромашинобудуванні і теорії електромашин прийнято розділяти МПТ на пристрої з явно і з неявно вираженими полюсами порушення, з циліндричної або багатогранної станиною, з порушенням постійним струмом або постійними магнітами, з механічним комутатором-колектором на якорі або безконтактні. Призначення машин постійного струму поділяє їх на загальнопромислові і спеціалізовані. Серед останніх можна назвати, наприклад, тягові ДПТ, використовувані в рейковому транспорті. Виділяються також металургійні ДПТ, в особливості двигуни для прокатних станів і т. д. Як відомо, обмотки машин постійного струму поділяються на обмотки збудження (ІВ) і якоря (ОЯ). Перші служать для збудження магнітного поля пристрою, а другі - для відбору потужності від електромережі в режимі двигуна або для живлення електричного навантаження в режимі генератора. Існують ще й обмотки додаткових полюсів, що використовуються для полегшення процесу комутації.




Електричні машини постійного струму незалежно від того, чи є вони генераторами або двигунами, можуть бути класифіковані на основі схем з'єднання обмоток збудження і якоря. Вони можуть складати єдину електричну ланцюг або ж взагалі не мати електричного зв'язку (незалежне збудження). Цей принцип класифікації ділить МПТ на два основних типи. Ви зрозумієте подальшу їх класифікацію з наведеної нижче схеми.

Пристрій машини постійного струму

ГПТ може використовуватися як ДПТ без будь-яких конструктивних змін. Звичайно, промисловістю випускаються машини, призначені для роботи в якості двигунів, і машини, які є генераторами. Однак відмінності між ними полягають у конструкції окремих частин, і на етапі загального ознайомлення можуть бути проігноровані. Отже, далі будемо розглядати пристрій машини постійного струму загалом, без прив'язки до режиму її роботи.




Нижче на малюнку показаний поперечний розріз простий МПТ з двома парами явно виражених полюсів. Конструкція містить дві основні частини: статор і якір. Розглянемо, з яких деталей вони складаються. Статор містить станину, а також головні і знаходяться між ними додаткові полюси (на малюнку не показані). Станина – це зовнішня конструктивна оболонка МПТ. Вона буває вилитий з чавуну (у машин старих конструкцій) або зварної з товстого листа сталі. Станина механічно міцно скріплює всю збірку МПТ. Крім того, вона служить магнітопроводом для магнітного потоку, виробленого головними полюсами. Останні прикріплені до станини за допомогою гвинтів або зварювання. Основне їх призначення – нести котушки обмотки збудження, намотані на них і з'єднані послідовно між собою таким чином, щоб магнітна полярність полюсів чергувалася, тобто після північного полюса слідував би «південний» і т. д. Полюсні наконечники (башмаки), що є розширенням головних полюсів, служать двом цілям: для запобігання зісковзування котушок та для рівномірного розподілу поля збудження на більшій частині кола повітряного зазору. Якір машини постійного струму складається з осердя з обмоткою, втулки і вала. Сердечник – це сталевий каркас циліндричної форми, складений з тонких електричних листів сталі, покритих з обох сторін електроізоляційним лаком. Це робиться для запобігання появи вихрових струмів, що прагнуть замкнутися в товщі сердечника. У пазах його покладені секції петлевий або хвильової обмотки якоря, колектор машини постійного струму та щітки. Обмотку якоря потрібно приєднати до зовнішньої електромережі постійного струму. Але не можна безпосередньо з'єднати виводи обмотки з мережевим введенням, тому що вона обертається. Тому між мережею і обмоткою якоря встановлено комутатор-колектор, який представляє собою безліч ізольованих один від одного пластин з міді, утворюють зовнішню циліндричну поверхню, розділену ізоляційними доріжками. Нерухомі контактні щітки ковзають по ній, коли якір з колектором обертаються. Таким чином нерухомі щітки фізично стикаються з обертовою обмоткою якоря, а з їх допомогою вже можна виконати підключення до зовнішньої мережі машини постійного струму.

Розвиток конструкцій МПТ

Перші промислові зразки МПТ з'явилися в 70-х роках 19 ст. Спочатку вони мали кільцевої якір з тороїдальної (граммовской) обмоткою. Після винаходу барабанного якоря вони набули закінченого вигляду, що приблизно відповідає вищенаведеним малюнку. Однак конструкція машин постійного струму у другій половині 20 ст. зазнала досить сильні зміни. Перш за все вони торкнулися статора. Замість явно виражених головних полюсів стали застосовувати неявнополюсную конструкцію. В ній зосереджену котушку збудження кожного головного полюса замінили дещо менші за розмірами котушки, розташовані в пазах шихтованном статора, який має прямокутну або багатогранну форму, як на малюнку нижче. У тих же пазах статора розміщують і компенсаційну обмотку, про яку буде сказано далі. В результаті конструкція машин постійного струму стала набагато легше. У зв'язку з розвитком керованого асинхронного електроприводу деякі фахівці висловлюють думку про швидке витіснення асинхронними двигунами ДПТ з традиційних для них галузей застосування, таких як тяговий електропривод або привід металургійних механізмів. Однак поки ще рано говорити про це як про доконаний факт.

Загальний принцип освіти обмотки якоря

Будь-яка з обмоток якоря є замкнута сама на себе безперервної електричної ланцюгом, що складається з послідовно з'єднаних секцій (котушок). У найпростішому випадку секція може бути просто один виток з двома пазовою провідниками або ж бути многовитковой. Пазові боку секції завжди рознесені на відстань, трохи менша полюсного ділення – частини окружності якоря, що припадає на один головний полюс. Тому вони в кожній із секцій завжди знаходяться під головними полюсами протилежної полярності. В єдину замкнуту ланцюг секції з'єднуються на пластинах колектора. Спосіб же цього з'єднання і визначає тип обмотки. Малюнок нижче, пояснює принцип освіти обмотки якоря машини постійного струму з шести многовиткових секцій, що з'єднуються на пластинах колектора. У положенні, показаному на малюнку, щітки поділяють обмотку якоря на дві паралельні гілки: верхню, в яку входять секції L 1 L 2 , L 3 , і нижню, що складається з секцій L 4 , L 5 , L 6 . Число таких гілок залежить від типу обмотки якоря, але воно завжди парне і не може бути менше двох.

Петльові та хвильові обмотки якоря

Це два основних типи обмоток, кожен з яких має кілька різновидів. Ми розглянемо їх найпростіші варіанти. Ліворуч на малюнку нижче показана форма секцій, з яких складається проста петльові обмотка якоря машин постійного струму. Як можна побачити, така ж форма секцій характерна для хвильової обмотки. У першому варіанті (початковий, стартовий) висновок кожній секції двухвітковой підключений до i-ї пластини колектора, а другий (цільовий, завершальний) висновок з'єднаний на сусідній (i+1)-ї пластини колектора з початковим висновком наступної секції (см. малюнок вище). Таким чином, висновки кожній секції приєднані до двох поруч розташованих пластин, а сама секція, що складається з двох пазових сторін і двох лобових частин за формою нагадує петлю (звідси і назва обмотки). Секція хвильової обмотки має висновки, приєднані не до сусідніх пластин колектора, а до рознесених на певний крок, званий кроком обмотки по колектору у до . Для простої петлевої обмотки у до =1 а для простої хвильової - у до =(±1)/р, де К – число пластин колектора, р - число пар головних полюсів. Як видно з малюнка, внаслідок такого способу з'єднання секції набувають форму, схожу на півхвилю синусоїди, що й зумовило назву обмотки.

Принцип дії режимі генератора

Згідно первісної трактування явища електромагнітної індукції в рухомому провіднику, даної ще Фарадеєм, коли він перетинає при русі силові лінії магнітного поля, в ньому наводиться ЕРС. Дотримуючись цього принципу, можна пояснити причину наведення ЕРС в активних провідниках (тих, що покладені в пази) обмотки якоря МПТ. Дійсно, вони рухаються під головними полюсами, перетинаючи при цьому лінію поля. Оскільки останні безперервні, кожен провідник якоря незалежно від того, чи розташований він на його поверхні (так було у перших конструкціях МПТ) або в пазах, пройшовши під полюсом, перетне всі вихідні з його наконечника лінії поля. Напрямок дії індукованої ЕРС у провіднику можна визначити, застосовуючи правило правої руки, яке ілюструє малюнок нижче. Пазові провідники якоря попарно входять до складу витків котушок його обмотки. Сума ЕРС витків дає ЕРС котушки. Нерухомі щітки ділять всю обмотку якоря на кілька (мінімум дві) паралельних гілок. Сума ЕРС всіх котушок, що входять в паралельну гілку, дає ЕРС всієї обмотки якоря МПТ. Таким чином, принцип дії машин постійного струму при роботі генератором можна сформулювати так: якір збудженої машини обертається приводним двигуном, в його обмотці наводиться ЕРС, яка викликає протікання постійного струму якоря в замкнутій електроланцюга, що включає обмотку, колектор, щітки і зовнішню мережу з навантаженням. При наявності струму якоря на нього починає діяти гальмуючий електромагнітний момент. Він створює навантаження для приводного двигуна. Чим більше електрична потужність навантаження генератора, тим сильніше гальмується його якір і тим вище навантаження приводного двигуна. При цьому згідно закону збереження енергії в останньому витрачається стільки палива на привида в обертання якоря генератора, щоб вивільнена при його згорянні хімічна енергія за вирахуванням енергетичних втрат в двигуні і генераторі дорівнювала б енергії, що відбирається електричної навантаженням від машини постійного струму.

Пристрій і принцип дії в режимі двигуна

У цьому режимі струм якоря подається в його обмотку від електромережі при пуску. На пазові провідники якоря зі струмом, що знаходяться під головними полюсами, діють сили Ампера. Напрямок їх визначається за правилом лівої руки, яка ілюструє малюнок нижче. Їх сума створює обертаючий електромагнітний момент якоря (на відміну від гальмуючого в режимі генератора), і він приходить в обертання. Але в обертових пазових провідниках, як і в генераторному режимі, наводяться ЕРС, які дають сумарну ЕРС обмотки якоря. Вона діє зустрічно напрузі живильної мережі, частково врівноважуючи його. Так виглядає принцип дії машин постійного струму при роботі двигуна. При цьому згідно закону збереження енергії від електромережі двигуном відбирається стільки електроенергії, скільки потрібно механічної енергії для привида в рух приєднаного механізму з урахуванням енергетичних втрат (електричних і механічних). Інакше кажучи, чим сильніше навантажений двигун механічно, тобто чим більше вага і момент інерції приводиться ним у рух механізмів або чим більше момент опору середовища, що перешкоджає їх руху, тим більша кількість електроенергії споживається двигуном від мережі.

Про фізичний механізм наведення ЕРС в провідниках обмотки якоря МПТ

Слід зазначити, що фізикам-теоретикам не подобається вищенаведений (і популярний в технічній літературі) фізичний механізм наведення ЕРС, т. к. силові лінії магнітного поля – це всього лише умоглядний образ, придуманий Фарадеєм для його опису. Ніяких підтверджень дійсного існування їх як реальних фізичних об'єктів не існує. Альтернативним механізмом наведення ЕРС в рухомому пазовом провідника обмотки якоря МПТ є вплив на електрони усередині нього сили Лоренца, пропорційної магнітної індукції в місці розташування провідника. Однак і тут є протиріччя, яке полягає в тому, що всередині пазів якоря магнітна індукція зникаюче мала, а на величині ЕРС провідників це не позначається. Тому замість індукції в пазі у формулу підставляють індукції в повітряному зазорі, що, звичайно ж, неправильно, але дає результат, близький до спостережуваного на практиці. Виходом із цієї колізії є перехід до опису магнітного поля за допомогою вектора магнітної індукції, а за допомогою векторного магнітного потенціалу. Активним прихильником такого підходу був видатний російський електротехнік К. М. Поліванов. Більш докладно з цією проблемою можна познайомитися в роботах автора.

Магнітне поле МПТ при навантаженні

У навантаженої МПТ є два види магнітних потоків: потік ІВ і потік ОЯ, створюються струмами цих обмоток. Силові лінії першого з них направлені уздовж осей пари полюсів, через які він замикається, як це показано на фігурі 1 на малюнку нижче. Такий потік збудження називається поздовжнім. Якщо полюсів у МПТ більше двох, то в повітряному зазорі під наконечником кожного з них це поле також є поздовжнім. Силові лінії потоку ОЯ замикаються поперек осі полюсів, тому стосовно до МПТ говорять про поперечному полі якоря, яке показано на фігурі 2 на тому ж рисунку. Потік якоря підсумовується з потоком збудження, утворюючи результуючий потік. В цьому проявляється реакція якоря машини постійного струму, що полягає у впливі поперечного поля на поздовжнє поле збудження, силові лінії якого при цьому спотворюються, згущаючи біля одного краю полюса і разреживаясь біля іншого. У ГПТ згущення силових ліній поля, тобто його посилення відносно поля збудження, що відбувається під потоком на якір краєм полюса, а у ДПТ - під сбегающим, як показано на малюнку 3.

Побічні наслідки реакції якоря

Внаслідок явища магнітного насичення стали результуюче поле під краєм полюса, де воно посилюється, не може збільшитися в тій же мірі, в якій послаблюється під протилежним краєм. Тому результатом даного ефекту є загальне зниження магнітного поля навантаженої машини. У разі генератора ослаблення поля зменшує напруга, що генерується. Реакція якоря машини постійного струму спотворює просторову картину силових ліній поля, отже, змінюється положення магнітної нейтралі (МН) - у двополюсної МПТ вона перпендикулярна силовим лініям потоку збудження і збігається з геометричною нейтраллю ГН. Щітки повинні бути розміщені на МН, в іншому випадку це призведе до іскріння під ними. Таким чином, у зв'язку з реакцією якоря важко визначити точне положення МН. Втім, для цього існують апробовані на практиці способи. Другим негативним наслідком даного ефекту, яка суттєво погіршує експлуатаційні характеристики машини постійного струму, є підвищення максимальної напруги між поруч розташованими пластинами. Подивіться ще раз на схему простий петлевої обмотки. Якщо сторони деякої її секції знаходяться одночасно під краями двох сусідніх різнойменних головних полюсів зі збільшеним через реакції якоря полем, то индуктируемое в цій секції напругу, а отже, і напруга між парою сусідніх пластин колектора може істотно перевищити його величину, коли реакція якоря відсутня, тобто при холостому ході. Причому таке перевищення настає зазвичай відразу на декількох ділянках колектора, розташованих у зонах збільшеного поля. В результаті може виникнути таке явище, як круговий вогонь на колекторі, яка може його повністю зруйнувати. Тому без спеціальних конструктивних способів придушення реакції якоря робота машини постійного струму, що має середню і велику потужність, практично неможлива.

Способи боротьби з реакцією якоря

Найбільш простим і першим з'явилися способів стало збільшення повітряного зазору від середини до країв наконечників полюсів, тобто виконання розходиться зазору. При цьому збільшувалася магнітне опір потоку реакції якоря, і вплив його на поле збудження зменшувалася. Але опір росло і для потоку збудження, що змушувало збільшувати габарити котушок на головних полюсах. Для ослаблення потоку якоря при виготовленні головних полюсів використовується електротехнічна сталь з магнітною анізотропією властивостей (магнітної проникності) вздовж і поперек осі полюсів. Полюси з такої сталі добре проводять подовжній потік збудження і погано - поперечний потік якоря. Однак така сталь дуже дорога, а її властивості сильно залежать від температури і змінюються з плином часу. Нарешті був знайдений радикальний спосіб боротьби з реакцією якоря машини постійного струму. Пристрій і принцип дії її при цьому майже не змінилися, але додалася ще одна обмотка – компенсаційна. Вона розміщується в пазах, виконуваних в наконечниках головних полюсів (або в пазах статора разом з обмоткою збудження при неявнополюсной конструкції), як показано на малюнку нижче, і послідовно приєднується до обмотки якоря, тобто по них проходить однаковий струм. Проте напрямок обтікання їм витків компенсаційної обмотки вибрано таким чином, що порушуваний нею магнітний потік спрямований назустріч потоку реакції якоря і компенсує його. Всі сучасні електричні машини постійного струму, що мають середню і велику потужність, оснащуються такий обмоткою.