Тема:Машини постійного струму

1.Будова та принцип роботи.

2. Збудження машин постійного струму.

3. Регулювання швидкості обертання якоря

4. Колекторні машини змінного струму

1.Будова та принцип роботи.

 Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину виробник випускає з певним призначен­ням – працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, при­значені для роботи як генератором, так і двигуном.Генератори постійного струму застосовують тоді, коли по­трібно мати самостійне джерело струму, наприклад для жив­лення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, зварювальних установок, знаходять застосування в установках для зарядки акумуляторних батарей і агрегатах, що перетворюють змінний струм в постійний, необхідний для живлення електролізних установок і інших споживачів постійного струму; в синхронних машинах змінного струму для живлення обмотки живлення ротора; в електромашинних агрегатах, які використовуються в промисловості для широкого і плавного регулювання швидкості робочих машин, наприклад у тролей­бусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у при­строях автоматики.

 Двигуни постійного струму мають значні пе­реваги перед двигунами інших типів:

-допускають поступове регулювання швидкості обертання вала різними способами;

-створюють великий пусковий момент. У генераторах постійного струму є можливість плавно регулювати ЕРС у широких межах.

Основними частинами генератора постійного струму є: нерухома магнітна система, що створює основне магнітне поле машини; якір, що приводиться до обертання, і в обмотці якого індукується електрорушійна сила; колектор, за допомогою якого отримують постійну напругу на клемах генератора. Конструктивні елементи показані на наведеному рисунку.

Статор машини постійного струму складається зі станини і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об’єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і котушки. Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у ма­шинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи ма­шини; обмотку додаткових полюсів з’єднують послідовно з обмоткою  якоря Якір  машини по­стійного струму складається з осер­дя й обмотки. Осердя якоря наби­рають з тонких листів електротехніч­ної сталі (0,35 – 0,5 мм), ізольованих один від одного лаковим покриттям або тонким папером, що зменшує втра­ти на вихрові струми. У пази осердя укладаються ізольовані провідники (стержні). Стержні з’єднуються між собою по торцях і утворюють замкнену обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зо­внішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала машини міканітовими прокладками. Кожна з пластин колектора приєднується   до   певної точки обмотки якоря . Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор – це пристрій, який кон­структивно об’єднаний з якорем  електричної машини і є механічним перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмоз’ємні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.

 

Колектор машини постійного струму збирається з клиноподібних пластин холоднокатаної міді Основними елементами колектора є мідні колекторні пластини, зібрані таким чином, що колектор набуває циліндричну форму. Нижня частина колекторних пластин 6 має форму «ластівчиного хвоста». Після складання колектора ці частини пластин виявляються затиснутими між сталевими шайбами 1 і 3. Конусні шайби стягнуті гвинтами 2. Колекторні пластини ізольовані один від одного і від сталевих шайб міканітовими прокладками 4. Верхня частина колекторних пластин5, звана півником, має вузький поздовжній паз, в який закладають провідники обмотки якоря і припаюють. Пластини ізолюють одну від іншої прокладками з колекторного міканіту товщиною 0,5 - 1 мм.

Обмотки якоря бувають двох типів:

хвильова	петльова
		Обмотка якоря виготовляється з мідних проводів круглого або прямокутного перерізу у вигляді заздалегідь виконаних секцій. Вони укладаються в пази, де ретельно ізолюються. Обмотку роблять двошаровою: розміщують в кожному пазу дві сторони різних якірних котушок - одну над іншою. Обмотку закріплюють у пазах клинами .Частина обмотки, що міститься між двома пластинами колектора, називається секцією. Число секцій та чис­ло колекторних пластин однако­ве.

Режими роботи машин постійного струму:

Двигун перетворює електричну енергію на механічну. ЕРС якоря про­тидіє зовнішній напрузі, що переборює у цьому разі і падіння напруги в обмотці якоря.

 

Генератор перетворює механічну енергію на електричну. Індукована ЕРС долає падіння напруги у обмотці якоря та опорі наван­таження.

Напрям ЕРС та струму в обмотці якоря визначають за правилом правої руки. У генераторі колектор служить для випрямлення струмів. У двигуні колектор забезпечує проходження струму у провідниках, що лежать під одним полюсом в одному напрямку.

Принцип дії машини постійного струму грунтується  на законах електромагнітної індукції та законі Ампера. Магнітне поле машини утворює обмотка збудження, яка знаходиться на головних полюсах. Основний магнітний потік проходить станину, осердя полюсів, осердя якоря і дворазово долає повітряний проміжок між якорем та головними полюсами. В режимі генератора до обмотки збудження, яка розташована на головних полюсах, підводять невеликий постійний струм збудження, а якір обертають первинним двигуном (турбіною, повітрям та ін.). Провідники обмотки якоря перетинають магнітні силові лінії, утворені обмотками збудження головних полюсів, і в них за законом електромагнітної індукції, наводиться ЕРС, напрям якої визначається за правилом правої руки. Обмотка якоря ділиться щітками на дві паралельні вітки, ЕРС яких направлені зустрічно. За допомогою колектора та щіток, які є механічним випрямлячем, ці перемінні пульсуючі ЕРС підсумовуються у постійну за значенням і напрямком ЕРС машини

Якщо машина працює генератором, із щіток знімається постійна напруга.

Комутацією у машині постійного струму називається пе­ремикання щітками пластин колектора. В результаті комутації струм у секції обмотки якоря змінює свій напрям на протилежний. При перемиканні пластин колектора виникає іскріння. Це дуже небажане явище, яке може призвести до кругового вогню та виводу ко­лектора з ладу. Іскріння може мати характер:механічний,електромагнітний.

Іскріння механічного характеру усувається механічним шляхом. Це — проточування, шліфування, полірування та промивання колектора, ре­гулювання щіток та всього щітково-колекторного вузла.

Іскріння електричного характеру виникає через швидке ви­микання кола, що має велику індуктивність.

2. Збудження машин постійного струму

Стандартом передбачають­ся спрощений та розгорнутий спосо­би графічного позначення машини постійного струму. На рис. на­ведено стандартне зображення усіх обмоток машин постійного струму.

Збудженням машини постійного струму називається спосіб створення ос­новного магнітного потоку. В залежності від вмикання обмотки збудження та обмот­ки якоря розрізняють п'ять способів збу­дження.

1. Незалежне збудження рис. У цьому разі обмотка збудження умикається на автономне джерело живлення.

 

 

 

2. Паралельне (шунтове) збудження рис. Обмотка збудження вмикається паралельно до обмотки якоря.

Звичайно опір обмотки збудження великий, вона виготов­ляється багатовитковою із тонкого дроту.

 

 

3. Послідовне (серієсне) збудження рис. Обмотка збудження вмикається послідовно з обмоткою якоря.

Струм якоря є одночасно і струмом збудження. Обмотка збудження розраховується на великий струм, має невелику кількість витків та виготов­ляється дротом великого перерізу.

 

4. Змішане (компаундне) збудження . Обмотка збудження має дві котушки. Одна з них умикається послідовно, а друга паралель­но до обмотки якоря. Ці машини мають свої переваги щодо машин ін­

 

 

5. Збудження ста­лими магнітами . Машини цього типу не мають обмотки збудження, а основний потік створюється ста­лими магнітами ста­тора.

 

 

 3. Регулювання швидкості обертання якоря та певерсування

Великою перевагою двигунів постійного струму є мож­ливість регулювання швидкості обертання якоря у широких межах кількома досить простими способами.

є три способи регулювання швидкості обертання якоря:

— зміною напруги;

—Зміною величини опору кола якоря ( включення додаткового резистора, що вмикається послідовно з якорем).

— Зміною магнітного потоку двигуна (вмикання реостату в  коло збудження).

Є два способи реверсування ( зміна напрямку обертання вала двигуна)  електричного двигуна постійного струму:

– зміною напрямку струму в якорі за незмінної полярності полюсів;

– зміною напрямку струму збудження за незмінного напрямку струму в якорі.

Гальмування вала якоря двигуна постійного струму. Гальмування може здійснюватися механічно (за допомогою механічних гальм) та електрично.  

Електричне гальмування може бути динамічним та рекуперативним (з поверненням електричної енергії в мережу). 

Динамічне гальмування здійснюється шляхом переводу електричного двигуна в генераторний режим. При цьому вал машини обертається у напрямку, що є протилежним напрямку електромагнітного моменту. Динамічне гальмування електричного двигуна постійного струму можливе до реверсування. 

Для рекуперативного гальмування  необхідно, щоб проти-ЕРС стала більшою, ніж напруга на затискачах. При цьому струм у якорі міняє свій напрямок, машина працює у генераторному режимі та розвиває гальмуючий момент.

4. Колекторні машини змінного струму

Зміною напрямку струму в обмотці збудження двигуна по­стійного струму змінюють напрям основного магнітного потоку. При цьому змінюється напрям дії обертаючого моменту. Змінити напрям обертання можна також зміною напряму струму якоря. Тобто, якщо одночасно змінити напрями струмів збудження і якоря, то напрям обертаючого моменту не зміниться. Одночасна зміна напряму струмів збудження і якоря просто відтворюється у двигунах послідовного збуд­ження Машину послідовного збудження прин­ципово можна використати як колекторний двигун однофазного змінного струму.

 

 

Колекторні двигуни змінного струму реалізують основні переваги машин постійного струму. Двигуни досить просто регулюють­ся, дають можливість одержати дуже високі оберти якоря, мають вели­кий пусковий момент. Колекторний двигун можна також використову­вати як універсальний, тобто вмикати на постійну і на змінну напруги. Колекторні двигуни змінного струму використовуються:

— у побутових електроприладах;

— у приладах та апаратах, що потребують універсального живлення;

— в установках, що потребують плавного регулювання числа обертів якоря;

— на транспорті (електротяга у вигляді однофазного колекторного двигуна) .

Колекторний двигун змынного струму з обмоткою збудження	Колекторний двигун змінного струму з  збудженням від постійних магнітів

 

Конструкція колекторної машини принципово не відрізняєть­ся від машини постійного струму. Статор звичайно явнополюсний з об­моткою збудження, якір має колектор. На відміну від машини постійно­го струму корпус статора та полюси виконуються шихтованими для зменшення втрат від вихрових струмів.

У колекторних машинах змінного струму погіршені умови комутації. Тому двигуни мають деякі конструктивні особливості. Кому­тація у колекторних двигунах змінного струму характеризується так:

— у секції, що комутується, наводиться реактивна ЕРС ;

— для компенсації реактивної ЕРС створюється комутуюча ЕРС ;

— у секції, яка комутується, через періодичну зміну головного маг­нітного потоку, що проймає витки секції, виникає ще трансформаторна ЕРС .

Щоб зменшити трансформаторну ЕРС, зменшують число витків у секції (Wg). Але, щоб залишити обертаючий момент, збільшують число секцій. Тому колекторні двигуни змінного струму мають велике число секцій, а також колектор з великою кількістю пластин. Зменшити ЕРС или Єр можна також зменшенням магнітного потоку. Проте, щоб залишити обертаючий момент, збільшують число пар полюсів. Тому колекторні двигу­ни змінного струму звичайно мають велике число пар полюсів.

Показники двигуна при роботі на змінному струмі гірші, ніж показники роботи на постійному струмі. В універсальному двигуні при живленні від джерела синусоїдного струму використовується тільки частина обмотки збудження.

Реакція якоря колекторного двигуна змінного струму має пульсуючий характер. Для компенсації явища реакції якоря, крім до­даткових полюсів, завжди використовують компенсаційні обмотки. Практично усі колекторні двигуни змінного струму мають компенсаційні обмотки.