Общие положения
Машины постоянного тока в буровых установках применяются как возбудители синхронных двигателей и генераторов, в качестве привода в регуляторах подачи долота, в качестве регулируемого привода ротора, как электропривод основных механизмов уникальных и морских буровых установок.
Машины постоянного тока обратимы и могут работать в качестве генератора и двигателя.
Генератор постоянного тока, принцип действия и устройство
На рис. 42 представлена схема простейшего генератора постоянного тока. На валу с якорем помещается коллектор, набираемый из медных пластин, изолируемых друг от друга и от вала. Коллектор служит для получения на выводах машины постоянного по направлению тока.
На станине укрепляются электромагниты, служащие для создания магнитного поля. При вращении якоря в витке его обмотки наводится переменная э. д. с. одного направления. Так, в положении якоря, указанном на рис. 42, а, щетка А примыкает к стороне витка, в которой э. д. с. направлена к коллекторной пластине, поэтому полярность щетки А будет положительной ( + ).
Полярность щетки Б будет отрицательной (—), так как в нижней стороне витка э. д. с. направлена от коллектора. Если предположить, что якорь повернулся на пол-оборота, то стороны поменяются местами и направление э. д. с. в них изменится на обратное, а полярность щеток А и Б не изменится.
В процессе вращения якоря виток займет и такое положение, при котором каждая из щеток будет примыкать к обеим коллекторным пластинам одновременно. При этом виток окажется замкнутым накоротко. В этом случае сила тока витка будет определяться его сопротивлением, которое очень мало, и э. д. с. в этом витке увеличивается.
Рис. 42. Устройство генератора постоянного тока:
а — конструктивная схема; б — изменение э.д.с. в витке; в — изменение э.д.с на щетках при двух коллекторных пластинах; г — изменение э.д.с. на щетках при четыре коллекторных пластинах
Для уменьшения силы тока щетки располагают так, чтобы виток замыкался щетками в момент, когда его стороны находятся в зоне минимальных индукций. При этом наводимая в короткозамкнутом витке э. д. с. будет минимальной. Положение этой зоны определяют нейтралью, т. е. линией, проходящей через точки, в которых индукция в воздушном зазоре машины равна нулю. Под геометрической нейтралью понимают линию симметрии, разделяющую северный и южный полюсы На этой линии при холостом ходе генератора магнитная индукция равна нулю. При нагрузке машины магнитное поле создается и током якоря, поэтому оно искажается и смещаются точки, в которых индукция равна нулю.
Линия, проведенная через эти точки, называется физической нейтралью. На физической нейтрали обычно устанавливаются щетки.
На рис 42, б, в. г представлены кривые изменения э. д. с. генератора во времени. Как видно, характер кривой э. д. с. генератора постоянного тока пульсирующий. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация э. д. с. уменьшается ни при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1 %.
На рис. 43 представлено устройство машины постоянного тока.
Неподвижная часть машины состоит из главных полюсов, дополнительных полюсов и станины. Главный полюс представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток в машине. Составными частями электромагнита являются сердечник, обмотка возбуждения и полюсный наконечник.
Добавочные полюсы служат для улучшения коммутации уменьшения искрения на коллекторе. Они устанавливаются в средних точках между главными полюсами. Станина отливается из стали и является остовом машины.
Вращающаяся часть машины (якорь) состоит из сердечника, обмотки и коллектора. Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещаются неподвижные щетки, которые могут быть графитными или угольнографитными.
Выводы обмоток машин постоянного тока обозначаются: якоря — Я1 и Я2, компенсационная — К1 и К2, дополнительных полюсов — Д1 и Д2, последовательная возбуждения (сериесная)— С1 и С2, параллельная возбуждения (шунтовая)—Ш1 и Ш2. Цифра 1 обозначает начало обмоток, цифра 2 — конец.
Рис. 44. Схемы соединения выводов электрических машин постоянного тока: а — нормальное расположение; б — с расположением частей обмоток добавочных полюсов по обе стороны якоря; а — параллельное возбуждение электродвигателей; д — последовательное возбуждение; е — смешанное возбуждение;
I — правое вращение электродвигателей; II — левое вращение
Выводы обмотки якоря Я2 и обмотки дополнительных полюсов Д1 соединены внутри машины (рис. 44). На доску машины выведены Я1 и Д2.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения для машин постоянного тока применяется независимое возбуждение магнитного потока и самовозбуждение (рис. 44, г, д, е).
При независимом возбуждении обмотка возбуждения соединяется с вспомогательным источником энергии постоянного тока.
В зависимости от соединения обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением они могут быть параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
Самовозбуждение генератора происходит лишь при условии: 1) наличия потока остаточного магнетизма; 2) обмотка возбуждения должна быть включена так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма; 3) сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть не чрезмерно большим; 4) сопротивление внешней нагрузки должно быть относительно велико.
Характеристики генератора постоянного тока
Характеристики генератора показывают его рабочие свойства. Они представляют собой зависимости между основными величинами — э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжении на его зажимах U, током в якоре Iя, током возбуждения Iв и частотой вращения якоря п. Каждая из характеристик показывает зависимость между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря.
Рис. 45. Характеристики генераторов постоянного тока:
а — характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения; б — внешние характеристики генераторов;
1 — независимого возбуждения; 2 — параллельного возбуждения; 3 — последовательного возбужден ня
Если якорь вращается с частотой п, то в его обмотке индуктируется э. д. с., равная
Двигатель постоянного тока
При включении двигателя постоянного тока в сеть под действием приложенного напряжения ток протекает в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. Ток возбуждения возбуждает магнитный поток полюсов. В результате взаимодействия тока в проводниках обмотки якоря с магнитным полем полюсов возникает вращающий момент, и якорь машины приходит во вращение.
Конструктивно двигатель постоянного тока не отличается от генератора.
Вращающий момент, развиваемый электродвигателем,
(68)
Приложенное напряжение уравновешено противо-э. д. с. и падением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактов. Поэтому для двигателя уравнение равновесия э. д. с. примет вид
(69)
Ток в обмотке якоря определяется выражением
(70)
Частота вращения якоря двигателя
Рис. 46. Схема двигателя параллельного возбуждения
Это выражение показывает, что частоту вращения якоря можно изменять, меняя сопротивление в цепи якоря магнитный поток Ф и напряжение питания
Соединение выводов двигателей постоянного тока при правом и левом вращениях показано на рис. 44 (I, II).
Чтобы изменить направление вращения электродвигателя, необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения или в обмотке якоря.
