Рис. 34. К пояснению устройства машин постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока состоит из неподвижной станины и вращающегося якоря. Часто по аналогии с машинами переменного тока неподвижную часть называют статором, а вращающуюся — ротором. Статор отливается цельным из стали. На статоре 1 (рис. 34) крепят главные 2 и дополнительные 3 полюса. На сердечники главных (основных) полюсов надевают катушки обмотки возбуждения 4. При прохождении по обмотке возбуждения тока создается главный магнитный поток (поле), для выравнивания которого сердечники полюсов снабжаются наконечниками определенной формы. Дополнительные полюса обычно устанавливаются на более крупных (более 100 кВт) машинах и их обмотки соединяют последовательно с обмоткой якоря. Дополнительные полюса предназначены для поддержания относительно неизменным поля работающей машины при изменении нагрузки, чем обеспечивается безыскровая работа щеток на коллекторе.
Сердечник якоря 5 набирают из листовой электротехнической стали: он имеет пазы 6, куда вкладывается обмотка. Выводы обмотки якоря присоединяют пайкой к расположенному на валу коллектору 7. Пластины коллектора изолируют друг от друга и от вала, на котором они располагаются. Обмотки якоря соединяются с внешней цепью при помощи щеток 8, которые могут смещаться на определенный угол по отношению к главным полюсам.
Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Расстояние между пазами, в которых располагают проводники секций, выбирают примерно равным полюсному делению, т. е. расстоянию по окружности якоря между осями соседних полюсов. Представим электрическую машину простейшей моделью (рис. 35). Если первичный двигатель будет вращать якорь со скоростью п в направлении, указанном стрелкой, то в проводниках обмотки якоря будут наводиться ЭДС, направление которых можно определить по правилу правой руки.
При изменении угла поворота в пределах 0 <α< 180° ток идет от конца К секции к ее началу Н (рис. 35, а). Если угол изменяется в пределах 180о < α< 360°, ЭДС секции ес направлена в противоположную сторону, т. е. от начала Н к концу К секции. Но так как при повороте секции поворачивается и коллектор (в данном случае две пластины), щетка Щ1 по-прежнему будет иметь более высокий потенциал, чем щетка Щ2, и ЭДС не изменит своего направления. Ток в якоре и во внешней цепи (сопротивление rн) будет оставаться неизменным по направлению, хотя ток в секции iС будет менять свое направление. Переменный ток в постоянный преобразуется с помощью полуколец (коллектора).
Рис. 35. Модель машины постоянного тока
Машина постоянного тока, как и машина переменного, является обратимой, т. е. может работать в режиме двигателя или генератора. Если отключить сопротивление rн и к зажимам а и b подвести напряжение указанной на рис. 35, а полярности, го под действием этого напряжения в цепи якоря возникнет ток iя.
Этот ток будет направлен в противоположную, чем на рис. 35, сторону и будет неизменным по направлению. Ток в секции iс с помощью полуколец, к которым подсоединяются щетки Щ1 и Щ2, будет изменять свое направление. В результате взаимодействия проводников обмотки якоря с магнитным полем главных полюсов возникает вращающий момент, под действием которого якорь начнет вращаться в направлении, указанном стрелкой, т. е. машина сработает в режиме двигателя. Вследствие изменения направления тока в секции при вращении якоря ток в проводниках под одноименными полюсами имеет неизменное направление, и вращающий момент всегда направлен в одну и ту же сторону. Основное назначение коллектора (полуколец) у двигателя постоянного тока — преобразовывать постоянный по направлению ток i во внешней цепи в изменяющийся по направлению ток секции iС.
Если машину постоянного тока вращать посредством первичного двигателя, то при включенной цепи обмотки возбуждения (ОВ) машины проводники пересекут обмотку якоря постоянного магнитного поля, образованного в результате прохождения тока через ОВ машины. При этом по закону электромагнитной Индукции в проводниках обмотки якоря будет изменяться ЭДС, т. е. (при замкнутой внешней цепи) машина постоянного тока работает в режиме генератора. В этом режиме при взаимодействии потока возбуждения с током обмотки якоря создается тормозной момент якоря, т. е. механическая энергия превращается в электрическую. При увеличении количества секций и пластин коллектора ток на выходе генератора получается суммированием, токов отдельных секций, подсоединяемых к пластинам коллектора 1—8 (рис. 35, б).
Рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа возбуждения. Так, цепь обмотки возбуждения может питаться от независимого источника электрической энергии (независимое возбуждение), может подсоединяться параллельно, последовательно или смешанно по отношению к обмотке якоря.
При независимом возбуждении (рис. 36, а) напряжение на зажимах машины постоянного тока понижается в основном из-за увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении цепи якоря. При номинальном сопротивлении нагрузки напряжение генератора на 8-10 % меньше напряжения холостого хода. При уменьшении сопротивления нагрузки до нуля машина переходит в режим короткого замыкания: скорость вращения (обороты) и ток в якоре достигают значительных величин. Поэтому электрическую машину защищают от коротких замыканий и перегрузок быстродействующими устройствами защиты, отключающими цепь при токах, в 1,6—2 раза превышающих номинальный. Это обеспечивает нормальные условия эксплуатации: нагрев обмотки не превышает допустимого, искрение щеток в пределах нормы.
Генераторы независимого возбуждения применяют в тех случаях, когда необходимо производить регулирование напряжения в широком диапазоне, в том числе с изменением знака. Независимое возбуждение имеют генераторы высокого напряжения, в которых недопустимо обмотку возбуждения включать в цепь якоря из-за конструктивной сложности и опасности управления машиной обслуживающим персоналом. Стандартные напряжения питания обмоток возбуждения 110 или 220 В при любом рабочем напряжении генератора. Генераторы с постоянными магнитами имеют характеристики генераторов с нерегулируемым независимым возбуждением.
Рис. 36. Принципиальные схемы возбуждения машин постоянного тока: а — независимого; б — параллельного; в — последовательного; г — смешанного
В двигателе параллельного возбуждения (рис. 36, б) якорь Я и обмотка возбуждения ОД образуют параллельные ветви и общий ток двигателя равен сумме токов Iя и IВ. Ток возбуждения обычно составляет 2— 5 % тока якоря. Скорость вращения регулируют регулировочным реостатом r , который включается в цепь ОВ. Подбором сопротивления можно увеличить скорость вращения в 1,5— 3 раза.
Поскольку обмотка возбуждения подключена непосредственно к напряжению сети, то при неизменном сопротивлении r скорость вращения двигателя остается постоянной даже при изменении нагрузки в определенных пределах. Двигатели с параллельным возбуждением применяют там, где необходимы постоянная скорость и широкий диапазон регулирования скорости за счет регулирования тока возбуждения. Разрыв обмотки возбуждения недопустим, так как при этом возникает большая ЭДС самоиндукции. Появляющееся на разомкнутых концах обмотки высокое напряжение создает сильное искрообразование, что опасно для изоляции и для обслуживающего персонала. Разрыв цепи возбуждения у двигателей постоянного тока, кроме того, приводит к недопустимому увеличению скорости его вращения (двигатель идет в «разнос»), В этом случае необходимо немедленно отключать двигатель от сети.
В двигателе c последовательным возбуждением (рис. 36, в) обмотка возбуждения (ОД) соединяется последовательно с обмоткой якоря Я и пусковым реостатом rп. Вращающий момент двигателя пропорционален квадрату тока, поэтому с увеличением тока в якоре вращающий момент резко возрастает, и, наоборот, значительное увеличение тормозного момента на валу вызывает небольшое увеличение тока якоря. Это позволяет применять двигатели с последовательным возбуждением там, где требуются большие вращающие моменты и возможны перегрузки, значительно превышающие номинальные (трамвай, метро и т. п.).
Недостаток двигателей с последовательным возбуждением состоит в том, что при уменьшении нагрузки на валу уменьшается и магнитный поток, что вызывает увеличение скорости Так, при снижении нагрузки более 30% номинальной двигатель идет в «разнос». Поэтому там, где нагрузка может резко снижаться или вообще отключаться, двигатели с последовательным возбуждением применять нельзя.
Двигатели со смешанным возбуждением (рис. 36, г) имеют две обмотки возбуждения, включенные одна — параллельно, другая — последовательно. Поэтому такие двигатели сочетают в себе свойства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Скорость вращения у двигателей со смешанным возбуждением с увеличением нагрузки уменьшается в большей степени, чем у двигателей с параллельным возбуждением, но не так резко, как у двигателей с последовательным возбуждением. При малых нагрузках и холостом ходе двигатель со смешанным возбуждением не идет в «разнос», так как имеет постоянный ток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения.
Пуск двигателя постоянного тока осуществляется через пусковые реостаты rп, которые служат для ограничения пускового тока. Сопротивление пускового реостата выбирают из расчета, чтобы пусковой ток не превышал более чем в два раза номинальный ток двигателя. С увеличением скорости вращения якоря пусковой ток уменьшается и реостат постепенно (ступенями или плавно) выводится. По окончании пуска пусковой реостат обязательно отключают. Важным моментом в работе двигателя является изменение направления вращения двигателя (реверс). Направление вращения двигателя постоянного тока любого типа изменится, если изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Если же поменять местами провода, отходящие от источника питания, то одновременно изменится направление тока в ОВ и якоре, а направление вращения двигателя не изменится.
При эксплуатации двигателей необходимо обращать серьезное внимание на температуру отдельных частей машины, которая должна быть не выше допустимой. Номинальная температура входящего воздуха у двигателей, изготовленных по ГОСТ 183—55, 35 °С, а у двигателей, изготовленных по ГОСТ 183—66 и ГОСТ 183—74, 40 °С При увеличении температуры входящего воздуха допустимая мощность соответственно снижается.
Предельно допустимые превышения температуры частей двигателя при окружающей температуре 40 °С следующие: для изоляции классов А и Б — не выше 50 и 70 °С соответственно при измерении термометром и 60, 80 °С — при измерении методом сопротивления; превышение температуры активной части — 60, 80 °С.
Вкладыши подшипников скольжения не должны нагреваться выше 80° С при разности температур вкладыша и окружающей среды не более 45 °С; температура масла в подшипниках без маслоохладителей не должна превышать 70— 75 °С; для подшипников с принудительной смазкой — не более 65 °С на сливе масла; предельно допустимая температура подшипников качения 100 °С.
