ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Машины постоянного тока по сравнению с машинами переменного используются в народном хозяйстве страны, ограниченно главным образом там, где необходимо регулировать число оборотов в широких пределах. Например, двигатели постоянного тока применяют для подъемных устройств, в электрической тяге, для приведения в действие прокатных станов, гребных винтов судов и в других видах регулируемого электропривода. Генераторы постоянного тока мы встречаем в тех сбластях техники, где нужен постоянный ток для технологических целей: электролиз, электрическая сварка, когда требуется получить более устойчивую по сравнению с переменным током электрическую дугу, а также для питания двигателей постоянного тока.
Постоянный ток необходим на строительстве. Его применяют для электропривода мощных экскаваторов, зарядки аккумуляторов и в редких случаях электрической сварки.
§ 8.1. Устройство машин постоянного тока
Основными частями машины постоянного тока (рис. 8.1) являются: неподвижная часть — станина, вращающийся ротор-якорь и два подшипниковых щита.
Рис. 8.1. Разрез четырехполюсной машины постоянного тока:
1— станина; 2 — главный полюс; 3 — дополнительный полюс; 4— якорь; 5 — коллектор; 6 — щетки
Станина — из литой стали; с внутренней ее стороны укреплены сердечники полюсов электромагнитов, выполненные из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаковой пленкой или тонкими листами бумаги. На сердечники надеты катушки из изолированной медной проволоки, являющиеся обмоткой возбуждения ма шины.
Рис. 8.2. Якорь машины постоянного тока
Станина машины служит замыкающей частью — ярмом магнитопровода.
Ротор машины, называемый в машинах постоянного тока якорем (рис. 8.2), представляет собой цилиндрическое тело, собранное (так же как фазный ротор асинхронных двигателей) из тонких штампованных листов стали. Одно целое с якорем составляет коллектор — полая втулка, на которой укреплены медные пластины клинообразного сечения, изолированные одна от другой и от втулки коллектора прокладками из миканита (изделие из слюды). В пазах якоря размещается обмотка. Концы ее припаивают к пластинам коллектора.
На внешнюю поверхность коллектора накладываются щетки, прикрепленные при помощи траверсы к неподвижной части машины. При вращении якоря вращается также и коллектор, а щетки скользят по его поверхности, оставаясь неподвижными. Вал якоря вращается в подшипниках, закрепленных в щитах.
Рис. 8.3. Упрощенная модель генератора постоянного тока
Рис. 8.4. Кривая выпрямления коллектором переменного напряжения при одной катушке на якоре генератора
На упрощенной схеме рис. 8.3 изображен между двумя магнитами вращающийся виток обмотки якоря 3. Нетрудно уяснить назначение и принцип действия коллектора. Концы обмотки якоря соединены с двумя пластинами коллектора 1, по которому скользят две щетки 2. При вращении якоря в его проводниках будет наводиться синусоидальная электродвижущая сила. При коллекторе с верхней щеткой все время оказывается соединенным проводник, движущийся под северным полюсом электромагнита, а с нижней — проводник, движущийся под южным полюсом. В результате этого между щетками будет действовать напряжение, изменяющееся во времени, как показано кривой рис. 8.4. Все ее точки расположены выше нулевой линии (напряжение все время будет сохранять один знак). Таким образом коллектор выпрямляет переменное напряжение.
Но напряжение, представленное кривой рис. 8.4, еще не является постоянным, так как его величина за один оборот якоря два раза претерпевает изменения от нулевого значения до максимального.
Если намотать на якорь обмотку, состоящую не из одного, а из двух витков, и расположить их на якоре перпендикулярно один другому, то э. д. с, которые наводятся в них при вращении якоря, будут отличаться друг от друга по фазе. В тот момент, когда в одном витке э. д. с. будет равна нулю, в другом она будет иметь максимальную величину. Графически это можно изобразить двумя кривыми (рис. 8.5, а).
Рис. 8.5. Кривая выпрямления коллектором переменного напряжения при двух катушках на якоре генератора
С помощью коллектора, состоящего из четырех раздельных частей, можно получить в двух витках два выпрямленных напряжения ег и е2, показанных на рис. 8.5, б. При соответствующем соединении витков наводимые в них э. д. с. будут складываться и на щетках машины получится суммарное напряжение, которое имеет значительно меньшие колебания по величине (рис. 8.5, в).
В выпускаемых ныне машинах постоянного тока обмотки якоря имеют значительно большее число катушек и пластин коллектора. Чем больше будет катушек в обмотке якоря и пластин на коллекторе, тем более ровным, т. е. приближающимся к постоянной величине, будет выпрямляемое коллектором напряжение. Соответственным увеличением числа катушек обмотки и пластин коллектора получают суммарное напряжение на щетках (выводах) генератора с весьма малыми колебаниями по величине.
Машины постоянного тока производят обычно не двухполюсными, а с большим числом полюсов — 4—6. Полюса чередуются попеременно между собой. Количество щеток равно числу полюсов: например, у четырехполюсной машины должно быть четыре щетки.
§ 8.2. Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения
Рабочие свойства машин постоянного тока зависят в значительной мере от способа соединения обмотки возбуждения с якорем постоянного тока. Они подразделяются на: машины с параллельным возбуждением (шунтовые), машины с последовательным возбуждением (сериесные) и машины со смешанным возбуждением (компаундные) (рис. 8.6). Машины с параллельным и смешанным возбуждением применяют и в качестве генераторов, и в качестве двигателей, а с последовательным возбуждением — только в качестве двигателей.
Рис. 8.6. Возбуждение машин постоянного тока:
а — параллельное (шунтовое); б — последовательное (сериесное); в — смешанное (компаундное); R — нагрузка
В машинах с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединяется параллельно обмотке якоря (рис. 8.6, а), в машинах с последовательным возбуждением — последовательно с обмоткой якоря (рис. 8.6, б). В машинах со смешанным возбуждением обмотка возбуждения имеет две части: одну, соединенную параллельно, а другую — последовательно с обмоткой якоря (рис..8.6, в). Обмотки возбуждения, присоединяемые параллельно, выполняют из проводов небольшого сечения; обмотки же, присоединяемые последовательно, рассчитанные на прохождение через них полного тока генератора, выполняют из проводов большого сечения.
Соединение обмотки возбуждения с обмоткой якоря производится в коробке выводов генератора при помощи болтовых зажимов. Стандартом установлены следующие обозначения зажимов: обмотки якоря или, что то же, выводов генераторов — Я1 и Я2, параллельной обмотки — Ш1 и Ш2, последовательной обмотки — С1 и С2.
Кроме основных полюсов в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, располагаемые между основными полюсами на станине машины. Обмотка дополнительных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря машины. Назначение обмотки дополнительных полюсов — устранить искрение на коллекторе.
