Генераторы постоянного тока

Принцип работы. Работа генератора постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции, заключающемся в том, что в проводнике, который во время движения в магнитном поле пересекает его силовые линии, наводится электродвижущая сила (э. д. с.). Направление наведенной э. д. с. определяют по правилу правой руки.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую поясним на простейшей машине постоянного тока (рис. 137, а). На поверхности стального якоря уложен виток изолированного провода абвг. Концы витка присоединены к двум медным полукольцам (пластинам ) I я 2, которые закреплены на валу якоря и изолированы друг от друга. Пластины 1 и 2 образуют простейший коллектор машины. На коллектор опираются неподвижные щетки А и Б, к которым подключен приемник энергии сопротивлением г. От северного полюса генератора N к южному полюсу 5 через воздушные зазоры и стальной якорь замыкается постоянный магнитный поток Ф. При равномерном вращении якоря стороны витка аб и вг пересекают магнитные силовые линии, поэтому в них индуцируются э. д. с. ех и е2, изменяющиеся по синусоидальному закону. По такому же закону изменяется и полная э. д. с. витка абвг: е = ех +- ег ~ Ет sin сat.

Э д. с. становится максимальной, когда проводники аб я вг находятся под серединами полюсов, и принимает нулевое значение, когда эти же проводники попадают на нейтральную плоскость, где они не пересекают магнитных силовых линий поля.

В двухполюсной машине одному обороту якоря в магнитном поле соответствует полный цикл изменения э. д. с. (рис. 137, в). Причем за первую половину оборота (когда э. д. с. имеет положительный знак) щетка А касается первой пластины коллектора, а щетка Б - второй пластины коллектора (см. рис. 137, а). За вторую половину оборота (при отрицательном знаке э. д. с.) щетка А касается второй пластины коллектора, а щетка Б - первой пластины коллектора (рис. 137, б). Каждая щетка переключается с одной пластины на другую в момент прохождения витка через нейтральную плоскость, когда э. д. с. витка равна нулю.

Пользуясь правилом правой руки, легко установить, что за первую половину оборота якоря (см. рис. 137, а) э. д. с. ег направлена от точки а к точке б, а э. д. с. е2 - от точки в к точке г. В контуре обе э. д. с. направлены по часовой стрелке и создают ток !, направленный от коллекторной пластины 1 через щетку А, приемник энергии г к щетке Б и коллекторной пластине 2. Следовательно, щетка А, от которой ток отводится во внешнюю цепь, имеет положительный потенциал, а щетка Б, через которую ток поступает обратно в генератор, - отрицательный. На рис. 137, б показано положение якоря для момента времени t2 второй половины оборота якоря, когда э. д. с. е имеет отрицательный знак. При этом ток 1 направлен от коллекторной пластины 2 через щетку А, приемник энергии г, к щетке Б и коллекторной пластине 1.

Полярность на щетках А, Б и направление тока 1 во внешней цепи не меняются за обе половины оборота якоря генератора. Щетка А все время имеет положительный потенциал, а щетка Б - отрицательный. Это объясняется тем, что вместе с витком вращается коллектор, касающийся неподвижных щеток. С щеткой Б всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. На рис. 137, в представлены графики выпрямленного напряжения и и тока I рассмотренного генератора. Большое изменение полученного тока (пульсация) не позволяет использовать его для работы многих приемников.

Для уменьшения пульсации выпрямленного тока увеличивают число витков обмотки якоря и число пластин коллектора. На кольцевой якорь (рис. 138, а) спиралью наложена обмотка, состоящая из шести витков. Ее соединяют с коллектором, имеющим шесть коллекторных пластин. Первый виток обмотки якоря содержит проводники 1-1', второй - 2-2', а последний - шестой - 6-6'. Проводник 6' последнего витка соединяется с проводником 1 первого витка, поэтому обмотка якоря замкнута. Проводники витков 1, 2, 3, ..., 6, рас-

Рис. 137. Простейший генератор постоянного тока и временные диаграммы его работы

т

положенные на внешней цилиндрической поверхности кольцевого якоря, пронизываются магнитным потоком Ф генератора. Они являются активной частью витков. При вращении якоря в них возникают э. д. с. <?! - ев. Направление э. д. с. и тока в якоре найдено по правилу правой руки. Проводники обмотки якоря Ґ, 2', 3', .... 6', расположенные на внутренней полости сердечника якоря, не пронизываются магнитным потоком полюсов. Поэтому в них, как и в боковых частях витков, э. д. с. не возникают.

Из развернутой схемы рассматриваемой обмотки якоря (рис. 138, б) видно, что обмотка якоря между щетками А и Б разбивается на две параллельные ветви по три витка в каждой. Результирующая э. д. с. между щетками равна сумме э. д. с., возникающих в витках одной параллельной ветви, т. е. е ех + е2 + еа.

На рис. 138, в представлены кривые э. д. с. еи ег и е3, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 60°, и кривая результирующей э. д. с. е с уменьшенной пульсацией. При достаточно большом числе витков з. д. с. между щетками генератора и соответственно ток, проходящий по внешнему участку цепи, будут практически постоянными. Если в коллекторе имеется 40 пластин, то колебание полученного напряжения от его среднего значения 0,16%. Машина постоянного тока может работать не только в режиме генератора, но и в режиме электродвигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую.

Устройство машины постоянного тока. Она состоит из статора, якоря, двух подшипниковых щитов и щеточного устройства (рис. 139).

Статор (рис. 140), являясь механическим остовом машины, создает основное магнитное поле. Он состоит из станины 1 с ярмом 2, на котором укрепляют основные 5 и добавочные полюсы. Основной полюс состоит из сердечника 3, изготовленного из листовой электротехнической стали, и катушки 4, выполненной медным изолированным проводом. Катушки всех основных полюсов соединены друг с другом последовательно и образуют одну обмотку возбуждения. Ток обмотки

Рис. 138. Кольцевой якорь генератора постоянного тока п кривые, построенные для д. с. обмотки кольцевого якоря

возбуждения 1в намагничивает сердечники полюсов, возбуждает в машине основной магнитный поток Ф, который проходит по сердечникам основных полюсов, якорю, через воздушные зазоры и ярмо статора.

Для снижения сопротивления магнитной цепи станину машины делают из литой стали, а сердечники полюсов и якоря - из листовой электротехнической стали, имеющих высокую магнитную проницаемость. Отдельные листы изолируют друг от друга тонким слоем лака или окиси, образующейся на поверхности стали при ее термической обработке. Благодаря такому устройству уменьшаются вихревые токи, возникающие в сердечниках при работе машины. Со стороны, обращенной к якорю, сердечники основных полюсов имеют полюсные наконечники. За счет большего поперечного сечения они обеспечивают нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре, уменьшают полное сопротивление магнитной цепи.

Дополнительные полюсы устанавливают по линиям раздела основных (главных) полюсов и состоят они из сердечника 5 и катушки 6. Сердечники дополнительных полюсов значительно уже основных. Их изготовляют из сплошной или листовой электротехнической стали. Последовательно соединенные

Рис. 140. Статор машины постоянного тока
Рис. 141. Якорь машины постоянного тока

катушки, закрепленные на полюсах, образуют обмотку дополнительных полюсов. За счет дополнительных полюсов ослабляется воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле машины (ослабление реакции якоря) и уменьшается искрение под щетками.

Якорь машины постоянного тока (рис. 141) состоит из сердечника 1. с обмоткой 5 и коллектора 6, которые крепят на общем стальном валу 3.

Для охлаждения якоря на валу машины устанавливают вентилятор 4. У барабанных якорей обмотки расположены только на внешней поверхности сердечника. При такой конструкции каждый виток обмотки якоря имеет две активные стороны вместо одной в кольцевом якоре.

Сердечник барабанного якоря является участком магнитной цепи. Его выполняют из штампованных листов электротехнической стали 7. Отдельные листы собирают на направляющей шпонке вала и спрессовывают с помощью нажимных шайб. На поверхности такого сердечника образуются пазы, в которых размещают обмотку из медного изолированного провода. Для крепления обмотки якоря применяют деревянные или текстолитовые клинья или бандажи из стальных проволок 2. Обмотку якоря электрически соединяют с коллектором 6.

Коллектор служит для выпрямления переменной э. д. с. обмотки якоря. В машинах постоянного тока небольшой мощности применяют коллектор на пластмассе (рис. 142). Он состоит из коллекторных пластин 2 и микани-товых изоляционных прокладок, которые скрепляются пластмассой 3, запрессованной между ними и центральной стальной цилиндрической втулкой 5. Для увеличения механической прочности коллектора пластмассу армируют стальными кольцами 4, которые опираются на выступающие части микани-товых изоляционных прокладок 1.

Щеточное устройство соединяет якорь машины с внешней цепью. Оно состоит из щеточной траверсы, нескольких щеткодержателей и щеток. Щеточную траверсу крепят к

одному из подшипниковых щитов.

На траверсе устанавливают щеточные пальцы, изолированные друг от друга и корпуса машины. На каждом пальце хомутиком 2 (рис. 143) крепят щеткодержатель.

Щетка 3 прижимается к коллектору пружиной 1. Применяют угольные, графитовые и медно-графитовые или бронзографитовые щетки, имеющие различное сечение в зависимости от тока. Все щеткодержатели одного знака соединяют между собой сборными шинами, а последние подсоединяют к коробке выводов.

Зажимы обмоток обозначают: Д1 и Я2 - обмотка якоря; Ш1 и Щ2 - параллельная (шунтовая) обмотка возбуждения; С1 и С2 - последовательная (сериесная) обмотка возбуждения; Д1 и Д2 - обмотка добавочных полюсов.

Обмотки якоря. Существует несколько типов обмоток якоря машин постоянного тока. Основными из них являются петлевая (параллельная) и волновая (последовательная). Любая обмотка состоит из секций, уложенных в пазах якоря по определенному правилу.

Секцией называют часть обмотки якоря, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой при обходе обмотки. Секция может состоять из нескольких витков (рис. 144, а).

Все стороны секции обмотки барабанного якоря размещаются на его внешней поверхности (рис. 144, б), пронизываемой магнитным потоком полюсов. На заводе секции необходимой формы изготовляют по специальным шаблонам, изолируют их и укладывают готовыми в пазы якоря машины. Важно правильно выбрать ширину секции Каждый виток секции следует конструировать так, чтобы э. д. с., индуцируемые в его активных сторонах, всегда действовали согласо-

Рис. 143. Щеткодержатель с щеткой

Рнс. 144. Трехвитковая секция обмотки якоря (а) и расположение сторон секций обмотки барабанного якоря (б)

ванно, т. е. складывались. Это увеличивает результирующую э. д. с. каждой секции и всей обмотки якоря. Для выполнения этого условия ширина секции должна быть равна полюсному делению т, т. е. расстоянию (по окружности якоря) между серединами соседних главных полюсов (рис. 145, а). Активная сторона аб этой секции находится иод серединой полюса N, а активная сторона вг под серединой полюса ? По правилу правой руки определим направление э. д. с. с, и е.1, действующих в контуре витка согласованно. При движении рассматриваемой секции э. д. с. е, и е2 одновременно уменьшаются и становятся равными нулю, когда стороны аб и вг попадают на нейтральную плоскость, а затем изменяют направление, когда сторона аб попадает в зону южного полюса, а сторона вг - в зону северного.

Любые обмотки якоря выполняют так, чтобы секции с одинаково направленными э. д. с. соединялись последовательно. Начальные стороны таких секций должны быть расположены под полюсами одной полярности В петлевой обмотке (рис. 145, б) начальные стороны последовательно соединенных секций находятся под одним полюсом, а в волновой обмотке (рис 145, в) - под разными полюсами, но той же полярности.

Различают следующие шаги обмотки, определяющие порядок расположения и соединения ее секций:

I/, - первичный шаг - расстояние между начальной и конечной сторонами секции;

- вторичный шаг - расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции.

у - результирующий шаг - расстояние между начальными сторонами секций, следующих друг за другом;

ук шаг по коллектору, равный числу изоляционных прокладок междч коллекторными пластинами, к которым присоединена секция.

В петлевой обмотке первичный шаг делается в одну сторону, а вторичный в другую; результирующий шаг у ул у*

В волновой обмотке первичный и вторичный шаги направлены в одну сторону, а результирующий шаг у = уг + ?/2- Шаг п0 кОЛ' лектору в обоих обмотках ук - у.

Обмотки якоря между разноименными щетками машины разбивают на параллельные ветви. В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу полюсов, поэтому ее называют параллельной. Независимо от числа полюсов волновая обмотка содержит только две параллельные ветви. При этом возрастает число секций, соединенных в каждой ветви последовательно. Поэтому волновую обмотку называют последовательной.

Э. д. с. машины постоянного тока

Е = СФп,

где С - постоянный коэффициент для данной машины;

Ф - магнитный поток полюсов;

п - частота вращения вала первичного двигателя.

В замкнутом контуре обмотки якоря э. д. с. одной параллельной ветви уравновешиваются э. д. с. другой параллельной ветви. Следовательно, при отключенной нагрузке по обмотке якоря ток не проходит. При подключении нагрузки ток во внешней цепи равен сумме токов отдельных ветвей, а напряжение на зажимах машины - напряжению одной параллельной ветви.

Защита кабелей от коррозии | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Реакция якоря и коммутация тока