Электромеханика

Имеем

(5)

В машинах постоянного  тока для выпрямления э.д.с. применяется  коллектор,

представляющий  собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный

ток якорной  обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь.

Коллектор состоит  из соединенных с витками обмотки  якоря изолированных между

собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно

соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из

щеток всегда является положительной, другая — отрицательной. 

   

Рис.  5.  Выпрямление  э.д.с. при помощи коллектора:

     1—  медные пластины;  2 — виток   обмотки  якоря;

3 — щетки; 4 —  внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор  имеет две изолированные между  собой медные пластины,

выполненные в  форме полуколец (рис. 5), к которым  присоединены концы витка

якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются  с неподвижными контактными

щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины

коллектора вращаются  вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются

таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный,

коллекторная  пластина перемещалась от щетки одной  полярности к щетке другой

полярности. В  результате этого на щетках возникает  пульсирующее напряжение,

постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3,

в).

Рис. 6. Устройство коллектора:

     1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 —

нажимное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 —

«петушок» —  часть коллекторной пластины, к которой  припаивается конец секции

обмотки; 6 —  «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины,

служащая для  ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка  состоит из большого числа секций, представляющих собой один

или несколько  последовательно соединенных витков. Конец каждой секции

присоединяется  к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих

коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация

напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница

между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему

значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного

ухода. Его повреждения  нередко служат причиной серьезных  аварий.

Предпринимались многочисленные попытки создать  бесколлекторную машину

постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в

многовитковой якорной обмотке, активные стороны  которой последовательно

проходят под  полюсами  разной  полярности,  в  любом случае  наводится

переменная э.д.с., для  выпрямления  которой  необходимо особое устройство.

  Рис. 7. Пульсация  напряжения на щетках   генератора  постоянного тока:

     а  — при двух витках  на полюс;  б — при большом количестве  витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические  машины, у которых

преобразование  энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки

относительно  неподвижного потока полюсов, а выпрямление  тока в постоянный

осуществляется  коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с

якорем).

Вначале создавались  машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной

степени были вытеснены  машинами переменного тока. Благодаря  возможности

плавного и  экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного

тока сохраняют  свое доминирующее значение на транспорте, для привода

металлургических  станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В

системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве

исполнительных  двигателей, двигателей для привода  лентопротяжных

самозаписывающих  механизмов, в качестве тахогенераторов  и электромашинных

усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным  образом для

питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки  аккумуляторных

батарей, сварки и электрохимических низковольтных  установок.

   

   Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

 

Естественные  скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более  подробно характеристики двигателя  параллельного возбуждения,

которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и  механическая характеристики двигателя определяются равенствами (6)

и (7) при U = const и iB = const. При

отсутствии дополнительного  сопротивления в цепи якоря эти  характеристики

называются естественными. 

             (6) 

            (7)

Если щетки  находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Ia

поток Фδ несколько уменьшится вследствие действия

поперечной реакции  якоря. В результате этого скорость n,

согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С  другой стороны, падение

напряжения RaIa вызывает уменьшение

скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики,

изображенные  на рис 8; 1 — при преобладании влияния  R

aIa; 2 — при  взаимной компенсации

влияния RaIa и уменьшения; 3

— при преобладании влияния уменьшения Фδ.

Ввиду того что  изменение Фδ относительно мало,

механические  характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения,

определяемые  равенством (7), при U= const и iB==

const совпадают по виду с характеристиками n= f(Ia)

(рис. 8). По этой  же причине эти характеристики  практически прямолинейны.

Характеристики  вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы.

Поэтому двигатели  параллельного возбуждения изготовляются  со слегка падающими

характеристиками  вида 1 (рис. 8). В современных высоко

использованных  машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние

поперечной реакции  якоря может быть настолько большим, что получить

характеристику  вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для  получения

такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку

возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с.

параллельной  обмотки возбуждения. При этом уменьшение Фδ

под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется.

Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а

двигатель с  такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного

возбуждения.

Изменение скорости вращения

Δn (рис. 8) при переходе от холостого хода (Ia

=Ia0) к номинальной нагрузке (Ia

=Iaн) у двигателя параллельного возбуждения при

работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% от nн

. Такие слабо  падающие характеристики называются  жесткими. Двигатели

параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках,

в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась

приблизительно  постоянной (металлорежущие станки и  пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и  механических характеристик  двигателя

параллельного возбуждения

    

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока

производится  обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rp

в (см. рис. 11). При  отсутствии добавочного сопротивления  в цепи якоря

(Rpa= 0) и U = const характеристики n =f(I

a) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных

значений Rр.в. ,IB или Фδ 

имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(Ia)

сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе

Ia, который равен 

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс  в разных точках.

Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку. Значения

n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения

рассматриваемых характеристик с кривой Мст=f(п) для

рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

Точка холостого  хода двигателя (М = М0, Ia

= Ia0) лежит несколько правее оси ординат на рис.

9. С увеличением  скорости вращения n вследствие увеличения

механических  потерь М0 и I00

также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента

вращения начать увеличивать скорость вращения n, то Е

а=ceФδт  будет  увеличиваться, а 

Iа и М будут, согласно равенствам

            и 

уменьшаться. При Iа = 0 и М. =0

механические  и магнитные потери двигателя  покрываются за счет подводимой к валу

механической  мощности, а при дальнейшем увеличении скорости Iа и 

М изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы

(участки характеристик  на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование

скорости ослаблением  поля в пределах 1 : 2. Изготовляются  также двигатели с

регулированием  скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но

в этом случае для  ограничения максимального напряжения между коллекторными

пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по

отдельным группам  полюсов или применить компенсационную  обмотку. Стоимость

двигателя при  этом увеличивается.

Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя  параллельного

возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и