Урок№9,10_13.02.2025

  Електротехніка                                           гр.19/24                              13.02.2025

Урок№9,10: Двигуни постійного струму. Реакція якоря. Комутація струму

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину виробник випускає з певним призначен­ням – працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, при­значені для роботи як генератором, так і двигуном.Генератори постійного струму застосовують тоді, коли по­трібно мати самостійне джерело струму, наприклад для жив­лення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, зварювальних установок, знаходять застосування в установках для зарядки акумуляторних батарей і агрегатах, що перетворюють змінний струм в постійний, необхідний для живлення електролізних установок і інших споживачів постійного струму; в синхронних машинах змінного струму для живлення обмотки живлення ротора; в електромашинних агрегатах, які використовуються в промисловості для широкого і плавного регулювання швидкості робочих машин, наприклад у тролей­бусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у при­строях автоматики.

 Двигуни постійного струму мають значні пе­реваги перед двигунами інших типів:

-допускають поступове регулювання швидкості обертання вала різними способами;

-створюють великий пусковий момент. У генераторах постійного струму є можливість плавно регулювати ЕРС у широких межах.

Основними частинами генератора постійного струму є: нерухома магнітна система, що створює основне магнітне поле машини; якір, що приводиться до обертання, і в обмотці якого індукується електрорушійна сила; колектор, за допомогою якого отримують постійну напругу на клемах генератора. Конструктивні елементи показані на наведеному рисунку.

 В основі роботи колекторних двигунів лежить фізичне явище - втягу­вання або виштовхування провідника з електричним струмом у магнітно­му полі. Щоб провідник зі струмом безперервно рухався між полюсами магніту, йому надають форми рамки, на обидва боки якої магніт діятиме одночасно, але в протилежних напрямах: один бік рамки втягуватиме, а другий - виштовхуватиме.

 

 

Через півоберта рамка зупинить­ся. А щоб вона і далі оберталась у тому самому напрямі, у цей момент треба змінити напрям струму в рам­ці, тобто поміняти місцями кінці проводів, що підводять струм від джерела.

 

 

Для автоматичної зміни напряму струму в рамці установлений спе­ціальний перемикач - колектор.

 

 

У даному разі він виготовлений із двох напівкруглих латунних плас­тин. До пластин притиснуті ковзні графітові контакти (щітки), через які до рамки надходить електрич­ний струм. У промислових колек­торних електродвигунах рамку із проводів намотують у пази, вирізані в залізному осерді. Залізо підсилює магнітне поле, яке діє на рамку. Ту частину двигуна, де намо­тані рамки, називають якорем, або ротором. Оскільки обмоток на яко­рі кілька, то й колектор складається з багатьох ізольованих одна від одної і від вала двигуна латунних плас­тин. Колектор жорстко закріплений на валу якоря. До колектора при­тискуються за допомогою пружин графітові щітки. Графіт для щіток і латунь для колектора вибрані тому, що під час обертання ротора ці матеріали мало стираються, а отже, і довший термін їх використання.

 Під час роботи двигуна рух якоря передається валу, а з нього - безпосе­редньо робочим органам споживача.

Охолодження електро­двигуна забезпечує вентилятор, крильчатка якого закріплена на валу.

 Зовнішній вигляд колекторного двигуна може бути різним. Наприклад ось таким.

 

 

3.   Догляд за електродвигунами

 

Електроприводи в процесі роботи потребують періодичного обслугову­вання: огляду і виявлення неполадок, з'ясування стану поверхонь меха­нічних частин і частин, що обертаються. У результаті тертя вони зношу­ються і утворюють дрібні частинки, які осідають на поверхнях деталей. Найчастіше виникає необхідність у змащуванні мастильними матеріала­ми підшипників та вала, очищенні колектора і колекторних щіток від бруду, перевірці якості кріплення струмопровідних елементів тощо.

 Можливі неполадки і методи їх усунення наведені в інструкції до приладу. Перед початком експлуатації приладу необхідно ознайомитися з цим докумен­том, з'ясувати умови його використання, правила безпечного користування.

 Крім інструкції, кожен прилад має власний паспорт. У ньому зазначені такі технічні характеристики, як значення робочої напруги, на яку розра­хований прилад, величина споживаної ним потужності, швидкість обер­тання вала двигуна, рік випуску, підприємство-виробник та інші дані. Зазначений паспорт кріпиться у вигляді таблички на корпусі приладу.

 Реакція якоря й комутація

При роботі машини без навантаження, у ній існує тільки основне магнітне поле – поле полюсів. При роботі ж машини під навантаженням, тобто коли по обмотці якоря проходить струм, у ній існують поле полюсів і поле якоря, створене струмом якоря. Накладаючи один на одного, ці поля утворять результуюче магнітне поле машини, що відрізняється від основного поля полюсів не тільки за величиною, але й за характером розподілу. Останнє пояснюється тим, що напрямки полів якоря й полів полюсів в одних місцях збігаються, від чого результуюче поле в цих місцях підсилюється, а в інших місцях не збігаються, унаслідок чого результуюче поле в цих місцях послабляється. Так, у генераторі поле підсилюється в країв полюсів, що збігають, і послабляється в країв, що набігають. В електродвигуні має місце зворотна картина: поле послабляється в країв полюсів, що збігають, і підсилюється у країв, що набігають.

Вплив поля якоря на основне поле машини називається реакцією якоря. Реакція якоря приводить до небажаних явищ, зокрема, погіршує комутацію в машинах, у генераторів змінює напругу, а в електродвигунів – момент і частоту обертання. Тому в машинах постійного струму передбачаються спеціальні міри для компенсації шкідливої дії реакції якоря.

Рис.  До пояснення реакції якоря в машині постійного струму

При відсутності струму в якорі і, отже, реакції якоря (рис.  а) фізична нейтраль ФН – лінія, перпендикулярна до осі результуючого магнітного потоку, – збігається, з геометричною нейтраллю XX' – лінією, перпендикулярною до осі полюсів, яка поділяє на якорі області північного й південного полюсів.

При дії реакції якоря фізична нейтраль зміщується (рис.  б) з геометричної нейтрали. У генераторів (Г) фізична нейтраль зміщується за напрямком обертання якоря, а в електродвигунів (Д) –проти напрямку обертання. У цьому випадку для нормальної роботи машини щітки треба зрушити в тім же напрямку на кут α, на який змістилася фізична нейтраль, чи небагато більший. При зсуві щіток із геометричної нейтралі потік якоря Ф₀ також зміститься і не буде перпендикулярний до осі полюсів.

Тому його можна розкласти на дві складові: поперечну Ф_а, орієнтовану перпендикулярно до осі полюсів, і подовжню Ф_аq, спрямовану по осі полюсів. Вплив поперечної складової потоку якоря на основний потік машини Ф₀ називається поперечною реакцією якоря, а вплив подовжньої складовий _ подовжньою реакцією якоря.

Для зменшення шкідливого впливу реакції якоря в більшості машин постійного струму замість зсуву щіток застосовують спеціальні пристрої – додаткові полюси (рис. ). Вони встановлюються між основними полюсами на нейтральній лінії й створюють додатковий магнітний потік Ф_д, спрямований назустріч потокові якоря Ф_а і тим самим послаблює дію останнього. Магнітне поле якоря змінюється зі зміною навантаження машини, тому для компенсації дії поля якоря обмотку додаткових полюсів вмикають послідовно з обмоткою якоря, для того щоб по ній проходив струм якоря.

Рис.  Розташування додаткових полюсів

Tому його можна розкласти на дві складові: поперечну Ф_а, орієнтовану перпендикулярно до осі полюсів, і подовжню Ф_аq, спрямовану по осі полюсів. Вплив поперечної складової потоку якоря на основний потік машини Ф₀ називається поперечною реакцією якоря, а вплив подовжньої складовий _ подовжньою реакцією якоря.

Для зменшення шкідливого впливу реакції якоря в більшості машин постійного струму замість зсуву щіток застосовують спеціальні пристрої – додаткові полюси (рис. ). Вони встановлюються між основними полюсами на нейтральній лінії й створюють додатковий магнітний потік Ф_д, спрямований назустріч потокові якоря Ф_а і тим самим послаблює дію останнього. Магнітне поле якоря змінюється зі зміною навантаження машини, тому для компенсації дії поля якоря обмотку додаткових полюсів вмикають послідовно з обмоткою якоря, для того щоб по ній проходив струм якоря.

Під комутацією розуміють процес переключення секцій обмотки якоря з однієї паралельної вітки на іншу, супроводжуваний замиканням секції накоротко й зміною сили й напрямку струму в ній. Переключення відбувається під час проходження секції через нейтральну лінію.

Фізична сутність комутаційного процесу полягає в тому, що в секції обмотки, що піддається комутації, якоря унаслідок швидкої зміни струму виникають ЕРС самоіндукції та взаємоіндукції , які утворюють реактивну ЕРС. Ці ЕРС перешкоджають швидкій зміні струму і тим самим погіршують комутацію, викликаючи в момент сходу щітки з пластини колектора іскру між краєм щітки, що збігає, і пластиною колектора. Крім того, на зміну струму у короткозамкненій секції обмотки якоря впливає перехідний опір між щіткою й пластиною колектора. Для зменшення шкідливої дії комутації треба збільшувати перехідний опір і компенсувати реактивну ЕРС. Найбільше ефективно компенсація досягається шляхом встановлення додаткових полюсів.

Крім комутаційних процесів причинами іскріння на колекторі можуть бути: а) механічні дефекти; б) нерівномірний розподіл напруги на колекторі, що може досягати великих значень, особливо при перемінному навантаженні.