Машини постійного струму
Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун.
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.
Колектор – це пристрій, який конструктивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти.
Колектор призначений для випрямлення змінного струму якоря для зовнішнього кола у генераторів; у двигунів – для зміни напрямку струму в провідниках обмотки якоря при його обертанні.
Статор машини постійного струму складається зі станини і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об’єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і катушки. Розрізняють основні й додаткові полюси. Ротор (якір) (дивись малюнок) складається з осердя й обмотки.
У генераторі постійного струму відбувається перетворення механічної енергії, що підводиться від первинного двигуна, на електричну, яка знімається з обмотки якоря за допомогою колектора й щіток. До щіток генератора приєднуються споживачі електричної енергії.
Генератори постійного струму
Генератор постійного струму — електрична машина постійного струму (генератор), що перетворює механічну енергію на електричну. Дія генератора постійного струму ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: збудженні змінної електрорушійної сили в обмотці ротора (якоря), при його обертанні в основному магнітному полі, створюваному обмоткою збудження на полюсах. Обмотка ротора з’єднана з колектором (механічним перетворювачем змінної ЕРС на постійну напругу), по пластинах якого ковзають контактні щітки, підключаючи обмотку до зовнішнього електричного кола. Розрізняють генератори постійного струму з незалежним збудженням (від стороннього джерела струму) і з залежним збудженням (самозбудженням), зумовленим залишковим магнетизмом у станині й полюсах. Потужність генераторів постійного струму — від кількох ват до десятків тисяч кіловат, напруга — від одиниць до сотень і тисяч вольт. ККД їх при повному навантаженні — від 0,7 (малопотужні генератори) до 0,96 — генератори великої потужності. Генератори постійного струму застосовують для живлення постійного струму електродвигунів, у зварювальних пристроях, електричних установках літаків, тепловозів, автомобілів, у пристроях автоматики (мікрогенератори постійного струму), для електролізу тощо.
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.)
Ø Будова машини постійного струму:
1 — задній підшипниковий щит; 2 — затискачі; 3 — станина; 4 — головний полюс; 5 — обмотка головного полюса; 6 — вентилятор; 7 — обмотка якоря; 8 — осердя якоря; 9 — колектор; 10 — вал; 11 — траверса із щитковим механізмом; 12 — передній підшипниковий щит
Ø Якір машини постійного струму:
Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з’єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).
Ротор (якір) машини постійного струму складається з осердя й обмотки.
Ø Осердя якоря набирають з тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаковим покриттям, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя вкладають обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. Кожну пластину колектора з’єднують з одним або кількома витками обмотки якоря. Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор — це пристрій, який конструктивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем
частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмознімні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.
а — траверса; б — щіткотримач; 1 — щітковий палець; 2 — ізоляція кільця від траверси; З — стопорний болт; 4 — мідний провід; 5 — натискні пластини; 6 — місце розміщення пружини; 7 — обойма; 8 — щітка
Під час роботи машини щітки ковзають по колектору. Щіткотримачі кріплять до траверси.
Принцип роботи електричного двигуна заснований на виникненні електромагнітної сили, що діє на рамку зі струмом у магнітному полі
для виникнення електромагнітної сили
Якщо помістити в магнітне поле не прямолінійний провідник, а виток (або котушку) зі струмом і розташувати його вертикально, то, використовуючи правило лівої руки, можна визначити напрямок електромагнітної сили, що діє на кожну сторону витка. Під дією електромагнітної сили сторона ab рухається справа наліво, а сторона сd зліва – направо. Пара електромагнітних сил, що при цьому виникає, приведе до повороту витка, тобто утворюється обертовий момент.
Виток буде повертатися в магнітному полі доти, поки він не займе положення, перпендикулярне магнітним силовим лініям поля. При такому положенні через виток проходитиме найбільший магнітний потік. Властивість витка і котушки зі струмом повертатися в магнітному полі широко використовують в електротехніці. Електричні двигуни та ряд електровимірювальних приладів працюють за цим принципом.
Електричні двигуни випускаються промисловістю з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.
У двигунів з послідовним збудженням обертовий момент за навантаження зростає більше, ніж у двигунів з паралельним збудженням, при цьому частота обертання двигуна зменшується. Ця властивість визначає широке застосування ДПС у міському транспорті.
Однак не можна запускати двигун з послідовним збудженням без навантаження, оскільки частота обертання двигуна може перевищити допустиму, а це може призвести до аварії – двигун іде «в рознос».
Двигуни з паралельним збудженням забезпечують стійку частоту обертання за різного навантаження, і в них є можливість плавного регулювання цієї частоти обертання. Тому ДПС з паралельним збудженням застосовуються для електроприводу, що вимагає сталості частоти обертання за різного навантаження і плавного регулювання.
У ДПС зі змішаним збудженням на полюсі є дві обмотки збудження, одна з яких під’єднується послідовно до обмотки якоря, а друга – паралельно. ДПС зі змішаним збудженням мають найбільший пусковий момент і застосовуються там, де потрібні значні пускові моменти або можливі короткочасні перевантаження і великі прискорення – наприклад для пуску компресорів.