ПОСТОЯ́ННОГО ТО́КА МАШИ́НА
-
Рубрика: Технологии и техника
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПОСТОЯ́ННОГО ТО́КА МАШИ́НА, электрическая машина, преобразующая механич. энергию вращения в электрич. энергию постоянного тока (генератор) или электрич. энергию постоянного тока в механич. энергию вращения (двигатель). П. т. м. обратима, т. е. одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. П. т. м. бывают коллекторными (обмотка ротора соединена с коллектором; наиболее распространены) и бесколлекторными (униполярными); в генераторном режиме коллектор играет роль выпрямителя тока, в двигательном – преобразователя частоты.
Активными частями П. т. м. являются магнитные сердечники, обмотки статора и ротора (якоря) и коллектор. Магнитный сердечник статора состоит из стальной станины, шихтованных (набранных из стальных пластин) главных и массивных дополнит. полюсов, на которых расположены соответственно обмотка возбуждения и обмотка, соединённая последовательно с обмоткой якоря. Магнитопровод (сердечник) якоря также шихтованный; в его пазах расположена рабочая обмотка. Обмотка возбуждения создаёт осн. магнитное поле. При подключении обмотки якоря к внешней цепи по ней проходит ток, создающий магнитное поле якоря. Результирующий магнитный поток в зазоре между статором и ротором благодаря влиянию магнитного поля якоря меньше, чем при холостом ходе (когда внешняя цепь отключена). Размагничивающее действие магнитного поля якоря обусловлено насыщением и увеличением магнитного сопротивления полюсных наконечников. В зависимости от способа включения обмотки возбуждения по отношению к якорю различают П. т. м. с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением осн. магнитного поля.
При работе П. т. м. в процессе коммутации тока могут возникать искрения под щётками коллектора. При прохождении секции обмотки якоря из зоны одной полярности (напр., N) в зону др. полярности (S) направление тока в ней меняется на обратное. Как следствие, в секции, замкнутой накоротко щёткой, индуцируется т. н. реактивная эдс; кроме того, возникает эдс вращения, обусловленная перемещением секции в поле якоря. Эти эдс вызывают замедление изменения тока, увеличение плотности тока под сбегающим краем щётки и искрение под щётками. Для компенсации реактивной эдс в коммутируемой секции применяют дополнит. полюса, изменяющие направление поля якоря в зоне коммутации. Наличие коллектора ограничивает мощность П. т. м. до нескольких МВт и напряжение до 1,5 кВ.
Действие генератора постоянного тока (ГПТ) основано на явлении электромагнитной индукции. При вращении якоря в постоянном магнитном поле в его обмотке возникает переменная эдс (с частотой pΩ/2π, где p – число пар полюсов магнитной системы, Ω – угловая скорость), которая преобразуется в постоянное напряжение с помощью коллектора. Для подключения внешней цепи служат угольные или графитные щётки, соприкасающиеся с пластинами коллектора. Осн. требование, предъявляемое к ГПТ,– постоянство напряжения на его зажимах при изменении нагрузки. Зависимость между напряжением на зажимах генератора и током нагрузки U=f(I) называется внешней характеристикой и определяется системой возбуждения ГПТ. Уменьшение напряжения при росте нагрузки П. т. м. возникает из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия поля якоря, обусловленного насыщением магнитопровода. Оптимальной является система смешанного возбуждения, при которой можно получить одинаковое напряжение и при холостом ходе, и при номинальной нагрузке. К нач. 2010-х гг. реализована мощность ГПТ 9500 кВт при частоте вращения 375 об/мин.
Работа П. т. м. в режиме электродвигателя (ЭПТ) основана на взаимодействии тока в обмотке якоря с осн. магнитным полем (см. Ампера закон), что приводит к появлению вращающего момента. Достоинства ЭПТ: возможность плавного и в широких пределах изменения частоты вращения, простота регулирования и невысокая стоимость. Осн. характеристики ЭПТ – зависимость частоты вращения от вращающего момента ω=f(M), называемая скоростной (или электромеханической) характеристикой, и зависимость вращающего момента от тока якоря (моментная характеристика); вид характеристик определяется системой возбуждения двигателя. При независимом и параллельном возбуждении частота вращения изменяется незначительно, зависимость ω=f(M) имеет слабо выраженный падающий характер. Для того чтобы частота вращения при изменении момента вращения изменялась в широких пределах, применяют последоват. возбуждение; в этом случае зависимость ω=f(M) имеет явно выраженный падающий характер. Для поддержания устойчивого режима работы, обеспечиваемого падающим характером кривой ω=f(M), используют смешанное возбуждение, при котором осн. магнитный поток создаётся параллельной обмоткой возбуждения, а последоват. обмотка является стабилизирующей.
П. т. м. применяются в преобразоват. установках по схеме двигатель – генератор, когда по условиям произ-ва необходим или предпочтителен постоянный ток, в качестве первичных источников энергии в автономных установках (на транспорте, экскаваторах, судах и т. п.), как сварочные генераторы, в регулируемых электроприводах прокатных станов, вентиляц. установок аэродинамич. труб, грузоподъёмных механизмов (краны, подъёмники, лифты, канатные дороги), в системах автоматич. регулирования, в электроприборах бытового назначения (электроприводы с микродвигателями постоянного тока) и др.
Историческая справка
Первый двигатель постоянного тока, пригодный для практич. целей, построен Б. С. Якоби в 1838. Двигатель получал питание от гальванич. батарей и использовался для привода гребного вала лодки. Первый ГПТ создан также Якоби в 1842. Вначале в П. т. м. применялись постоянные магниты. Существенным шагом вперёд явилось использование электромагнитов. В 1859 А. Пачинотти изобрёл электродвигатель с кольцевым якорем, который был усовершенствован бельг. электротехником З. Т. Граммом в 1869. Начало широкого пром. применения П. т. м. относят к 1970-м гг., когда Ф. Хефнер-Альтенек заменил кольцевой якорь барабанным, упростив тем самым конструкцию машины и увеличив вдвое её мощность. Дальнейшие усовершенствования П. т. м. касались гл. обр. применения новых изоляционных и конструкционных материалов с улучшенными характеристиками, прогрессивной технологии, разработки точных методов расчёта и оптимизации габаритных размеров машин.