ПОСТОЯ́ННОГО ТО́КА МАШИ́НА

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.