Машины постоянного тока

Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока

Электрические машины по типу питания делятся на машины переменного и постоянного тока. Машины постоянного тока подключаются к сети постоянного тока. В автономных системах машина постоянного тока является источником постоянного тока в генераторном режиме, а в режиме двигателя потребляет энергию от источника постоянного тока.

Из модели обобщенной электрической машины (см. рис. 1.25) машину постоянного тока можно получить, если якорь с двухфазной обмоткой подключить через преобразователь частоты, а обмотку возбуждения — непосредственно к сети постоянного тока (см. рис. 1.28). Как и во всех электрических машинах, в машинах постоянного тока поле якоря и поле статора (поле возбуждения) неподвижны относительно друг друга.

В машинах постоянного тока преобразование постоянного тока в многофазный переменный ток осуществляется механическим преобразователем частоты — коллектором. Собственно к машинам постоянного тока и относятся коллекторные машины постоянного тока. Машины, в которых преобразование частоты осуществляется полупроводниковыми преобразователями, называют вентильными машинами или машинами с полупроводниковыми коммутаторами; они имеют и еще ряд названий.

Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока начнем рассматривать со схемы машины с тороидальной граммовской обмоткой (рис. 5.1). В этой машине каждый виток обмотки якоря присоединен к коллекторной пластине. Коллекторные пластины осуществляют последовательное соединение витков обмотки якоря.

В машине постоянного тока число секций обмотки якоря равно числу коллекторных пластин. Секция состоит из одного или нескольких витков, соединенных последовательно.

Рис. 5.1. Машина постоянного тока с тороидальной обмоткой якоря.

Коллекторные пластины изолированы друг от друга и образуют цилиндр, по которому при вращении машины скользят щетки. К неподвижным щеткам подводится постоянное напряжение. Щетки и цилиндр из коллекторных пластин образуют коллекторно-щеточный узел. Секции обмотки выводятся на коллекторные пластины для обеспечения надежной работы машины. Принципиально щетки могут скользить непосредственно по проводникам обмотки. Без цилиндра, состоящего из коллекторных пластин, изолированных друг от друга, и были выполнены первые машины в конце XIX в. Обычно, когда говорят о коллекторе, имеют в виду также узлы, обеспечивающие необходимые для удовлетворительной коммутации механические и электрические свойства.

Число щеток на коллекторе равно числу полюсов машины. Как нельзя сделать машину только с северным или южным полюсом, так нельзя иметь одну положительную или отрицательную щетку.

Ток в обмотке якоря машины делится на две параллельные ветви, число параллельных ветвей обмотки а равно числу пар полюсов р. Число параллельных ветвей обмотки 2а = 2р (см. рис. 1.57).

При вращении якоря машины секции (витки) обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом в них изменяется направление тока. Процесс перехода секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. При коммутации изменяется ток в коммутируемых секциях, а ток в параллельных ветвях и поле якоря, создаваемое токами якоря, практически не изменяются. Амплитуда пульсаций тока в параллельных ветвях зависит от числа секций обмотки якоря, включенных последовательно и составляющих параллельные ветви обмотки якоря, и числа секций, находящихся в коммутации.

Рис. 5.2. Машина постоянного тока с полупроводниковым коммутатором.

Эквивалентной схемой с полyi фоводниковым коммутатором, заменяющей принципиальную схему машины постоянного тока (см. рис. 5.1), является схема машины, показанная на рис. 5.2. В этой схеме секции обмотки якоря присоединены к преобразователю частоты ПЧ, преобразующему постоянный ток в многофазный переменный.

Обращаясь к рис. 5.2, можно считать, что число фаз т в машине постоянного тока равно числу секций обмотки якоря. Как очевидно из схемы, приведенной на рис. 5.2, секции обмотки машины постоянного тока образуют фазу. Фаза — это угол между напряжениями в многофазной системе напряжений или угол между соседними секциями. Максимальное число векторов напряжений в обмотке якоря машины постоянного тока определяется числом секций обмотки или числом коллекторных пластин (см. рис. 5.1).

Как и в машинах переменного тока, частота тока в секциях обмотки якоря определяется числом пар полюсов и час;

" г рп

тотои вращения / =.

Если в многофазной машине переменного тока ток в фазе, как правило, изменяется по синусоидальному закону, то в машине постоянного тока изменение тока и напряжения в секции (фазе) близко к прямоугольному (рис. 5.3). Время миллии микросекунды, а один.

Рис. 53. Изменение тока и напряжения в секции обмотки якоря.

коммутации Т_к составляет оборот якорь совершает за доли секунды, поэтому частота напряжения в секциях составляет десятки или сотни герц. Трапецеидальную кривую напряжения в фазе машины постоянного тока можно разложить в гармонический ряд и выделить 1-ю гармонику.

Переменные токи в многофазной обмотке якоря создают вращающееся поле, которое неподвижно относительно обмотки возбуждения, так как частота вращения поля якоря относительно якоря равна частоте вращения якоря (со_с = со_р). Многофазная обмотка якоря машины постоянного тока может быть приведена к двухфазной.

Как правило, щетки в машинах постоянного тока устанавливаются на геометрической нейтрали — линии, перпендикулярной оси полюсов (см. рис. 5.1), поэтому поле якоря перпендикулярно силовым линиям поля возбуждения. В первом приближении можно считать, что в ненасыщенных машинах постоянного тока при нагрузке имеет место продольно-поперечное намагничивание и поле якоря не влияет на поле возбуждения, т. е. поле в машине постоянного тока при нагрузке искажается, а поток остается таким же, как и при холостом ходе, когда ток в якоре равен нулю. Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока ближе всего к процессам преобразования энергии в синхронных машинах при чисто активной нагрузке.

Как и все электрические машины, машины постоянного тока обратимы, т. е. они могут работать в генераторном и двигательном режимах.

Двигатели постоянного тока обеспечивают большие пределы регулирования частоты вращения при высоких энергетических показателях и механических характеристиках, удовлетворяющих требованиям большинства механизмов. Двигатели постоянного тока используются на транспорте (электровозы, тепловозы, трамвай, троллейбус, мотор-колеса), в стайках, прокатных станах, кранах, судовых установках и др. Двигатели постоянного тока широко применяются также в авиации, автомобилях, тракторах и космической технике. Они могут получать питание от аккумуляторных батарей и солнечных элементов. Многие автономные энергетические системы — системы постоянного тока, и двигатели постоянного тока в них находят все большее применение.

Генераторы постоянного тока применяются для питания электролизных и гальванических установок и питания обмоток возбуждения синхронных машин. Во многих автономных установках генераторы постоянного тока вырабатывают большую часть мощности, необходимую для обеспечения электродвижения судов, тепловозов и других передвижных установок. Широко распространены генераторы со специальными характеристиками, необходимыми для сварки, освещения поездов, привода экскаваторов, получения мощных импульсов и других применений. Постоянное напряжение можно получить, используя синхронный генератор, работающий на выпрямители. Такие системы не имеют коллектора и широко применяются в автономных энергосистемах.

Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта в виде щеток и коллектора. Механический преобразователь частоты — коллектор встроен в машину и составляет с ней единое целое. Наличие вс троенного преобразователя частоты и определяет несколько более высокую стоимость машины постоянного тока по сравнению со стоимостью асинхронных и синхронных машин.

Несмотря па усилия больших коллективов, направленные на создание преобразователей частоты на полупроводниковых приборах, электроприводы с такими преобразователями и асинхронными или синхронными двигателями в 1,5—2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. В истории электромашиностроения было несколько периодов, когда считали, что машины постоянного тока должны будут уступить свое место машинам переменного тока. Однако этого не произошло — выпуск машин постоянного тока неизменно увеличивается и они находят все новые области применения. Машины постоянного тока в будущем будут применяться, и изучение теории и практики их применения имеет важное значение.