телефон: +7(4922)53-07-65 | электронная почта: info@el-dv.ru

10.1. Общие сведения

10.1.1. Особенности коллекторных машин постоянного тока

Коллекторные машины — это в основном машины постоянного тока. Они выпускаются мощностью от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Коллекторные машины переменного тока находят применение в качестве приводных двигателей лишь для узкого круга специальных механизмов небольшой мощности, например как приводы некоторых бытовых приборов, электрифицированного ручного инструмента, медицинского оборудования, т. е. в тех случаях, когда для питания двигателей используется однофазный и реже трехфазный переменный ток, а характеристики асинхронных машин не удовлетворяют требованиям приводного механизма.

Коллекторные машины постоянного тока используются как двигатели и как генераторы. В промышленности более распространены двигатели, что объясняется все возрастающим применением различных статических выпрямителей, обеспечивающих промышленные установки энергией постоянного тока.
Широкое распространение двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность, транспорт и т. п.).

10.1.2. Основные элементы конструкции машин постоянного тока

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 10.1) являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью маг-нитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1—2 мм Сердечники добавочных почюсов, как правило, массивные На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения (см, § 4 10); их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации

Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержате-лями.

Обмотки якорей (см § 4.7) двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, ксторые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин.

Коллекторы в большинстве машин общего назначения цилиндрические. Торцевые коллекторы применяют лишь в некоторых машинах малой мощности специального назначения. Во всех цилиндрических коллекторах пластины имеют клиновидную форму с углом наклона, при котором пластины, собранные в кольцо, плотно прилегают друг к другу боковыми поверхностями и зажимают миканитовую изоляцию (рис. 10.2). Наибольшее распространение получили коллекторы, в которых пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами (рис. 10 3) либо опрессовкой в пластмассу (рис. 10.4). В коллекторах с нажимными конусами пластины закрепляются передвижением переднего нажимного конуса по втулке коллектора. При этом создается давление на нижнюю часть ласточкина хвоста пластин и возникает арочный распор (см. рис. 10.2). Такие коллекторы называют арочными Пластины коллектора с расположенными между ними изоляционными прокладками образуют монолитное кольцо Нажимные конусы изолируют от пластин миканитовыми фигурными прокладками — манжетами, имеющими большую механическую прочность.

Коллекторы на пластмассе более просты в изготовлении, но в силу меньшей механической прочности и надежности не применяются в машинах большой мощности.

В некоторых быстроходных машинах, например в возбудителях турбогенераторов, из-за больших центробежных сил, действующих на пластины коллектора, прочность их крепления с помощью ласточкиных хвостов оказывается недостаточной и коллекторные пластины крепят на втулку с помощью внешних бандажных колец (рис. 10.5).

Щетки коллекторных машин устанавливают в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, причем на каждом щеточном пальце может быть установлено по нескольку щеткодержателей и щеток, соединенных между собой параллельно. Число щеток и их размеры определяются номинальным током машины. Число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины. Двигатели с волновой обмоткой на якоре при отсутствии места для установки полного комплекта щеточных пальцев допускают установку неполного числа щеточных пальцев, что используется в некоторых конструкциях тяговых двигателей. Щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе.

В последние годы получают распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых механический преобразователь тока — коллектор со щеточным аппаратом — заменен вентильным коммутатором. Вентильные двигатели имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения и не имеют недостатков, связанных с работой скользящих контактов коллектор-щетки, характерных для коллекторных машин постоянного тока.

10.1,3. Характеристики машин постоянного тока

Характеристики машин постоянного тока определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной (рис. 10.6,а —г).

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин

называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполнены со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство UK0M = Ux, * (где t/x-x — напряжение холостого хода).

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят примене ние в сварочных генераторах постоянного тока

В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнит ный поток и придающая устойчивость механической характеристике (рис 107, а).

Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением (рис. 10.7,6) имеют специфический «падающий» характер. Двигатели с последовательным возбуждением используются в приводах, требующих больших пусковых моментов и устойчивой работы при -малых частотах вращения.

Регулирование частоты вращения машин постоянного тока.

В общем случае частота вращения дви­гателей постоянного тока определяется вы­ражением

n = (U -1аа)/(СЕФ),

где U — напряжение, подводимое к якорю двигателя; 1а — ток якоря; — сумма со­противлений якоря и всех последовательно

включенных обмоток; СЕ — коэффициент, за­висящий от обмоточных данных двигателя, Ф — магнитный поток машины.

Из приведенного выражения следует, что частота вращения двигателя при неиз­менной нагрузке может быть изменена ре­гулированием питающего напряжения Uвключением последовательно с якорем до­полнительного регулировочного резистора (изменение У Ra) и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбужде­ния), В практике применяются все три спо­соба регулирования.

Регулирование частоты вращения изме­нением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью пре­образования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоян­ного тока, допускающего плавное регулиро­вание напряжения (система генератор —дви­гатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требую­щих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.

Регулирование частоты вращения пото­ком является наиболее экономичным спо­собом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели по­следовательно с обмоткой возбуждения, не­велики из-за малого тока возбуждения.

Однако этот способ позволяет лишь увели­чивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ ре­гулирования предусмотрен для всех се­рийных двигателей постоянного тока.

Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регули­ровать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, напри­мер, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.

В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, по­зволяющие осуществить регулирование ча­стоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенера- торы, размещенные на валу якоря двигателя (см. рис. 10.1).

10.1.4.   Коммутация машин постоянного тока

Коммутация машин постоянного тока, т. е. изменение направления тока в секциях обмотки якоря при переходе секций от од­ного полюсного деления к другому, проис­ходит при кратковременном замыкании их щетками на пластинах коллектора. При ком­мутации в короткозамкнутых секциях возни­кают реактивная ЭДС и ЭДС вращения, на водимая потоком реакции якоря, магнитные силовые линии которого пронизывают замкнутые при коммутации секции. При движении коллектора в момент отхода пластины коллектора от замыкающей данную секцию щетки происходит разрыв цепи (замкнутой секции), имеющей индуктивное сопротивление, и возникает искрение между сбегающим краем щетки и коллекторной пластиной. При неудовлетворительной коммутации искрение может быть значительным и может привести к местному повреждению коллектора, что в свою очередь ухудшает переходный контакт щетка —коллектор и усиливает искрение. Качество коммутации машины постоян иого тока оценивается по интенсивности искрения на коллекторе (табл. 10.1).

Таблица 10.1, Оценка степени искрения под сбргающим краем щеток по ГОСТ 183-74

Степеньискрения Характеристика степени искрения Состояние коллектора и щеток
1 Отсутствие искрения Отсутствие почернения на коллекторе и следов нагара на щетках
il4 Слабое искрение под небольшой частью края щетки
|i2 Слабое искрение под большей частью края щетки Появление следов почернения на кол- [ лекторе и следов нагара на щетках, легко устраняемых протиранием по­! верхности коллектора бензином
2 Искрение под всем краем щетки. До­пускается только при кратковремен­ных толчках нагрузки и перегрузки Появление следов почернения на коллек­торе и следов нагара на щетках, не устраняемых протиранием поверх­ности коллектора бензином
3 Значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных и выле­тающих искр.Допускается только при прямом вклю­чении или реверсировании машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверх­ности коллектора бензином, а так­же подгар и частичное разрушение щеток

Для улучшения коммутации во всех машинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, устанавливают добавочные полюсы, МДС которых компенсирует МДС реакции якоря по поперечной оси машины, т. е. в зоне расположения коммутируемых секций Кроме того, поток, создаваемый обмоткой добавочных полюсов, наводит в замкнутых при коммутации секциях ЭДС, несколько превышающую реак тивную ЭДС секций и направленную ей навстречу. Коммутация машины при этих условиях становится прямолинейной или даже ускоренной. Напряжение под сбегающим краем щеток уменьшается до весьма малых значений и искрение под щетками становится не опасным для работы машины

В крупных машинах постоянного тока кроме добавочных полюсов в пазах на наконечниках главных полюсов располагают компенсационную обмотку (см. § 4.8). Компенсационная обмотка предназначена для компенсации воздействия реакции якоря на поток возбуждения по продольной оси. Уменьшение влияния реакции якоря позволяет выполнять машины с уменьшенным воздушным зазором и улучшить их коммутацию.

ВНИМАНИЕ! Антикризисное предложение на новые электродвигатели!

Нашли двигатель дешевле? Сообщите нам и мы снизим цену!

Вернуться на предыдущую страницу