Рис. 1. Вращение в магнитном поле рамки
Рассмотрим рис. 1. При вращении в магнитном поле рамки, концы которой присоединены к двум полукольцам, вращающимся вместе с рамкой, в последней возникает переменная электродвижущая сила. Как уже известно, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле.
Наибольшая э. д. с. возникает в тот момент, когда проводник находится на оси полюсов N и S. В момент расположения проводников в плоскости, перпендикулярной оси полюсов, э. д. с. равна нулю — проводники находятся на нейтральной линии.
Предположим, что рамка вращается по часовой стрелке. Тогда ток в проводнике, находящемся под северным полюсом, направлен от нас за плоскость чертежа, а в проводнике, находящемся под южным полюсом, к нам. Пока проводника расположен под северным полюсом, соединенное с проводником полукольцо имеет контакт с неподвижной щеткой А.
Соответственно проводник б имеет контакт через свое полукольцо со щеткой Б. По щетке А течет ток положительного направления, а по щетке Б — отрицательного.
Когда проводники находятся на нейтральной линии, т. е. э. д. с. в них равна нулю, щетки замыкают оба полукольца накоротко. Пройдя нейтральную линию, проводник а вступает в зону южного полюса, направление тока в нем изменится на обратное (к нам), но в это время данный проводник входит в контакт со щеткой Б. Следовательно, несмотря на то, что направление тока в проводнике изменилось, направление тока в щетке Б не меняется и по- прежнему остается отрицательным. Аналогичная картина происходит и с проводником б, после того как он перейдет в зону действия северного полюса.
Рис. 2. Четыре проводника в магнитном поле
Таким образом, по внешней цепи направление тока сохраняется постоянным.
В рассмотренном случае при сохранении постоянства направления ток будет изменяться от наибольшего значения до нуля, иначе говоря, будет пульсирующим.
Если в магнитном поле расположить не два проводника, а четыре, соединенные с четырьмя изолированными друг от друга частями кольца, то пульсация тока значительно сгладится (рис. 2).
Описанное устройство из двух или четырех частей кольца, служащее для выпрямления тока, является простейшим коллектором.
Фактически коллектор состоит из значительного числа сегментов, каждый из которых соединен с двумя проводниками обмотки якоря. В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине.
Устройство генераторов постоянного тока
Электрические машины постоянного тока обратимы, т. е. могут работать в режиме генератора или в режиме двигателя.
Обратимость машин объясняется общностью явлений, используемых в генераторах и двигателях.
Ознакомление с машинами постоянного тока начнем с генераторов. Укажем, что вследствие общности принципов основные элементы конструкции генераторов и двигателей постоянного тока одни и те же.
Обратимся к рис. 3, на котором представлен чертеж продольного и поперечного разрезов генератора.
Та часть машины, в которой создается магнитный поток, называется магнитной системой (индуктором). Магнитная система состоит из основных и добавочных полюсов, ярма и стали якоря.
Основные полюсы имеют сердечники 1, собранные из листовой электротехнической стали. На сердечники надеты катушки 2, через которые пропускают ток возбуждения, создающий основной магнитный поток. Иногда на основных полюсах располагают и компенсационные обмотки, которые создают добавочный магнитный поток. Сердечники полюсов со стороны, обращенной
Рис. 3. Чертеж продольного и поперечного разрезов генератора
к якорю, заканчиваются полюсными наконечниками 3, служащими для улучшения условий прохождения потока через воздушный зазор (полюсные наконечники увеличивают сечения магнитопровода на участке «воздушный зазор» и выравнивают поле в зазоре).
Добавочные полюсы 4, имеющие катушки 5, располагаются между основными полюсами. Назначение их — создавать добавочный магнитный поток. Назначение потоков, создаваемых компенсационными обмотками и добавочными полюсами, мы разъясним ниже.
Ярмо 7 — чугунное или стальное — служит для проведения магнитного потока основных и добавочных полюсов, а также для крепления их. Ярмо является частью станины 6 (неподвижной части машины), при помощи которой машина крепится к фундаменту.
Часть электрической машины, содержащая обмотку, в которой индуктируется э. д. с., называется якорем.
Якорь представляет собой железный цилиндр 9, на поверхности которого сделаны впадины — пазы; в них укладывают обмотку 12. Поверх обмотки накладывают кольца-бандажи 13, увеличивающие надежность крепления обмотки. Чтобы уменьшить вредные вихревые токи, появляющиеся в теле якоря при вращении его в магнитном поле, якорь набирают из штампованных дисков специальной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски изолируют друг от друга специальной бумагой или покрывают тонким слоем изолирующего лака. Для отвода тепла устроен вентиляционный канал 10. Диски укрепляются на валу машины. Постель подшипника вала обозначена цифрой 8. Для устранения чрезмерного нагрева генератора при работе в его кожухе имеется вентилятор 11.
На одном валу с якорем насажен коллектор 14. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, внутренняя сторона которых имеет вид ласточкина хвоста. Коллекторные пластины изолируют друг от друга миканитовыми прокладками (миканит — материал, изготовляемый из слюды путем склейки тонких пластин лаками).
Коллекторные пластины изолируют и от металлической втулки, на которой они крепятся, при помощи специальной миканитовой прокладки. Коллектор является одной из наиболее ответственных частей машины.
На рис. 4 представлен разрез коллектора, на котором хорошо видны медные пластины 1, крепящиеся на валу при помощи стальной муфты 2 и кольца 3. Муфта закреплена на валу шпонкой 4. Кольцо 3 прижимается к муфте гайкой 5.
Рис. 4. Разрез коллектора
Над коллектором укрепляются в щеткодержателях 15 (см. рис. 3) опирающиеся на коллектор щетки. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружиной, натяжение которой можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать повышения сопротивления и нагрева.
В электрических машинах применяются главным образом угольные, медно-графитные и графитные щетки. Общий вид щеткодержателя дан на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид щеткодержателя
Части машины — вал, подшипники, фундаменты, плиты, станина, — не связанные с электромагнитным процессом, называются конструктивными в отличие от перечисленных выше основных частей, которые составляют активную часть машины.
Вал машины изготовляется из стали. К средней части его крепится сталь якоря. На одном конце вала укрепляется коллектор, а на второй свободный конец вала насаживается шкив или какое-либо другое устройство (муфта, зубчатое колесо и т. п.) для соединения машины с приводимым механизмом (у электродвигателя) или с первичным двигателем (у генератора).
Вал лежит в подшипниках. В электрических машинах применяют подшипники с кольцевой смазкой, шариковые и роликовые.
Рис. 6. Подшипники с кольцевой смазкой
В подшипниках с кольцевой смазкой (рис. 6) имеются вкладыши, плотно пригнанные к цапфам и шейке вала. В больших машинах каждый вкладыш состоит из двух частей (половинок). В верхней части вкладыша имеются прорези, которые позволяют наложить на верхнюю часть вала медные кольца К.
Диаметр колец в полтора-два раза больше диаметра вала, поэтому каждое кольцо касается только верхней части вала. Нижняя часть кольца все время погружена в масло, наливаемое в корпус подшипника. При вращении вала медные кольца вследствие трения вращаются по валу. Масло, прилипая к кольцам, подается вверх к вкладышу, откуда по специальным канавкам во вкладыше растекается по всей трущейся поверхности, а затем стекает обратно в нижнюю часть корпуса подшипника.
Подшипники больших машин устанавливаются отдельно от остова машины на особых стойках, укрепленных на ее фундаментной плите, а у машин малой и средней мощности отливаются заодно с так называемыми подшипниковыми щитами, которые крепятся к остову машины болтами.
Шарикоподшипники укрепляются в расточках подшипниковых щитов.
На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения цепей машины и соединения машины с сетью.
Охлаждение всех частей машины обеспечивается соответствующей вентиляционной системой.
Большая часть современных машин имеет принудительное охлаждение — напор охлаждающего воздуха создается вентилятором. Часто вентилятор сам является частью электрической машины (см. рис. 3).
Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор.
Рис. 7. Обмотка якоря
Рис. 8. Укладка секций
В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система — статором.
Обмотка якоря состоит из отдельных секций (рис. 7). Секция состоит из одного или нескольких витков, концы которых присоединяются к коллекторным пластинам таким образом, чтобы все секции были соединены между собой через коллекторные пластины, т. е. к каждой коллекторной пластине присоединяются конец одной секции и начало другой. Каждая секция состоит из двух сторон (в каждой стороне в зависимости от числа витков в секции имеется один или несколько проводников). Эти стороны называются активными частями секций, в них индуктируются э. д. с. Наружные (торцовые) части секций служат только для соединения активных сторон и присоединения их к коллекторным пластинам.
Каждую секцию укладывают так, что одна ее сторона располагается в верхней части паза под полюсом одной полярности, а другая — в нижней части другого паза под полюсом другой полярности (рис. 8).
Расположение активных сторон секций под полюсами разных полярностей является основным правилом выполнения обмоток, так как только при этом условии индуктирующиеся в них э. д. с. будут складываться.
На рис. 8 для простоты показано шесть одновитковых секций; в каждой стороне секции имеется один провод. Верхние стороны секций имеют нечетные номера; нижние — четные.
Первая секция состоит из двух сторон 1 и 6; вторая — 3 и 8; третья — 5 и 10; четвертая — 7 и 12; пятая — 9 и 2; шестая 11 и 4.
Все секции соединяются через коллекторные пластины и представляют замкнутую цепь. Пунктиром показаны соединения активных сторон секции со стороны, противоположной коллектору; сплошными линиями — соединение сторон секции через коллектор.
На коллектор накладываются неподвижные щетки для отвода тока во внешнюю цепь, как показано на рис. 8. Одна щетка является положительным полюсом генератора, другая — отрицательным.
В машинах большой мощности приходится создавать значительный магнитный поток. Создание такого потока одной парой полюсов привело бы к весьма громоздким магнитным системам. Поэтому машины большой мощности обычно выполняются с несколькими парами полюсов.
Многополюсные машины являются более компактными и менее тяжелыми, чем машины той же мощности с одной парой полюсов.
Полюсы располагаются равномерно вокруг якоря, полярность их чередуется: за северным полюсом следует южный и т. д.
В многополюсных генераторах в зависимости от способа выполнения обмотки якоря устанавливаются либо две щетки, либо столько щеток, сколько полюсов имеет генератор. Положительные и отрицательные щетки соответственно соединяются вместе; в результате из генератора выходят два провода: к положительному и отрицательному зажимам.
Для определения э. д. с. в каждом проводнике, согласно закону электромагнитной индукции, необходимо и достаточно определить число магнитных линий, пересекаемых проводником в одну секунду. Зная э. д. с. в одном проводнике и способ соединения проводников между собой, можно определить э. д. с. генератора.
Пусть магнитный поток каждого полюса Ф вб, а число полюсов (которое всегда бывает четным) машины равно 2р. Тогда число магнитных линий, пересекаемых проводником в течение каждого оборота якоря, равно 2рФ. Если скорость вращения якоря n об/мин
или n/60 об/сек, то число магнитных линий, пересекаемых одним проводником в секунду, равно 2рФ n/60 и средняя э. д. с., индуктированная в одном проводнике обмотки якоря, еср = 2рФ n/60 в.
Определим э. д. с., индуктированную в обмотке, состоящей из N проводников. Если бы все проводники были соединены последовательно, э. д. с. в обмотке была бы равна средней э. д. с., индуктированной в одном проводнике, еср, умноженной на N.
Все проводники никогда не соединяются последовательно. Обычно обмотка состоит из нескольких параллельных ветвей.
Если число параллельных ветвей (всегда четное) равно 2а, то число последовательно соединенных проводников равно N/2а. Очевидно, что э. д. с. всего генератора равна средней э. д. с. одного проводника еср, умноженной на число последовательно соединенных проводников N/2а, т. е. Е = n/60 NФ p/a в.
Обозначив N p/60a буквой с, получим Е = сnФв (в этой формуле магнитный поток Ф выражается в веберах).
Возбуждение генераторов
Процесс создания магнитного потока в генераторе называется возбуждением, а обмотка, уложенная на полюсы, называется обмоткой возбуждения.
Генератор, обмотка возбуждения которого получает ток от постороннего источника (например, аккумуляторной батареи), называется генератором с независимым возбуждением. Генератор независимого возбуждения требует наличия дополнительного (кроме самого генератора) источника э. д. с. Последним обстоятельством и объясняется предпочтительное применение генераторов с самовозбуждением, в обмотке возбуждения которых протекает ток, вырабатываемый самим генератором.
В момент пуска такого генератора величины потоков в его магнитных цепях определяются остаточной индукцией. По мере увеличения напряжения на зажимах генератора и, следовательно, роста тока в обмотке возбуждения растет индукция в магнитных цепях генератора и, следовательно, поток Ф. Поток будет расти до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы.
Обмотка возбуждения генераторов с самовозбуждением может быть включена последовательно или параллельно внешней цепи. Обмотка, включаемая параллельно якорю, называется параллельной (шунтовой). Обмотка, включаемая во внешнюю цепь последовательно нагрузке, называется последовательной (сериесной). Генераторы обычно имеют обмотку возбуждения либо включенную параллельно внешней цепи — такие генераторы называются генераторами параллельного возбуждения, либо состоящую из двух частей: параллельной и последовательной— такие генераторы называются генераторами смешанного (компаундного) возбуждения.
Генераторы с одной последовательной обмоткой возбуждения не применяются вследствие сильной зависимости тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора от тока нагрузки.
Выбор способа возбуждения генераторов (параллельного или смешанного) в каждом отдельном случае определяется предполагаемой мощностью генератора и условиями его эксплуатации.
При коротком замыкании во внешней цепи ток возбуждения в последовательной обмотке генератора смешанного возбуждения возрастает. Э. д. с., развиваемая генератором, растет, а напряжение на зажимах остается практически неизменным. Генератор вырабатывает ток, достигающий значений, при которых генератор разрушается.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения падает развиваемое им напряжение, ток в обмотке возбуждения и, следовательно, поток возбуждения и индуктируемая в якоре э. д. с.
Генератор выдерживает бросок тока при коротком замыкании без всяких последствий (из этого не следует, однако, что генератор выдерживает длительные перегрузки; последние приводят к обугливанию изоляции обмоток якоря и аварии генератора).
На рис. 9 показана принципиальная схема генератора смешанного возбуждения. На каждом полюсе генератора имеются две обмотки. Одна из них ВШ подключена к зажимам генератора (параллельная обмотка), другая ВС включена последовательно нагрузке (последовательная обмотка).
Рис. 9. Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения
Для регулирования тока в параллельной обмотке ВШ последовательно с ней включается регулируемое сопротивление rш, называемое регулировочным реостатом.
Если генератор не имеет последовательной обмотки возбуждения (генератор параллельного возбуждения), то с увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается.
При наличии последовательной обмотки с увеличением тока основной поток, создаваемый совместным действием последовательной и параллельной обмоток возбуждения, увеличивается (при условии, что потоки, создаваемые токами обеих обмоток, складываются).
Соответствующим подбором числа витков последовательной обмотки можно добиться такого увеличения основного магнитного потока, что напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке будет оставаться постоянным. Таким образом, при помощи последовательной обмотки возбуждения достигается саморегулирование напряжения на зажимах генератора.
На судах, согласно правилам Регистра, устанавливают генераторы со смешанным возбуждением. Это вызывается необходимостью иметь постоянное напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке, например, во время работы палубных механизмов.
Напряжение на зажимах генератора определяется формулой U = E - Iяrя
В этой формуле Е — з. д. с. генератора, rя — сопротивление цепи якоря, Iя — ток в якоре.
Магнитный поток Ф, определяющий э. д. с. генератора, при холостом ходе создается только током в параллельных катушках полюсов. При нагрузке машин в обмотке якоря проходит ток.
Этот ток создает магнитное поле, называемое полем реакции якоря. От совместного действия магнитного поля полюсов и поля реакции якоря создается результирующее поле, которое и определяет э. д. с. генератора.
Реакция якоря
Реакцией якоря называется действие поля, создаваемого током обмотки якоря (поле реакции якоря), на основное магнитное поле.
Сталь якоря под действием магнитного потока, создаваемого током в обмотке якоря, намагничивается. Как легко убедиться из рис. 2, в левой части якоря образуется северный полюс, а в правой — южный, что следует из правила буравчика, если применить его к проводникам, лежащим под северным и под южным основными полюсами (при условии вращения якоря по часовой стрелке).
Таким образом, поле реакции якоря будет направлено поперек основного поля. В результате совместного действия этих полей магнитное поле в левой части основного северного полюса будет ослаблено, а в правой части — сгущено. Соответственно магнитное поле будет ослаблено в правой части южного основного полюса и сгущено в его левой части. Ось результирующего магнитного поля будет сдвинута в сторону вращения. В сторону вращения сместится и нейтральная линия.
При малом магнитном насыщении стали основных полюсов величина магнитного поля практически не изменяется (с одной стороны — разрежение, с другой — сгущение магнитных линий).
При сильном насыщении стали основных полюсов результирующее поле уменьшается, так как магнитное сопротивление в сгущенной части поля увеличивается.
Чтобы уменьшить действие реакции якоря, между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы, а на главных полюсах укладывается дополнительная, так называемая компенсационная обмотка. Обмотка добавочных полюсов и компенсационная включается последовательно с обмоткой якоря с таким расчетом, чтобы создаваемое ими поле было направлено навстречу полю реакции якоря.
Компенсационные обмотки и добавочные полюсы уменьшают также искрение под щетками, являющееся следствием реакции якоря.
Под действием поля реакции якоря в генераторах создается тормозящий момент, а в электродвигателях — вращающий момент.
