Тұрақты ток машиналары

Тұрақты ток машиналары

 

Тұрақты ток машиналары генераторлық режимде де, қозғалтқыштық режимде де жұмыс істей алады, яғни қайтымдылық қасиеті бар.

Тұрақты ток қозғалтқышының басқа типті қозғалтқыштарда қарағанда мынадай өте маңызды артықшылықтары:

- якорьдың айналу жиілігін кең ауқымда (диапазонда)  өзгертуге болады және ол қарапайым техникалық тәсілдер арқылы орындалады;

- аз ток кезінде үлкен жүргізіп жіберу моментін тудыра алады.

Олар электрлік транспортта, шахтылық көтеруші машиналарда,  жол құрылысы мен жөндеу – әрлеу машиналарында, прокаттық стан мен кораблдерде, автоматты басқару жүйелерінде қозғалтқыш ретінде қолданылады.

Тұрақты ток генераторлары электролиттік ванналарды қоректендіру үшін, аккуммуляторлық батереяларды зарядтау үшін және жоғары сапалы электрлік пісіру (сварка) қолданылады. Олар автоматты басқару жүйелерінде электромашиналық күшейткіш ретінде, сонымен қатар айналу жиілігін өлшейтін  тахогенератор  ретінде де қолданылады.

Тұрақты ток машиналарының конструкциясының негізгі кемшілігі - щетка-коллекторлық құрылғының болуында. Мұндай құрылғының болуы

мынадай зиянды құбылыстардың пайда болуына себеп болады:

- біріншіден,   жұмыс кезінде графиттік щеткалар коллектордың пластиналарына үйкеледі, сол кезде пайда болған графиттік шаң машинаның ішкі бөлігін таралады да, оқшаулағыш материалдар мен детальдарға жинақталып, олардың  оқшаулағыш (изоляциялық) қасиетін нашарлатады;

- екіншіден, белгілі бар жайсыз жағдайларда щетканың астында әр түрлі қарқынды ұшқындар пайда болады, олар кейде коллектор бойында шеңбер түріндегі отқа ауысады.

Аталған факторлар машинаның жұмыс істеу сенімділігін нашарлатады, тұрақты түрде бақылауды және күтімді қажет етеді.

Тұрақты ток машиналарының екінші кемшілігі – олардың бағасы қуаты сондай айнымалы ток машиналарының бағасына қарағанда бірнеше есе қымбат.

 

Тұрақты ток машиналарының құрылысы

 

Тұрақты ток машиналары, басқа электрлік машиналар тәрізді, екі негізгі бөліктен тұрады: қозғалмайтын бөлік - статордан  және айналмалы бөлік – якорьден тұрады.

Статор мен якорь бірі бірінен ауалық саңылау арқылы бөлектенген.

Статор уақытқа тәуелді өзгермейтін және кеңістікте қозғалмайтын, тұрақты магнит ағынын тудыруға арналған  бас полюстерден, коллектордың ұшқынсыз жұмыс режимін қамтамасыз етуге арналған және бас полюстердің арасына орналасқан қосымша полюстерден және станинадан тұрады.

 

 

1. Станина; 2- қоздыру орамасы; 3 – бас полюс; 4 – якорь орамасының орамдары;   5- қосымша полюс; 6 – графиттік щетка; 7 – коллектор; 8 – якорь; 9 – магнит ағыны.

- сурет

 

Якорьде  электр энергиясының механикалық энергияға түрлену  үрдісі немесе механикалық энергияның электр энергиясына  түрлену  үрдісі жүреді. Ол  айналмалы білікке (валға) орналасқан, сыртқы қабырғасында ойықтары бар тісті өзекшеден, сымдары (өткізгіштері) ойықтарға орналасқан  орамадан, коллектордан және олармен түйісетін щеткалардан тұрады.

Бас полюс  жұқа (0,5…1,0 мм) электротехникалық болат қаңылтырдан жинақталған өзекшеден, оның полюстік ұштығынан (наконечник) және өзекшеге  кигізілген каркасқа оралған оқшауландырылған мыс сымдардан тұратын қоздыру орамасынан тұрады.

Қосымша полюстер полюстік ұштығы бар өзекшеден және каркасқа орнатылған орамадан тұрады. Өзекше бүтіндей құйма болаттан жасалады. Қосымша полюстің орамасы қимасының ауданы үлкендеу оқшауландырылған мыс сымдардан жасалады және оның орам саны айтарлықтай көп болмайды. Ол якорь орамасымен бірізді жалғанады және міндетті түрде бас полюстердің аралығының тура ортасына орналасады.

Станина - фундаментке бекітілген қозғалмайтын бөлік. Оған бас және қосымша полюстер, машинаның білігіне (валға)  тірек болатын мойынтіректер (подшипниктер)  орналасқан қалқандар және щеткаұстағыштар бекітіледі. Ол машинаның қуатына байланысты құйма болаттан немесе шойыннан жасалады.

Якорь өзекшесі екі түрлі қызмет атқарады: біріншіден, ол машинаның магниттік тізбегінің бір бөлігі ретінде саналады, екіншіден, оның ойықтарына  якордың орамасы орналасады.

Өзекше өзара оқшауландырылған,  жұқа (0,5 мм) электротехникалық болат қаңылтырлардан жинақталған, сыртқы қабырғасы қатар орналасқан тістер пішінді болып келеді. Машинаны суытуды жақсарту үшін өзекшеде желдеткіш каналдар қарастырылады.

 Якорь орамасы оқшауландырылған мыс сымдардан жасалған жеке секциялардан құрастырылады. өзекшенің ойықтарына салынады да бандаждар арқылы бекітіледі, бірақ өзекшеден ойықтық оқшаулағыш арқылы бөлектенеді. Секциялардың ұштары коллектордың мыс пластиналарының ұштарымен пісіріп жалғастырылады.

Коллектор - тек тұрақты ток машинасына тән бөлік. Ол - сына тәріздес (клинообразный), бірі бірінен микиниттік прокладка арқылы оқшауланған жеке мыс пластиналардан құрастырылған цилиндр пішіндес дене. Бекітуге ыңғайлы болу үшін пластиналарды төменгі жағы қарлығаш құйрығы тәріздес етіп жасайды. Оқшауландырылған пластиналарды жинақтап, престейді. Осылайша құрастырылған коллекторды өзекшемен қатар орналастырып,  білікке бекітеді.

Щеткалар  коллектормен сырғымалы түйіспе (контакт) арқылы электрлік байланыста болады және соның арқасында якорьдың орамасы сыртқы тізбекпен (желімен) жалғасуы қамтамасыз етіледі. Щеткалар көмірграфиттік және металграфиттік болып бөлінеді, тікбұрышты түрде жасалады.  Олар арнаулы щеткаұстағыштарға салынып,  пружиналар арқылы коллекторлық пластиналарға қарай қысыммен ығыстырылады.   Соның нәтижесінде щетканың бір ұшымен коллекторлық пластиналар арасында жақсы сырғымал түйіспе пайда болады. Щетканың екінші ұшына сыртқы желімен байланыстыруға арналған жұмсақ мыс сымдар жалғастырылған.

Орамалардың ұштары станинаға бекітілген сыртқы қорап ішіне кіргізіліп, сол жерде сыртқы электр желісінің сымдарына жалғайды.

Тұрақты ток машинасының магниттік тізбегі ауалық саңылауда магнит өрісін тудыруға және таратуға арналған. Ол қоздыру орамасы бар бас полюстерден, якорь өзекшесінен, ауалық саңылаудан және ярмодан (станинадан) тұрады. Магнит өрісін қоздыру орамасының тогы тудырады, ол полюстердің, якорьдың және ярмоның болаттары арқылы өткен кезде күшейеді. Магниттік полюстердің астындағы ауа саңылауында магнит индукциясының мәні тұрақты дерлік. Бұл полюстердің астындағы якорь орамасының секциясының қабырғаларында мәні тұрақты дерлік э.қ.к. тудыру үшін қажет. Магнит индукциясының осындай болуы полюстық ұштықтардың арнаулы пішіні арқылы қамтамасыз етіледі.

Магниттік полюстердің арасындағы кеңістікті тура екіге бөлетін симметриялық сызықтарды геометриялық нейтраль сызықтары немесе геометриялық нейтраль деп, ал магниттік индукциясы В=0 тең болатын нүктелер арқылы сызықтарды физикалық нейтраль сызықтары деп аталады. Көршілес нейтраль сызықтардың арақашықтығын полюстік бөліну деп атайды да, τ әрпімен белгілейді.

Тұрақты ток машинасының бас электрлік тізбегі якорь орамасынан, коллектордан және щеткадан тұрады. Бұл элементтер үлкен токтарға есептелген және оларда энергияның түрлендіру үрдісі өтеді. Қосымша электрлік элементке қоздыру орамасы жатады. Оның орам саны көп болады және мәні аз токторға есептеледі. 

 

 

Тұрақты ток генераторының жұмыс істеу принципі

 

Генератор деп берілген механикалық энергияны электр энергиясына  түрлендіретін электрлік машинаны айтады.

Тұрақты ток машинасы генераторлық режимде жұмыс жасау үшін бас полюстердің қоздыру орамалары тұрақты ток көзіне қосылуы керек және якорьді механикалық энергия көзі болып табылатын қандай да бір жетектеуші қозғалтқыштың көмегімен айналдыру керек, яғни оған механикалық энергия берілуі керек.

Қарапайым генераторды тұрақты магнит өрісінде бірқалыпты айналып тұрған мыс орам ретінде қарастыруға болады. Тұрақты магнит өрісін бас полюстер тудыратынын, ал айналып тұрған орам якорь орамасының бір секциясы екендігін атап өтейік. Бұл орамның екі ұшы екі коллекторлық пластинамен жалғасқан.  Бұл екі пластина өз кезегінде екі қозғалмайтын щеткамен түйіскен. Щеткалар сыртқы тізбектегі кедергісі Rж тең қабылдағышпен жалғасқан.

Якорь орамы бірқалыпты n жылдамдықпен айналған кезде оның активті жағын тұрақты магнит өрісінің күштік сызықтары қиып өтеді. Соның нәтижесінде орамның бойында электромагнит индукция заңына сәйкес е1 және е2 э.қ.к.-тері пайда болады. Олардың бағыттары оң қол ережесі бойынша анықталады.  Орам сағат тілінің жүрісімен бағыттас айналған кезде

 

сурет – Тұрақты ток генераторы

 

солтүстік магниттік полюстың   N  астындағы оның активті қабырғасында  бағыты бізден ары бағытталған е1  э.қ.к.-і,  ал оңтүстік магниттік полюстен  S жоғары  орналасқан   активті қабырғада бізге қарай бағытталған  е2  э.қ.к.-і   пайда болады. Бұл э.қ.к.- тер қосылады да, орамның толық э.қ.к.-ін құрайды: Е= е1+ е2. Егер сыртқы тізбек тұйықталған болса, онда төменгі щеткадан қабылдағыштың (жүктеменің) кедергісіне  Rж , одан әрі жоғарғы щеткаға бағытталған ток I жүреді. Төменгі щетка генератордың оң полюстік ұштығы, ал жоғарғы щетка теріс полюстік ұштығы ретінде саналады. Орам 1800 градусқа бұрылған кезде оның активті қабырғалары   бір магниттік полюс аумағынан екінші магниттік полюс аумағына ауысады да, э.қ.к.- тердің бағыттары кері бағытқа өзгереді. Осы сәтте жоғарғы коллекторлық пластинаның жоғарғы щеткамен түйісуі үзіліп, төменгі щеткамен түйіседі. Мұндай синхронды өзгерістер нәтижесінде сыртқы тізбектегі токтың бағыты өзгермейді.

Демек, ораммен бірге айналып тұрған коллекторлық пластиналар мен қозғалмайтын щеткалар орамның сыртқы тізбекпен электрлік байланысын қамтамасыз етумен қатар, токтың механикалық түзеткіші қызмет атқаратын арнаулы ауыстырып қосқыш  құрылғы болып саналады.

Щеткалардағы  э.қ.к.-тің  және токтың бағыты өзгермейді, бірақ сыртқы тізбекте олардың мәндері айнымалы болады. Бұл орам айналған кезде оның магнит өрісіндегі орнының өзгеруіне байланысты,  демек,  орамның лездік жылдамдығының векторы мен магнит индукциясының арасындағы бұрыштың өзгеруінен туындайды. Қолданыстағы машиналарда ток пен э.қ.к.-тің мұндай пульсациясын (өзгеруін) орам санын көбейту арқылы және соған сәйкес коллекторлық пластиналар санын көбейту арқылы түзулетеді (тегістейді).

Тұрақты ток машиналарында якорьдың орамасы өте көп секциядан тұрады. Әр секция бірнеше орамнан тұрады. Секциялардың бір активті

 

Сурет - э.қ.к.-тің пульсациясын тегістеу

 

қабырғалары бір магниттік полюстің астындағы өзекшенің ойықтарына ораналасады, ал екінші активті қабырғалары екінші магниттік полюстің астындағы өзекшенің ойықтарына орналасады. Осы шарттар орындалғанда ғана э.қ.к.-тер қосылады. Якорь орамасының секциялары бір-бірімен коллекторлық пластиналар арқылы байланысады.

Сурет – якорь орамасының секцияларының түрлері

 

Генератордың щеткалары сыртқы жүктемеге Rж қосылса, онда жүктеме Rж және кедергісі  Rя тең якорь орамасы арқылы ток  I жүреді. Ток пайда болған сәттен бастап орамдардың активті қабырғаларына бағыттары сол қол ережесімен анықталатын  электромагниттік күштер Fэм  әсер ете бастайды. Бұл күштер якорьдың айналуына қарсы бағытталған момент Мқар тудырады. Егер  якорьдың айналу жылдамдығы n  болса, онда жетекші қозғалтқыштың айналдыру моменті Майн  қарсы әрекет ететін электромагниттік моментке тең болуы керек: Майн= Мқар=М. Сонымен якорьді айналдырып, электр энергиясын өндіру үшін механикалық энергия жұмсалуы керек. Якорь тогы үлкен болған сайын механикалық энергияда көп жұмсалады.

Якорьдың тізбегінің орынбасу сұлбасына сәйкес  Кирхгофтың екінші заңы бойынша

 

       (1)

 

Бірақ екендігін ескерсек, онда (1) теңдеуден

 

Сурет – Генератордың якорының тізбегінің орынбасу сұлбасы

 

 

         (2)

 

Бұл (2)  өрнек генератордың кернеуінің теңдеуі деп аталады, ол генератордың қысқыштарындағы (ұштарындағы)  кернеу U э.қ.к.-тен E якорьдың орамасындағы кернеудің түсуіне IRя  тең шамаға кем екендігін білдіреді.

(2)  өрнектің екі жағында I көбейтсек, онда якорь тізбегі үшін қуаттар теңдестігі теңдеуін аламыз:

      (3)

Немесе

                                      (4)

 

Сонымен  тұтынушы (қабылдағышқа) берілетін қуатты P=UI  анықтау үшін     жетектеуші     қозғалтқыштан    алынған    механикалық    қуатты

 Pмех=Mайн ω=Mайн 2πn  якорьде түрлендіру нәтижесінде пайда болған электромагниттік қуаттан Pэм=EI   ораманың кедергісіндегі  электрлік шығынды Pэл.ш=I2R  алып тастау керек.

Тұрақты ток генераторының якорының э.қ.к.-і мына формула бойынша анықталады:

 

,      (5)

 

мұндағы  -  қарастырылған машинаның тұрақты конструктивтік коэффициенті,  машинаның конструктивтік параметрлеріне байланысты  анықталатын тұрақты шама; n- якорьдың айналу жиілігі; Ф – бір полюстің магнит ағыны; 2р – жұп полюстер саны; 2а – якорь орамасының параллель тармақтарының саны; N – якорь орамасының секцияларының активті қабырғаларының саны.

Генераторлық режимде бұл э.қ.к. якорьдың әрекеттік  э.қ.к. – і болып саналса, ал қозғалтқыштық режимде ол қарсы әрекеттік  э.қ.к. – і болып саналады.

Тұрақты ток генераторының электромагниттік моменті: