Тұрақты ток машиналары

 

,        (6)

 

Мұндағы - моменттің конструктивтік коэффициенті,    қарастырылған машинаның  конструктивтік параметрлеріне байланысты анықталатын тұрақты шама;  Iя – якорь тогы.

Генераторлық режимде бұл момент якорьдың айналуына қарсылық көрсететін, яғни тежегіш момент болып саналса, ал қозғалтқыштық режимде әрекет ететін айналдырушы момент болып саналады.

 

Якорь реакциясы

 

Тұрақты ток машинасы бос жүріс режимінде (якорь орамасында ток жоқ) жұмыс жасаған кезде негізгі магнит өрісін (В0) тек бас полюстер ғана тудырады.  Бұл өріс полюстердің осіне симметриялы болады және оның осі полюстер осімен сәйкес келеді.

Машинаны сыртқы жүктемеге Rж (қабылдағышқа) қосылған кезде якорь орамасы арқылы ток жүреді, сондықтан  орама да айналысында өзінің магнит өрісін тудырады. Бұл өріс якорьдің өрісі деп аталады. Оның осі щеткаларды қосатын сызықпен  (геометриялық нейтральмен)   сәйкес келеді, яғни бас полюстердің осіне перпендикуляр болады. Якорь айналған кезде оның орамасының сымдарындағы токтардың таралуы өзгермейді, сондықтан якорь өрісі кеңістікте қозғалмайды. Ал өрістің магниттік индукциясы Вя якорь тогына тура пропорционал.

Машина жүктемеге жұмыс жасап тұрған кезде бас полюстердің негізгі магнит өрісі мен якорьдың өрісі бірі - бірімен әрекеттеседі де, қорытынды магнит өрісін  (магнит индукциясы Вқор) құрайды. Бұл құбылысты якорь реакциясы деп атайды.

 Қорытынды магнит өрісінің  осі бас полюстердің магнит  өрісінен осінен белгілі бір бұрышқа  γ ығысады. Соның нәтижесінде якорьдың нейтральдық сызығы (В=0) да геометриялық нейтральдан (1-1) сол γ бұрышқа ауытқып, физикалық нейтраль деп аталатын сызық бойына орналасады. Генераторда бұл физикалық нейтраль якорьдың айналу бағыты бойынша жылжыған (ауытқыған), ал қозғалтқышта ол кері бағытта ауытқиды.

Якорь реакциясы тұрақты ток машиналарының жұмысына зиянды әсерін тигізеді: щеткалардың астында қарқынды ұшқындар пайда болуы және коллекторлық пластиналардың күюі мүмкін, сонымен қатар магнитсіздендіру өрісі пайда болуы мүмкін.

 

Сурет – Якорь реакциясы

 

 Якорь реакциясының машинаның жұмысына зиянды  әсерін азайту үшін қосымша полюстер қолданылады. Олардың магнит өрісі  якорьдың магнит өрісіне қарсы етіп, жоюы тиіс. Қосымша полюстер бас полюстер арасындағы геометриялық нейтраль сызық бойына орналасады, ал олардың орамасы якорь орамасымен бірізді жалғанады және якорь өрісіне шамасы жағынан тең, бағыты жағынан  қарама-қарсы магнит өрісін тудырады.

Сурет –Қосымша полюстердің орналасуы және жалғануы

 

Қосымша полюстер өз  функциясын генераторлық режимде де, қозғалтқыштық режимде де атқарады.

 

 

Тұрақты ток машинасын қоздыру тәсілдері

 

Тұрақты ток машинасын қоздыру деп якорь орамасында белгілі бір мәнді э.қ.к.-ті (генераторлық режим) алу үшін немесе  якорьдың айналу моменті (қозғалтқыштық режим) пайда болуы үшін қажет магнит өрісін тудыру айтады. Машиналарда негізгі магнит өрісін бас полюстер мен оларда орналасқан қоздыру орамалары тудырады.

Машиналарда қоздыру орамасы мен якорь орамасы желіге әр түрлі тәсілдер бойынша жалғануы мүмкін: бірі - біріне тәуелсіз, бірі - біріне параллель, бірімен бірі бірізді және параллель – бірізді (аралас).

Осы орамалардың жалғану тәсілдеріне байланысты тұрақты ток машиналары төрт түрге бөлінеді:

А) тәуелсіз қоздырылатын машиналар, оларда қоздыру орамасы мен якорь орамасы бірі - біріне тәуелсіз, әр түрлі қоректендіргішке жалғанады;

Б) параллель  (шунттық) қоздырылатын машиналар, оларда қоздыру орамасы мен якорь орамасы бірі - біріне щетка арқылы параллель жалғанады және  якорь орамасының э.қ.к.-нен қоректенеді;

В) бірізді (сериестік) қоздырылатын машиналар, оларда қоздыру орамасы якорь орамасы мен бірізді жалғанады;

Г) аралас (компаундтық) қоздырылатын машиналар, оларда әр полюстік өзекшеде екі орама шунттық және сериестік болады. Шунттық орама якорь орамасымен параллель жалғанады, ал сериестік орама онымен бірізді жалғанады.

 

Сурет –Тұрақты ток машиналарын қоздыру сұлбалары

 

 

Қоздыру орамасы мен якорь орамасын өзара жалғау тәсілдері генераторлардың электрлік қасиеттері мен тұрақты ток қозғалтқыштарының механикалық қасиеттеріне өте күшті әсер етеді.

 

Тұрақты ток генераторының негізгі параметрлері және сипаттамалары

 

Тұрақты ток генераторының жұмысын сипаттайтын негізгі параметрлер:  өндіретін қуаты Р, ұштықтарындағы (қысқыштарындағы) кернеу U, қоздыру тогы Iқоз, якорь тогы Iя немесе жүктемелік ток  I , айналу жиілігі n.

Бұл параметрлер арасындағы байланыстар екі теңдеу арқылы сипатталады: э.қ.к. теңдеуі ( )   және якорь тізбегінің теңдеуі ( ).

Машинаның жұмысын анықтайтын негізгі электрлік шамалардың тәуелділіктерінің графикалық бейнелерін сипаттамалар деп атайды.

Тұрақты ток генераторының негізгі сипаттамалары:

А) бос жүріс сипаттамасы, ол бос жүріс режимі кезіндегі э.қ.к.-тің Е қоздыру тогының Iқоз мөлшеріне айналу жиілігі n тұрақты болған кездегі  тәуелділігін көрсетеді:

E=f(Iқоз),  I=0 ( немесе Iя = 0)  және n=nном=const  болған кезде;

Б) сыртқы сипаттама, ол генератор ұштықтарындағы (қысқыштарындағы) кернеудің U жүктемелік токқа I айналу жиілігі n тұрақты және қоздыру тізбегінің кедергісі Rқоз тұрақты болған кездегі  тәуелділігін көрсетеді:

U=f(I),   Rқоз= const  және n=nном=const  болған кезде;

В) реттеу сипаттамасы, ол ұштықтардағы кернеу U және айналу жиілігі n тұрақты болған кезде  қоздыру тогының  Iқоз жүктемелік токқа  I тәуелділігін көрсетеді:

Iқоз= f(I), U= const және n =nном=const  болған кезде.

 

 

Тәуелсіз қоздырылатын генератордың сипаттамалары

 

Бос жүріс сипаттамасын алу үшін қоздыру тізбегіне реттеу реостатын кіргізеді. Якорьді жетектеуші қозғалтқыш көмегімен  n =nном=const    жиілікпен айналдырады. Алдымен реостаттың жылжытқышын (ползунок)   Iқоз= 0 болатын жағдайға қояды. Егер сынақ жүргізілгенге дейін  генератордың магниттік жүйесі толық магнитсізденген болса, онда Iқоз= 0 болғанда  э.қ.к. Е= 0 болады, демек, сипаттама координаталар басынан басталады.

Қоздыру тогын  Iқоз біртіндеп    Iқоз= Iқоз.макс  дейін көбейткенде бас полюстердің магнтит ағыны  Ф да көбейеді және оған тура пропорционал Е көбейеді. Сипаттама сызығының бас жағы түзу болады да, кейіннен магниттік тізбектің қанығуына байланысты біртіндеп абцисса осіне қарай қисаяды.

Э.қ.к.  Е=(1,1...1,2)Uном мәніне жеткенде үрдісті кері бағытта жүргізеді, яғни қоздыру тогын  Iқоз біртіндеп    Iқоз= Iқоз.макс  мәнінен     Iқоз= 0 мәніне дейін азайтады. Бұл кезде э.қ.к. Е алдыңғы 1 қисықтан    жоғары жатқан 2 қисық  бойымен азаяды. Бұл 1 қисық бойынша магнит ағыны пайда болуы және өзекше болатының магниттену үрдісі өтетіндігімен, ал 2 қисық  бойынша тек  магниттенген өзекшеде  магнит ағынының өзгеру  үрдісі өтетіндігімен түсіндіріледі.

Қоздыру тогы  Iқоз= 0 болғанда машина якорінде мәні үлкен емес э.қ.к. Е=(0,02...0,03)Uном пайда болады. Бұл полюс өзекшелері мен ярмо болаттарында қалдық магниттенудің болумен түсіндіріледі.

1 мен 2 қисықтар  машинаның болатының магниттенуін сипаттайтын   гистерезис тұзағына ұқсас  пішінді құрайды. Олардың ортасы арқылы жүргізілген 3 қисықты есептік бос жүріс сипаттамасы деп атайды және ол бойынша номиналды мәндер (Iқоз.ном,   Еном) таңдалады.

 

Генератордың сыртқы сипаттамасының графигін тұрғызу үшін алдымен генераторды жүктемеге қоспай тұрып, I= 0 болғанда U≈1,15Uном  тең болуы үшін  қоздыру тогының мәнін Iқоз реттеуші реостат арқылы белгілі бір мәнге дейін көбейтіп, сол деңгейде тұрақтандырамыз.

Онан кейін генераторды жүктемеге қосамыз да, оның кедергісін өзгерту арқылы жүктемелік токты   I    0-ден   I=1,2 Iном  дейін көбейтеміз. Бұл кезде генератордың қысқыштарындағы кернеу екі түрлі себептің салдарынан азая бастайды: якорьдің кедергісінде кернеудің түсуі мен якорь реакциясы әсерінен э.қ.к.-тің Е біршама азаюы салдарынан.

Генератордың    реттеу сипаттамасы      Iқоз= f(I)   ( U= const және n =nном=const  болған кезде) жүктемедегі ток  I өзгерген кезде генератордың кернеуі  U  өзгермеуі үшін қоздыру тогын  Iқоз   қалай өзгерту керек екендігін білдіреді:  I өскен кезде U= const болу үшін Iқоз мәнін көбейту керек, ал I азайса, Iқоз мәнін азайту қажет.

 

 

      а                                             б                                             в

Сурет –Тәуелсіз қоздырылатын генератордың сипаттамалары

 

Параллель қоздырылатын генератордың сипаттамалары

 

Параллель қоздырылатын генераторлар қоздырушы орама үшін арнаулы қоректендіргіш қажет етпейтіндіктен және номиналды жүктелгенде қажетті кернеу беретіндіктен тұрақты токтың ең көп тараған генераторы болып саналады.

Бұл генераторларда қоздырушы орама үшін қорек көзі якорь өзі болады. Сондықтан якорьде бастапқы э.қ.к.-тің Е пайда болу үрдісі өте маңызды үрдіс болып саналады және оны  генератордың өздігінен қозуы деп атайды. Бұл үрдіске толығырақ тоқталайық.

Машинаның алдын-ала магниттелген магниттік тізбегінде жұмыс істеуін тоқтатқаннан кейін де қалдық магниттенудің ағыны Фқал (номиналды магнит ағынының 2…3% ) сақталады. Қалдық магнит ағыны Фқал тудырған магнит өрісінде якорь номиналды жиілікпен айналған кезде якорь орамасында аздаған э.қ.к. пайда болады, оны қалдық  э.қ.к.  Еқал деп атайды. Ол қоздырушы орамада аздаған қоздыру тогын Iқоз тудырады. Бұл ток өзінің магнит ағынын Фқоз тудырады да, бас полюстің магнит ағынын көбейтеді                 (Ф = Фқал+ Фқоз) және онымен бірге  якорьдың э.қ.к.-ін Е көбейтеді. Бұл э.қ.к. өз кезегінде Iқоз өсіреді, ал ол ток Фқоз көбейтіп, якорьдың э.қ.к.-інің Е тағы көбеюіне әсер етеді. Осылайша якорьдың э.қ.к.-інің Е өсуі үрдісі қайталанып, одан әрі жалғаса береді. Бұл өздігінен қосу үрдісі қоздыру орамындағы кернеудің түсуі якорьдың э.қ.к.-іне тең болған кезде тоқтайды.

Сонымен,  генератор өздігінен қозуы үшін мынадай шарттар орындалуы керек:

- біріншіден, машинаның магниттік жүйесінде қалдық магнит ағыны болуы керек;

- екіншіден,  қоздырылатын Фқоз және қалдық Фқал магнит ағындары бағыттас болу үшін қоздыру орамасы якорьге дұрыс қосылуы керек;

- үшіншіден,  қоздыру орамасының кедергісі  якорьдың э.қ.к.-інің тұрақталған мәнін анықтайтын болғандықтан  кедергінің мәні   белгілі бір шекаралық мәннен төмен болуы керек.

Параллель қоздырылатын генератордың бос жүріс сипаттамасы тәуелсіз қоздырылатын генератордың бос жүріс сипаттамасы сияқты болады (сурет).

                                                       

                              

  

       сурет- генератордың                сурет - Параллель қоздырылатын

        өздігінен    қозуы                      генератордың сипаттамаларын

                                                                 алуға арналған сұлба

 

 

 

 

Параллель қоздырылатын генератордың сыртқы сипаттамасы тәуелсіз қоздырылатын генератордың сыртқы сипаттамасына қарағанда біршама төмен өтеді. Бұл жүктемедегі ток өскен кезде генератордың қысқыштарындағы кернеудің азаюына тәуелсіз қоздырылатын генераторға қатысты айтылған екі себептен (якорь реакциясы және оның тізбегінде кернеудің түсуі) басқа тағы бір себептің – якорьге параллель қосылған қоздыру орамасындағы қоздыру тогының  Iқоз азаюының – пайда болуымен түсіндіріледі. Ал  Iқоз азаюы магнит ағынының азаюына,  демек, якорьдың  э.қ.к.-інің азаюына алып келеді (сурет).

 

                а                                                           б

сурет - Параллель қоздырылатын генератордың  сипаттамалары

 

Параллель қоздырылатын генератордың  реттеу сипаттамасы тәуелсіз қоздырылатын генератордың сыртқы сипаттамасына ұқсас, бірақ генератор кернеуінің көбірек азаюына байланысты оның қисығы біршама тігіректеу болады.

 

 

Тұрақты ток қозғалтқышының жұмыс істеу принципі

 

Электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіретін электрлік машинаны қозғалтқыш деп атайды.

Тұрақты ток машиналары қайтымдылық қасиетке ие болғандықтан олар генераторлық режимде де, қозғалтқыштық режимде де жұмыс істей алады. Қозғалтқыштық режимді қарастырайық.

Егер тұрақты ток машинасының щеткаларын тұрақты кернеу U көзіне қоссақ, онда коллекторлық пластиналар және кедергісі тең орам арқылы ток жүреді (сурет). Тогы бар бұл орамның активті қабырғалары  қоздыру орамасы тудырған магнит өрісінде болғандықтан Ампер заңына сәйкес оларға электромагниттік күштер Fэм әсер етеді. Олардың бағыттары сол қол ережесі бойынша анықталады: орамның жоғары қабырғасына әсерететін күш оңға, ал төменгі қабырғасына әсерететін күш солға бағытталады. Бұл екі күш орамды сағат тілінің жүрісі бағытымен айналдыратын айналу моментін Майн тудырады.

Орамның жоғарғы жағы солтүстік полюс аумағынан оңтүстік полюс аумағына ауысқанда, ал орамның төменгі жағы  оңтүстік полюс аумағынан солтүстік полюс аумағына ауысқанда орамның ұштары және олармен байланысқан коллекторлық пластиналар басқа полюсті щеткалармен