Магнитный поток возбуждения машины создается током, протекающим по обмоткам ее полюсов. Ток в обмотках возбуждения может быть получен как от отдельного источника постоянного напряжения, так и от э. д. с, наводимой в якоре машины. В первом случае машина имеет независимое возбуждение (рис. 3.7, а), а во втором - в зависимости от способа присоединения обмотки возбуждения к якорю либо с параллельным (рис. 3.7, б), либо с последовательным (рис. 3.7, в) возбуждением. Применяются машины и со смешанным возбуждением (рис. 3.7, г), у которых одна обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, а другая параллельно ей. Схема включения обмоток возбуждения определяет характеристики машины постоянного тока.

§ 3.2. Характеристики генераторов постоянного тока

Внешняя характеристика генератора постоянного тока определяет зависимость напряжения, снимаемого с его щеток, от тока нагрузки (якоря) при постоянной скорости вращения якоря. Вид внешней характеристики зависит от способа возбуждения машины. У генератора с независимым возбуждением (его магнитный поток возбуждения может создаваться и постоянным магнитом) внешняя характеристика весьма полога (рис. 3.8). Напряжение на ее выходе отличается, от индуктируемой в якоре э. д. с. лишь из-за падения

напряжения, создаваемого током якоря /я на относительно малом сопротивлении его обмотки Го и сопротивлении ще- точных контактов Гщ:

U = E-hr (3.10)

от тока возбуждения, пропорционального напряжению на щетках U, несколько меньшему, чем э. д. с. Е:

где = Го + Гщ. .

Если.бы э. д. с, индуктируемая в Рис. 3.8 обмотке якоря, не зависела от тока

якоря, то внешняя характеристика генератора с независимым' возбуждением была бы линейной. Однако из-за реакции якоря с ростом тока якоря наводимая в его обмотках э. д. с. уменьшается.. Из-за этого внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением нелинейна и ее наклон всегда больше г„.

Другой важной характеристикой генератора с независимым возбуждением является характеристика холостого хо-д а. Она снимается при отключённой нагрузке и определяет зависимость э. д. с, развиваемой якорем, от тока обмотки возбуждения. Эта характеристика повторяет кривую намагничивания магнитопровода машины, а ее масштаб зависит от частоты вращения якоря (рис. 3.9),

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением на начальном участке (рис. 3.10) спадает с ростом тока якоря несколько быстрее, чем у генератора с независимым возбуждением. Связано это с тем, что поток возбуждения такого генератора зависит

(3.11)

где Гв - омическое сопротивление обмотки возбуждения; /я = /в + -- / - ток якоря генератора.

Особенностью генератора с параллельным возбуждением является относительно небольшой ток установившегося корот-

ост

Рис. 3.9

кого замыкания. С уменьшением сопротивления нагрузки ток якоря сначала растет, напряжение на щетках падает и это приводит к уменьшению тока возбуждения и'э. д. с. якоря.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, так как они имеют достаточно пологую внешнюю характеристику и не требуют дополнительного источника для возбуждения.

В генераторе споследовательным возбуждением внешняя характеристика имеет колоколообразную форму (рис. 3.11), так как при холостом ходе ее поток возбуждения мал (/в = / = 0), а при больших токах нагрузки вся э. д. с. гасится сопротивлением обмотки возбуждения. Такая внешняя характеристика весьма неудобна для питания обычных нагрузок и поэтому генератор с последовательным возбуждением практически не применяют.

У генераторов со смешанным возбуждением . последовательная

обмотка может быть включена так, что общий магнитный поток возбуждения увеличится с ростом тока якоря. .Увеличение потока приводит к росту э. д. с. якоря и напряжение, снимаемое со щеток такого генератора, может расти даже при увеличении тока нагрузки.

Генераторы снезависимым возбуждением, создаваемым постоянным магнитом, используют KgK тахогенераторы, т. е. машины, создающие напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения.

Рис. 3.11

§ 3.3 Основные характеристики двигателей постоянного тока

Для практического применения двигателя основной является его механическая характеристика, которая определяет зависимость частоты вращения якоря от развиваемого им момента на валу.

Для устойчивой работы механической системы двигатель-нагрузка механическая характеристика двигателя должна быть падающей, -т. е. частота вращения двигателя должна уменьи]аться при

увеличении развиваемого им момента (кривая / на рис. 3.12, а). Связано это с тем, что характеристика любой механической лагрузки (зависимость частоты ее вращения от приложенного к ней момента) представляется кривой с положительным наклоном в каждой ее точке (кривая 2 на рис. 3.12).

Наложив характеристику нагрузки на механическую характеристику двигателя,- получим точку А, определяющую установившуюся частоту вращения двигателя и нагрузки . у. При установившихся оборотах двигатель развивает момент, равный тормозящему его моменту нагрузки.

Если механическая- характеристика двигателя имеет положительный наклон - . (кривая / на рис. 3.12) больше накло-

на характеристики нагрузки (кривая 2), то система двигатель-нагрузка не может быть устойчивой. При исходной частоте вращения Пу, определяемой точкой пересечения характеристик двигателя и нагрузки, случайное увеличение скорости вращения приведет к увеличению момента, развиваемого двигателем. Возникший избыточный момент еще сильнее раскрутит нагрузку. При этом избыточный момент еще больше возрастет н система двигатель-нагрузка пойдет, как говорят, в разнос . Случайное уменьшение частоты двигателя от исходной 1 приведет к его остановке.

§ 3.4. Основные области применения машин постоянного тока

В первичных источниках питания радиоустройств часто применяют генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. Удобство его заключается в том, что он очень хорошо работает в паре с аккумуляторной батареей. Так, аккумуляторная батарея на самолете необходима для обеспечения работоспособности радиоустройств и электротехнических устройств при отказе основного двигателя. В аккумуляторной батарее запасается электрическая энергия,

-Рис. 3.12

необходимая для приведения в действие аварийной аппаратуры и устройств.

. В нормальном режиме аккумуляторная батарея сглаживает нагрузку генератора. При малых нагрузках она подзаряжается и тем самым нагружает генератор, а при больших подключается параллельно генератору и разгружает £го.

Двигатели постоянного тока применяют и для приведения в действие различных механизмов в системах автоматики, обеспечивающих работу радиоустройств. Применяют их и в аналоговых вычислительных устройствах.

Широкий диапазон изменения частоты двигателя с последовательным возбуждением хорошо используется в установках электрической тяги. Малая его скорость под большой нагрузкой и значительный пусковой момент позволяют избежать применения коробки передач, необходимой для редуцирования оборотов прочих двигателей.

Серьезным недостатком машин постоянного тока является зна- чительный уровень радиопомех. Искрение под щетками, возникающее при переходе их с одной пластины коллектора на другую, и ряд других явлений приводят к появлению в сети интенсивных высокочастотных составляющих напряжения с весьма широким спектром. Эти составляющие напряжения и создают помехи радиоприему. Для уменьшения уровня помех каждую из машин постоянного тока включают в сеть через довольно сложный фильтр.

Двигатели постоянного тока небольшой мощности могут работать и от сети переменного напряжения промышленной частоты, обеспечивая при этом меньший момент на валу. Такая- универсальность двигателя постоянного тока связана с тем, что при одновременном изменении направления тока возбуждения и направления тока якоря не меняется направление вращения последнего. Такие двигатели широко применяют в бытовых электроприборах.

Глава IV

Электрические машины переменного тока

§ 4.1. Устройство машин переменного тока

Основными частями машины переменного то-к а являются статор и ротор. Они набираются, как и сердечник трансформатора, из тонких изолированных листов электротехнической стали.

Набор сердечника статора / осуществляется из колец, а сердечника ротора 4 - из дисков (рис. 4.1, а). В пазы, имеющиеся как на статоре 2, так и на роторе 3, укладываются обмотки (подшипниковый щит обозначен 5).

Сердечник статора (рис. 4.1,6) помещается в корпусе машины, а ротор укрепляется на валу 6 и приводится во вращение.

Устройство генераторов и двигателей переменного тока в основном одинаково.

В соответствии с принципом обратимости одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель.

Рис. 4.1

Работа многофазных машин переменного тока основана на использовании вращающегося магнитного поля. В синхронных генераторах такое поле создается ротором, являющимся либо постоянным магнитом, либо электромагнитом.

Рассмотрим получение многофазных переменных токов на примере трехфазного синхронного генератора (рис. 4.2). Обмотка приведен-

. Рис. 4.2

ного на рис. 4.2, а неявнополюсного статора состоит из трёх самостоятельных групп (фаз)Л, В и С. Эти группы расположены на статоре под углом 120° друг к другу.

Ротор машины с неявными полюсами (рис. 4.2, б) представляет собой электромагнит со специальной формой полюсных наконечников. Питание на него подается от источника постоянного тока через коллектор, состоящий из двух неразрезных колец.

При вращении ротора в активных проводниках обмоток статора, уложенных в пазы, наводятся э. д. с. Лобовые соединения обмоток статора выполняют так, чтобы наводимые в каждом из витков катушек э. д. с. складывались. Для этого витки должны охватывать ротор. Так, в группе обмоток А, состоящей из трех катушек, активные стороны витков первой катушки уложены в пазы 18 и , активные стороны второй катушки, расположенной по диаметру, уложены в пазы /и 10, а активные стороны третьей катушки - в пазы 2 и 9. Все эти три катушки соединяются последовательно. В группах В и С укладка и соединение катушек аналогичны.

Конструкция статора машины имеет центральную симметрию. Во всех трех группах обмоток при вращении ротора наводятся одинаковые как по форме, так и по величине э. д. с. Отличаются эти э. д.с. лишь фазами. Поэтому группы обмоток Л, В и С называют фазами генератора.

Частота э. д. с. каждой из фаз определяется частотой вращения ротора и числом пар магнитных полюсов на нем. При двухполюсном роторе, изображенном на рис. 4.2, период наводимых в обмотках статора э. д. с. равен времени, затрачиваемому ротором .на один оборот. При двух парах полюсов на роторе (крестообразный ротор) частота э. д. с. в два раза больше и т. д.

По виткам обмотки ротора протекает постоянный ток, вызываемый внешней постоянной э. д. с, подводимой к обмотке ротора через щетки и коллектор. Магнитное поле, создаваемое током обмотки ротора в воздушном зазоре между ротором и статором, неравномерно. Большая плотность линий магнитной индукции, показанных тонкими линиями на рис. 4.2, б, соответствует углам а = ±п/2, а углам а = О и я соответствует индукция, равная нулю. .

Если распределение индукции В магнитного поля, создаваемого ротором, вдоль окружности внутреннего цилиндра статора, по которой расположены активные проводники обмоток, гармоническое, то при исходном вертикальном положении ротора

B(a) = B, sina, (4.1)

где угол а, определяющий координаты точек окружности, отсчитывается от горизонтальной оси (рис. 4.2).

При вращении ротора против часовой стрелки с угловой скоростью W индукция в каждой из точек, лежащей на окружности, будет меняться во времени по закону

В (а, 0/) = Вот sin (а - со/).

(4.2)

Магнитный поток, пронизывающий витки г-й катушки, которая расположена под углом ai к горизонтальной оси и смещена относительно диаметра так, что радиусы, проведенные к ее активным проводникам, образуют с диаметром углы В; (рис. 4.3)

Ф^ = /а- \ в (а, со/) da = Фот COS COS ( 1 - 0/),

(4.3)