1. ПРИЗНАЧЕННЯ, ПРИНЦИП ДІЇ І КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН
Електричні машини призначені для перетворення енергії. Механічну енергію на електричну перетворюють за допомогою електричних генераторів. Електричну ж енергію на механічну— за допомогою електричних двигунів. Машини для перетворення змінного струму на постійний і навпаки, а також частоти або кількості фаз змінного струму називають електромашинними перетворювачами.
Принцип дії, будова і робота різних електричних машин ґрунтуються на використанні деяких фізичних явищ. Найважливіші з них — електромагнітна індукція і взаємодія магнітних (електромагнітних) полів. Ці явища ви вивчали на уроках фізики у 8-му класі. Згадайте такий дослід: провід, з'єднаний з чутливим вимірювальним приладом (гальванометром), переміщують між полюсами підковоподібного магніту, при цьому стрілка гальванометра відхиляється. Дослід показує, що в провіднику під час руху його в магнітному полі виникає електрорушійна сила (ЕРС). її називають ЕРС електромагнітної індукції, або просто ЕРС індукції, а напрям цієї ЕРС визначають, як відомо з курсу фізики, користуючись правилом правої руки: долоню правої руки розміщують так, щоб лінії магнітної індукції входили в неї, а відігнутий під прямим кутом великий палець збігався з напрямом руху провідника, тоді витягнуті чотири пальці руки показують напрям ЕРС індукції.
ЕРС індукції виникає й тоді, коли провідник нерухомий, але міститься в змінному магнітному полі.
Отже, явище електромагнітної індукції полягає в тому, що в провідному контурі, який міститься в змінному магнітному полі або перетинає лінії магнітної індукції постійного магнітного поля, виникає електрорушійна сила індукції.
Згадаємо інший дослід: по проводу, розміщеному між полюсами підковоподібного магніту, пропускають електричний струм — провід переміщується перпендикулярно до ліній магнітної індукції. Дослід показує, що на провід зі струмом у магнітному полі діє сила, напрям якої визначають, користуючись правилом лівої руки: долоню лівої руки розміщують так, щоб лінії магнітної індукції входили в неї, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, тоді відігнутий під прямим кутом великий палець показує напрям сили, що діє на провідник. Сила діятиме на провід зі струмом і тоді, коли в досліді постійний підковоподібний магніт замінити електромагнітом. Проводу можна надати форми рамки; якщо рамку розмістити в магнітному полі і пропустити по ній струм, то вона повернеться навколо своєї осі.
Обертання рамки зумовлене тим, що на її сторони діють сили в протилежних напрямах. А такі сили, як відомо з фізики, створюють обертаючий момент. Розглянуте явище лежить в основі будови і роботи електричних двигунів, багатьох електричних приладів, апаратів. У кожному з розглянутих вище випадків і аналогічних до них (наприклад, коли струм проходить по двох паралельних проводах) виникнення сили можна пояснити взаємодією магнітних (електромагнітних) полів: магнітного поля постійного підковоподібного магніту й магнітного поля, створюваного струмом, який проходить по провіднику; магнітного поля постійного підковоподібного магніту (або електромагніту) і магнітного поля, створюваного струмом, що проходить по рамці; магнітних полів, створюваних струмами, котрі проходять по кожному з паралельно розміщених проводів.
За видом струму розрізняють машини змінного струму і машини постійного струму.
Електричні машини змінного струму поділяють, крім того, на дві групи — синхронні й асинхронні. Щоб зрозуміти ознаки цієї класифікації, розглянемо будову електричних машин. Електрична машина має нерухому частину — статор і рухому — ротор (якір), нерухомо з'єднаний з валом машини. Кожна із цих частин може виконувати будь-яку з двох функцій: створювати або магнітне поле, або ЕРС індукції. Термін «ротор» звичайно вживають тоді, коли говорять про машини змінного струму, а термін «якір» — стосовно машин постійного струму. Кількість обертів ротора (вала машини) за одиницю часу називають частотою обертання електричної машини.
Магнітне поле, що його створює статор, у більшості електричних машин змінюється періодично; часто воно є обертовим магнітним полем. Якщо частота обертання магнітного поля і частота обертання вала електричної машини однакові, такі машини називають синхронними. В асинхронних машинах частота обертання ротора менша за частоту обертання магнітного поля.
Електричні машини експлуатують у різних умовах. А тому залежно від форми виконання розрізняють відкриті й захищені електричні машини, причому захищені можуть бути бризко-захищеними, водозахищеними, пилозахищеними, вибухоза-хищеними та ін.
Під час роботи електричні машини нагріваються. Це шкідливо для ізоляції та інших частин. Тому більшість електричних машин мають вентиляційні пристрої.
2. Будова машин постійного струму
Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину завод випускає з певним призначенням — працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, призначені для роботи як генератором, так і двигуном.
Генератори постійного струму застосовують тоді, коли потрібно мати самостійне джерело струму, наприклад для живлення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, електролізних ванн, зварювальних установок тощо.
Електродвигуни постійного струму застосовують тоді, коли потрібно плавно регулювати швидкість, наприклад у тролейбусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у пристроях автоматики.
Статор машини постійного струму складається зі станини (рис. 62) і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об'єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і котушки.
Рис. 63. Якір машини постійного струму:
а — якір без обмотки; б — сталевий лист осердя якоря; 1 — натискні шайби; 2 — зубець; З — паз; 4 — вентиляційний отвір
Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).
Ротор (якір) (рис. 63) машини постійного струму складається з осердя й обмотки. Осердя якоря набирають з тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаковим покриттям, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя вкладають обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор (рис. 64). Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. Кожну пластину колектора з'єднують з одним або кількома витками обмотки якоря. Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу (див. рис. 62). Отже, колектор — це пристрій, який конструктивно об'єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмознімні щітки (рис. 65). Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.
Рис. 65. Щітковий механізм машини постійного струму:
а — траверса; б — щіткотримач; 1 — щітковий палець; 2 — ізоляція кільця від траверси; З — стопорний болт; 4 — мідний провід; 5 — натискні пластини; 6 — місце розміщення пружини; 7 — обойма; 8 — щітка
Під час роботи машини щітки ковзають по колектору. Щіткотримачі кріплять до траверси.
3. Типи і характеристики машин постійного струму
Машини постійного струму розрізняють за способом збудження.
У машинах з незалежним збудженням обмотка збудження живиться від побічного джерела струму (рис. 66, а). Якщо обмотка збудження дістає живлення від затискачів якоря і з'єднана з ними паралельно, таку машину називають машиною з паралельним збудженням (рис. 66, б). Таку саму машину, але з послідовним з'єднанням обмотки збудження із затискачами якоря називають машиною з послідовним збудженням (рис. 66, в). У машинах зі змішаним збудженням є дві обмотки збудження, одна з яких з'єднана із затискачами якоря послідовно, а друга — паралельно (рис. 66, г).
Рис. 66. Схеми машин постійного струму (пускові й регулювальні реостати не показано):
а — з незалежним збудженням; б — з паралельним збудженням; в — з послідовним збудженням; г — зі змішаним збудженням
Характеристики машини постійного струму показують її робочі якості. Характеристику генератора, яка виражає залежність між напругою на його затискачах і силою струму в обмотці якоря, називають зовнішньою характеристикою (рис. 67). З рисунка видно, що залежно від способу збудження генератора можна дістати як стабільні, так і регульовані напруги.
Характеристики двигунів постійного струму виражають також залежність обертаючого моменту від сили струму в обмотці якоря (рис. 68) і частоти обертання від обертаючого моменту (рис. 69). Залежність частоти обертання від обертаючого моменту називають механічною характеристикою двигуна. Ці характеристики показують, що залежно від способу живлення обмотки збудження можна в широких межах регулювати як значення обертового моменту, так і частоту обертання двигуна постійного струму.
Рис. 67. Зовнішня характеристика генератора постійного струму:
а — з незалежним і паралельним збудженням; б — з послідовним збудженням; в — зі змішаним збудженням
Рис. 68. Залежність обертаючого моменту на валу електродвигуна постійного струму від сили струму в обмотці якоря:
а — з незалежним і паралельним збудженням; б — з послідовним збудженням; в — зі змішаним збудженням
Рис. 69. Механічна характеристика електродвигуна постійного струму:
а — з незалежним і паралельним збудженням; б — з послідовним збудженням; в — зі змішаним збудженням
4. Спеціальні машини постійного струму
Потреба в спеціальних машинах постійного струму виникла в основному в зв'язку з автоматизацією виробництва і розвитком електрифікованого транспорту.
Йшлося про генераторні датчики — мікромашини постійного струму, які застосовують для перетворення частоти обертання вала двигуна на електричний сигнал. Таку мікро-машину з незалежним збудженням, вмонтовану в тахометр, називають тахогенератором.
У системах автоматичного керування і регулювання застосовують виконавчі двигуни. Вони призначені для перетворення електричного сигналу на механічне переміщення, наприклад на обертання вала. Потужність виконавчих двигунів звичайно становить 500...600 Вт. Вони мають відповідати таким вимогам, як швидкодія, висока надійність, точність регулювання частоти обертання. Як виконавчі використовують двигуни постійного струму з друкованою обмоткою якоря. Якір виготовляють у вигляді тонкого диска з текстоліту, скла або іншого немагнітного матеріалу, на обидва боки якого друкованим способом наносять провідники обмотки якоря. Магнітне поле статора створюється постійними магнітами і підсилюється за допомогою кілець з феромагнітного матеріалу. Останнім часом застосовують також машини постійного струму з гладеньким якорем. У нього обмотка розміщена не в пазах, а безпосередньо на осерді. Ці машини мають поліпшені характеристики, які забезпечуються меншою індуктивністю обмотки якоря і підвищеною магнітною Індукцією в повітряному зазорі між якорем і статором.
В автоматичних системах звичайно потрібно підсилювати електричні сигнали. Для цього часто застосовують підсилювачі, у яких енергія перетворюється за допомогою електронних ламп або транзисторів. Поширені також електромашинні підсилювачі (ЕМП).
Такий підсилювач являє собою машину постійного струму, на обмотку збудження якої може подаватися сигнал, який треба підсилити. Підсилення досягається за рахунок використання енергії первинного двигуна, як правило, електричного. За допомогою електромашинних підсилювачів потужність сигналу підсилюється в 104—105 разів.
На електрифікованому транспорті застосовують тягові електричні двигуни. Звичайно це двигуни постійного струму з послідовним збудженням. Проте умови роботи їх відрізняються від умов роботи електричних двигунів, які використовують у стаціонарних установках. Тягові двигуни працюють в умовах частого пуску, різних змін напруги, сили струму, частоти обертання. Отже, тягові двигуни повинні мати великий пусковий обертовий момент (забезпечується завдяки послідовному збудженню) і можливість регулювання в широких межах частоти обертання. Усе це зумовлює особливості конструкції тягових двигунів на відміну від електричних машин загального призначення.
