Stroje na stejnosměrný proud. Elektromotory a generátory.

Kolektorové stroje jsou v podstatě stejnosměrné stroje. Vyrábějí se s výkonem od zlomků wattu až po desítky tisíc kilowattů. Střídavé komutátorové stroje se používají jako hnací motory pouze pro úzký okruh speciálních nízkopříkonových mechanismů, například jako pohony některých domácích spotřebičů, elektrického ručního nářadí, lékařské techniky, tedy v případech, kdy jednofázové a méně často třífázové se používají k napájení motorů střídavým proudem a vlastnosti asynchronních strojů nesplňují požadavky na pohonný mechanismus.
Stejnosměrné komutátorové stroje se používají jako motory i jako generátory. Motory jsou běžnější v průmyslu, což je vysvětleno rostoucím používáním různých statických usměrňovačů zásobujících průmyslová zařízení stejnosměrnou energií.
Široké použití stejnosměrných elektromotorů, i přes jejich vyšší cenu a provozní náročnost ve srovnání s asynchronními motory, je vysvětlováno především jednoduchými a spolehlivými způsoby regulace otáček, vyššími rozběhovými momenty a přetížitelností než u střídavých motorů. Stejnosměrné motory jsou nejrozšířenější v pohonech, které vyžadují hlubokou regulaci otáček (hutní průmysl, doprava atd.).

2. Základní konstrukční prvky stejnosměrných strojů^

Rýže. 1. DC motor řady 2P:
1 – tachogenerátor; 2 – traverz; 3 – sběrač; 4 – lůžko; 5 – kotva; 6 – hlavní pól; 7 – přídavný pól;

Hlavními konstrukčními prvky stejnosměrných strojů (obr. 1) jsou rám s na něm upevněnými hlavními a přídavnými póly, otočná kotva s vinutím a komutátorem a kartáčový aparát. U strojů s nízkým a středním výkonem slouží rám současně jako tělo, ke kterému jsou připevněny nohy pro instalaci stroje, a jako součást magnetického obvodu. Magnetický tok je podél něj uzavřen. U většiny strojů je rám vyroben z masivních ocelových trubek nebo svařen z plechů konstrukční oceli. U řady strojů je rám laminován.
Hlavní a přídavné póly jsou připevněny k vnitřnímu povrchu rámu. Jádra hlavních pólů jsou masivní nebo z ocelových plechů tloušťky 1 – 2 mm. Jádra přídavných pólů jsou zpravidla masivní. Hlavní póly obsahují vinutí pole; jejich MDS vytváří pracovní tok stroje. K zajištění běžného spínání slouží vinutí přídavných pólů umístěných podél příčných os stroje.
Magnetický obvod kotvy je vyroben z plechů z elektrooceli. U strojů s nízkým výkonem je jádro kotvy nasazeno přímo na hřídel s perem a v axiálním směru je upevněno nákružkem hřídele a prstencovým perem. Na koncích kotvy, aby se zabránilo chmýří plechu během provozu, jsou instalovány tlakové myčky kombinované s držáky vinutí.
Vinutí kotvy je dvouvrstvé. U strojů s výkonem do 15 – 20 kW jsou vyrobeny z kruhového drátu a uloženy v polouzavřených drážkách. V drážkových částech je vinutí upevněno drážkovými klíny, v předních částech – páskami ze skleněné pásky nebo nemagnetického ocelového drátu, které je přitlačují k držákům vinutí. U vysoce výkonných strojů jsou cívky vinutí kotvy navinuty z pravoúhlého drátu a umístěny do otevřených štěrbin. Upevnění vinutí je buď stejné jako u strojů s malým výkonem, tedy klíny ve štěrbině a pásy v přední části, nebo páskami jak v štěrbině, tak v přední části. Konce přívodů každé sekce vinutí jsou připájeny do štěrbin kolektorových desek.
Sběrné potrubí ve většině vozidel pro všeobecné použití je válcové. Koncové sběrače se používají pouze u některých málo výkonných speciálních strojů. U všech válcových kolektorů mají desky klínovitý tvar s úhlem sklonu, ve kterém desky, sestavené do prstence, k sobě svými bočními plochami těsně přiléhají a upínají mikanitovou izolaci (obr. 2). Nejrozšířenější jsou kolektory, ve kterých jsou desky drženy ve stlačeném stavu kovovými přítlačnými kužely (obr. 3) nebo zalisováním do plastu (obr. 4).

Rýže. 2. Umístění kolektorových desek ve válcových kolektorech:
1 — kolektorové desky; 2 – izolace mezi deskami; P je tlaková síla tlakových kuželů; P, je síla tahu oblouku

U rozdělovačů s tlakovými kužely jsou desky zajištěny pohybem předního tlakového kužele po sběrné objímce. Tím se vytvoří tlak na spodní část rybiny desek a vytvoří se obloukový tah (obr. 2). Takové kolektory se nazývají obloukové. Kolektorové desky s izolačními těsněními umístěnými mezi nimi tvoří monolitický prstenec. Tlakové kužely jsou od desek izolovány mikanitovými těsněními – manžetami, které mají větší mechanickou pevnost.

Rýže. 3. Rozdělovač s tlakovými kužely:
1 — přední tlakový kužel; 2 — kolektorové desky; 3 — sběrná průchodka; 4 — izolační manžeta; 5 – zadní tlakový kužel

Plastové kolektory jsou jednodušší na výrobu, ale pro jejich nižší mechanickou pevnost a spolehlivost se nepoužívají ve strojích s vysokým výkonem.
U některých rychloběžných strojů, např. u budičů turbogenerátorů, je vzhledem k velkým odstředivým silám působícím na kolektorové desky nedostatečná pevnost jejich upevnění rybinami a kolektorové desky jsou k pouzdru připevněny pomocí vnějších páskovacích kroužků (obr. 5).

Rýže. 5. Základní provedení rozdělovače s obvazovými kroužky:
1 – izolace pod obvazovými kroužky; 2 — obvazové kroužky; 3 — kolektorové desky; 4 — sběrná průchodka

Kartáče komutátorových strojů jsou instalovány v kartáčových držácích namontovaných na kartáčových prstech a na každý kartáčový prst může být instalováno několik kartáčových držáků a kartáčů spojených navzájem paralelně. Počet kartáčů a jejich velikosti jsou určeny jmenovitým proudem stroje. Počet prstů kartáče se musí rovnat počtu pólů stroje. Motory s vlnitým vinutím na kotvě při nedostatku místa pro instalaci celé sady kartáčových prstů umožňují instalaci neúplného počtu kartáčových prstů, což se používá u některých konstrukcí trakčních motorů. Kartáčové prsty jsou uloženy na traverze, která umožňuje otáčení pod určitým úhlem kolem osy stroje pro nastavení polohy kartáčů na komutátoru.
V posledních letech se rozšířily bezkomutátorové stejnosměrné motory, u kterých je mechanický měnič proudu – komutátor s kartáčovým aparátem – nahrazen ventilovým komutátorem. Ventilové motory mají široký rozsah regulace otáček a nemají nevýhody spojené s funkcí kluzných kontaktů komutátor-kartáč, charakteristických pro stejnosměrné komutátorové stroje.

3. Charakteristika stejnosměrných strojů.
Stejnosměrné stroje jsou podle svých charakteristik určeny systémem buzení: nezávislým, paralelním, sériovým nebo smíšeným.

U nezávislého budícího systému je budicí vinutí napájeno z externího zdroje stejnosměrného proudu a budící proud nezávisí na provozním režimu a zatížení stroje. Generátory s nezávislým systémem buzení umožňují regulaci napětí od téměř nuly po jmenovité. Změna napětí s rostoucí zátěží je určena pouze demagnetizačním účinkem reakce kotvy a nárůstem úbytku napětí na odporu obvodu kotvy.
Proud paralelního budícího vinutí samobuzených generátorů se mění v závislosti na napětí na svorkách generátoru a s rostoucí zátěží klesá v důsledku demagnetizačního účinku reakce kotvy, což zase vede k dodatečnému zvýšení úbytku napětí. Díky tomu je jmenovitý úbytek napětí u generátorů s paralelním buzením větší než u generátorů s nezávislým buzením.
U generátorů se systémem smíšeného buzení se při souhlasném zapnutí paralelního a sériového vinutí stabilizuje tok, protože demagnetizační účinek reakce kotvy je kompenzován změnou MMF sériového vinutí, úměrnou zatížení proud. Sériové vinutí takových strojů se nazývá stabilizační. Jmenovitý úbytek napětí generátorů se stabilizačním vinutím je malý. Některé generátory jsou vyráběny se stabilizačním vinutím, které zajišťuje rovnost 7NOM = (7X|X (kde 1/X]X je napětí naprázdno).

Když jsou paralelní a sériové budicí vinutí zapojeny v opačných směrech, napětí na svorkách generátoru prudce klesá s rostoucím zatěžovacím proudem. Takové budicí systémy se používají ve stejnosměrných svařovacích generátorech.
U motorů s paralelním buzením může demagnetizační účinek reakce kotvy způsobit nestabilní provoz, protože pokles toku s rostoucí zátěží v důsledku působení reakce kotvy s nízkým celkovým odporem obvodu kotvy vede ke zvýšení otáček motoru . Ve většině motorů středního a ve všech motorech vysokého výkonu je proto kromě paralelního vinutí instalováno sériové budicí vinutí, které stabilizuje magnetický tok a dodává stabilitu mechanickým charakteristikám (obr. 7, a).

Rýže. 7. Mechanické vlastnosti stejnosměrných motorů:
a – smíšené buzení; b – sekvenční buzení

Mechanické charakteristiky motorů se sekvenčním buzením (obr. 7,b) mají specifický „pádový“ charakter. Motory se sériovým buzením se používají v pohonech, které vyžadují velké rozběhové momenty a stabilní provoz při nízkých otáčkách.

4. Regulace otáček stejnosměrných strojů.

Rychlost motoru při konstantní zátěži lze měnit regulací napájecího napětí U, zapojením přídavného nastavovacího odporu do série s kotvou a změnou magnetického toku stroje (změna budícího proudu). V praxi se používají všechny tři způsoby regulace.
Regulace rychlosti otáčení změnou dodávaného napětí naráží na potíže spojené se složitostí převodu stejnosměrného napětí. K tomuto účelu se používají buď statické měniče napětí, nebo je motor napájen ze samostatného DC generátor, umožňující plynulou regulaci napětí (systém generátor-motor). Takové systémy se používají pouze pro určité speciální pohony, které vyžadují řízení otáček podle složitého programu, například pro hlavní motory válcoven.
Regulace rychlosti otáčení průtokem je nejekonomičtější způsob, protože ztráty v řídicích rezistorech, zapojených do série s budicím vinutím pro tento účel, jsou malé kvůli nízkému budícímu proudu.
Tato metoda však umožňuje pouze zvýšit otáčky motoru oproti jmenovitým. Tento způsob ovládání je poskytován pro všechny seriály stejnosměrné motory.
Zařazení přídavného odporu do obvodu kotvy umožňuje plynule regulovat rychlost otáčení, ale je spojeno s velkými ztrátami v regulačním reostatu, kterým prochází proud plného zatížení. Tato metoda se používá například pro regulaci rychlosti otáčení trakčních motorů.
V moderních systémech regulace rychlosti otáčení stejnosměrných motorů se používají tyristorové obvody, které umožňují regulovat rychlost otáčení v širokém rozsahu podle daného programu. Snímače otáček pro poskytování zpětné vazby při regulaci mohou být tachogenerátory, umístěný na hřídeli kotvy motoru (obr. 1).

5. Spínání stejnosměrných strojů

Ke spínání stejnosměrných strojů, tedy ke změně směru proudu v sekcích vinutí kotvy při pohybu sekcí z jednoho pólového dělení na druhé, dochází při jejich krátkém zkratování kartáči na deskách komutátoru. Při komutaci vzniká ve zkratovaných úsecích reaktivní emf a rotační emf, indukované reakčním tokem kotvy, jehož magnetické siločáry pronikají do sekcí uzavřených během komutace. Když se komutátor pohne, v okamžiku, kdy se deska komutátoru oddálí od kartáče, který tuto sekci uzavírá, se obvod (uzavřená sekce) s indukčním odporem přeruší a mezi oběžnou hranou kartáče a deskou komutátoru dojde k jiskření. Pokud je komutace špatná, jiskření může být významné a může vést k místnímu poškození komutátoru, což zase zhoršuje přechodový kontakt kartáč-komutátor a zvyšuje jiskření. Kvalita spínání stejnosměrného stroje se posuzuje podle intenzity jiskření na kolektoru (tab. 1).
Chcete-li zlepšit přepínání ve všech DC strojeKromě strojů s malým výkonem jsou instalovány přídavné póly, jejichž MMF kompenzuje MMF reakce kotvy podél příčné osy stroje, tedy v oblasti, kde jsou umístěny spínané sekce. Kromě toho tok vytvořený vinutím přídavných pólů indukuje EMF v uzavřených sekcích během spínání, které je o něco vyšší než reaktivní EMF sekcí a směřuje k němu. Za těchto podmínek se komutace stroje stává lineární nebo dokonce zrychlenou. Napětí pod oběžnou hranou kartáčů klesá na velmi malé hodnoty a jiskření pod kartáči není pro provoz stroje nebezpečné.
U velkých stejnosměrných strojů je kromě přídavných pólů v drážkách na hrotech hlavních pólů umístěno kompenzační vinutí. Kompenzační vinutí je navrženo tak, aby kompenzovalo vliv reakce kotvy na tok buzení podél podélné osy. Snížení vlivu reakce kotvy umožňuje konstruovat stroje se zmenšenou vzduchovou mezerou a zlepšit jejich komutaci.

Tabulka 1. Posouzení stupně jiskření pod oběžnou hranou kartáčů podle GOST 183-74