1 Тарау. Электрмеханика

1.1 Тұрақты тоқ электр машинелері

1.1.1 Тұрақты тоқ электр машинелерінің міндеті мен қолдану аймағы. Тұрақты тоқ машинелері өзара қайтымды электрлі техникалық құрылғы. Олар ешқандай құрылыстық өзгерістерге түспей-ақ генератор немесе қозғалтқыш ретінде істей алады. Тұрақты тоқ генераторлары, әдетте шағын қуатты электр энергиясының желілік көзі ретінде, мысалы: синхронды генераторлардың қоздыру орамаларын қоректендіруге қолданылады. Генератор құрылысында электр энергиясын алатын щеткалы-түйіспелі құрылғының болуы оның, қуаты мен кернеуінің шамаларына шектеу қояды. Сондықтан электр энергиясын өнеркәсіптік өндіру синхронды генераторлар арқылы атқарылады. Олардың қуаттылығын теория жүзінде шексіз етіп жасауға болады. Тұрақты тоқ қозғалтқыштары, негізінде айналу жылдамдығын кең ауқымда ақырындап реттеу мүмкіндігі болғандықтан, біртіндеп өзгертуді қамтамасыз ететін электр жетектерінде, сондай-ақ арнайы құрылыстағы есептеу және басқару машинелеріне қолданатын шағын жүргізгіштер ретінде қолданады.

1.1 – сурет. Тұрақты ток машинесі бөлшектенген күйде: а-статор; в-ротор (якорь) коллекторымен; с-айгөлек қалқаны; d-щетка құрылғысы; е-щеткі.

Ауылшаруашылығы өндірісінде тұрақты тоқ машинелері іс жүзінде қолданылмайды десе де болады. Сырғымалы щеткелі түйіспелі тетіктері ауылшаруашылығының ылғалды және шаңды орталарда (сиыр, шошқа, тауық) және т.б. орындарда олардың қарқынды қажалуына соқтырады. Мұндай жағдайларда тұрақты тоқ қозғалтқыштары трамвайларда және басқа да көлік түрлерінде де кең қолданыс тапты, олардың айналу жылдамдығын бояу, үнемді, кең ауқымда реттеу мен орнынан қозғалу кезінде жұмысқа қосу моменттерінің жоғарылығы, оларды кеңінен пайдалануға мүмкіндік береді. Тұрақты тоқ қозғалтқыштарының жүргізу моменті кішкене айналым жиілігін реттеу шегі мейілінше аз асинхронды қозғалтқыштарға қарағанда, зор артықшылығы олардың реттелетін электр жетекте теңдесі жоқ етеді.

Тұрақты тоқ генераторы мен қозғалтқышы құрылымдық тұрғыдан бірдей машинелер болғандықтан құрылыстарын бірге жұмыс жасау принциптерін жеке-жеке қарауға болады. Тұрақты тоқ машинесі статор жармасынан (статина), якорьден (статор), негізгі және қосалқы полюстерден, коллектордан, щетка құрылғысынан, полюс ұштамаларынан, якорь орамасынан қоздыру орамасынан және т.б. құрылғы көмекші арналымды бөлшектерінен тұрады. Мәшине құрылысының негізгі элементтері 1.1. суреттерінде көрсетілген.

1.1.2. Тұрақты тоқ мәшинелерімен механикалық энергияны электр энергиясына, электр энергиясын механикалық энергияға айналдырудың электрфизикалық процесстері. Механикалық энергияны электр энергиясына айналдыратын тұрақты тоқ мәшинесімен механикалық энергияға айналдыру процессі өзара қайтымды процесстер.

1.1.3. Айналып тұрған біліктің механикалық энергиясын тұрақты тоқ генераторымен электр энергиясына айналдырудың электрфизикалық процессі. Тұрақты тоқ генераторы, механикалық энергияны электр энергиясына айналдыру процессінде пайда болатын ЭҚКі тұрақты энергиясының көзі болып табылады. Генератор якорін басқа механикалық энергияның көзінен айналдырғанда, оның орамасындағы негізгі полюстерің бірін бірі қиып өтетін индукция заңы бойынша, синусойдалы өзгеретін магнит өрісі индукцияланады е=-wdФ/dt. Егер, бірінші жуықтауда магнит ағынының генератордың ауа саңылауындағы қашықтықта таралуын тік бұрышты деп санап және оны Фурьенің геометриялық қатарына жектесек,

деп негізгі горманикамен шектелсек, онда болады.

болғандықтан, онда мұнда

Е_m=(рN/60а) nФ (1.1)

Коллектор қаңылтырларының саны көп болғанда, якорь орамасында индукцияланған айнымалы синусойдалы ЭҚК соғуы шамалы тұрақтыға тең деп есептеп, оны елемеуге болады. Тоқ алушы қысқыштарындағы

ЭҚК Е=Е_m=С_еnФ₁ (1.2)

мұндағы n- ротордың айналу жылдамдығы айн/мин; Ф-полюстердің қоздыру орамалары туғызған пайдалы магнит ағыны, В_δ; С_е-мәшиненің құрылыстық өлшемдеріне тәуелді пропорцианалдық коэффициент:

С_е=pN/60а (1.3)

мұндағы, р-негізгі полюстердің жұп саны; N-якорь орамасы өткізгіштерінің саны; а-генератор якорі орамасындағы параллель тармақ жұптарының саны. Тұрақты тоқтың электрмеханикалық генераторы, нақты айтқанда, соғу санының шамасы коллектор қаңылтырының санына тәуелді болатын соққылы ЭҚКтің көзі. Коллектор қаңылтырының саны неғұрлым көп болса, электрлімеханикалық генератордың түзетілген ЭҚКнің соғуы соғұрлым аз және соғұрлым оның тұрақты тоқтың электрліхимиялық көзінен пайда болған ЭҚКтен айырмашылығы аз болады. Мысалы: аккумлятор батареясы. Электрлік жүктемеге қосқанда якорь орамасында Ом заңына толық сәйкес, тоқ пайда болады және оның орамасындағы кернеу І_я R_яға тең мөлшерде азаяды. Щеткалы тоқ алатындағыда кернеудің тұрақтануы мынаған тең:

U=E-І_я R_я (1.4)

Бұл тепе-теңдік тұрақты тоқ генераторының электрлік тепе-теңдік теңдеуі болады.

1.1.4. Тұрақты тоқ қозғалтқышының электр энергиясын білікті айналдыратын механикалық энергияға айналдыруы. Тұрақты тоқ қозғалтқыштары білікті айналдыратын механикалық энергияның көзі, оны қозғалтқыштардың тұрақты тоқ желісінен тұтынған электр энергиясын механикалық энергияға айналдырып онымен қоса, негізгі полюстердің магнит энергияларын пайдалану арқылы алады. Электр энергиясын механикалық энергияға айналдыру былай іске асырылады. Якорь орамасы мен полюстердің қоздыру орамалары, щеткі тетігі арқылы тұрақты ЭҚК көзіне қосылады. Якорь орамалары мен негізгі полюстердің магнит өрістері, өзара әсерлесуі қорытындылаушы магнит өрісін диогоналдық симметриясыздыққа келтіреді және электрмагниттік момент пайда болуына әкеледі. Ол мынаған тең:

М=C_м І_я R_я (1.5)

мұндағы І_я- якорьдің магнит өрісін туғызушы якорь тоғы А; Ф-негізгі полюстердің магнит ағыны, В_δ; С_м – мәшиненің құрылыстық өлшемдеріне тәуелді пропорцианалдық коэффиценті:

(1.6)

Электромагниттік момент полюстермен якорға бірдей әсер етеді де полюстер қаңқаға айгөлек арқылы білікке мықтап бекітілгендіктен, якорь айналады. Сонымен тұрақты тоқ желісінен тұтынылған электр энергиясы полюстердің магнит өрістерінің әсерлі өсуінен қозғалтқыш білігін айналдыратын механикалық энергияға айналады. Тұрақты тоқ қозғалтқышының электрлік тепе-теңдік теңдеуі, тұрақты тоқ генераторының электрлік тепе-теңдігі сияқты болады, айырмасы жалғанған электр энергиясы (желі кернеуіне пропорцианал) қозғалтқыш білігінде өрістейтін механикалық энергиядан (якорь ЭҚКіне пропорционал) электр шығындары шамасындай артық болуы тиіс. Демек:

U = E +І_я łR_я (1.7)

1.1.5. Тұрақты тоқ қозғалтқыштары. Электр қозғалтқыштарының қоздырғыштары, жалпы алғанда, сол генераторлардың қоздырғыш жүйесі сияқты. Қозғалтқыштардың ең көп тарағандары да параллель, тізбектей және аралас қоздырғыштары барлар. Қозғалтқыштардың барлық түрлерінің де жұмыс тәртібін талдағанда, электрлік тепе-теңдік теңдеулеріне жылдамдық және механикалық сипаттамаларына сүйенеді.

1.1.6. Тұрақты тоқ қозғалтқыштарының электрлік тепе-теңдік теңдеулері. Тұрақты тоқ қозғалтқыштарының тұрақталған жұмыс кездегі электрлік процесстері, оның электрлік тепе-теңдік теңдеуімен сипатталады. Якорь орамасына берілген кернеу тұтынатын электр энергиясына пропорцианал, механикалық энергияға айналған пропорционал ЭҚК - тен, якорь тізбегіндегі гистерезис құбылысын, құйынды тоқтарды, щеткі түйіспелері мен механикалық үйкелістерді ескере отырып, кедергілердің әсерінен энергияның шығынына пропорцианал шамада артық болуы тиіс. Оны математика тілінде былай жазуға болады:

U=E_я-І_яR_я (1.8)

1.1.7. Тұрақты тоқ қозғалтқы қуатының энергетикалық теңдігі. Қоздырғыштың желіден тұтынған электр энергиясын, якорь білігін айналдыратын механикалық энергияға айналдыру процессі электрлік, магниттік және механикалық шығындармен байланысты. Қозғалтқыштың білігіндегі механикалық қуат Р₂ желіден тұтынған электрэнергиясынан қозғалтқыштардың өзінде болатын барлық шығындардың шамасындай аз:

Р₂=Р₁-Р (1.9)

мұндағы Р₁- қозғалтқыштың желіден тұтынған электр қуаты:

Р₁=UІ (1.10)

Р-электрлік, магниттік, механикалық және қосымша шығындар қосындысы. Ол шығындар мыналардан тұрады:

• якорь орамасындағы электр шығыны (Р_я);

• қоздыру орамаларындағы электр шығындары (Р_в);

• щеткі мен түйіспелі құрылғыларындағы электр шығыны (Р_щ);

• магнит өткізгіш болаттарындағы электр шығына (Р_с);

• желдеткіштегі айгөлектің және щеткінің коллектор бетіне үйкелуінен болатын механикалық шығындар (Р_мех);

• магнит өрісінің тістерінде соғуынан шашырау тасқындарынан және басқа да себептерден болатын қосымша шығындар (Р_қос)

Р = Р_я+Р_қ+Р_щ+Р_с+Р_мех+Р_қос (1.11)

мұндағы

Р_я=І_я² R_я; (1.12)

Р_қ=І_я² R_сов + І_қ² R_шов; (1.13)

Р_щ=U_щ І_я = 2(0,3…1,1) І_я; (1.14)

Р_с=P(1/150) (ƒ/50)^β В² G (1.15)

мұнда Р (1/50)-болаттың, В-1Тл және ƒ=50Гц (анықтамалық мағлұмат) болған кездегі салыстырма шығындары; ƒ-магнит өткізгіштің есептелген бөлігінде болаттың қайта магниттену жиілігі Гц; β=(1,2…1,5)-электрлік болаттың сортына байланысты коэффицент; В-мәшиненің сәйкес бөлшегінің есепті индукциясы, Тл; G-қарастырылып отырған бөліктің массасы, кг. Механикалық және қосалқы шығындарды анықтау өте қиын, сондықтан оларды қосымша шығындармен біріктіріп мынадай өрнекпен (есептелген) анықтауға болады:

Р_қос= (0,012..0,008) Р₁ (1.16)

Пайдалы әсер коэффиценті мына өрнекпен есептеледі:

η=Р₂/Р₁ =(1- ΣР) / Р₁ (1.17)