Рухавік пастаяннага току: прынцып дзеяння. Рухавік пастаяннага току: прылада

Першай з усіх вынайдзеных ў 19 стагоддзі верцяцца Электрамашына з'яўляецца рухавік пастаяннага току. Прынцып дзеяння яго вядомы з сярэдзіны мінулага стагоддзя, і да цяперашняга часу рухавікі пастаяннага току (ДПТ) працягваюць верна служыць чалавеку, прыводзячы ў рух мноства карысных машын і механізмаў.

Першыя ДПТ

Пачынаючы з 30-х гадоў 19 стагоддзя ў сваім развіцці яны прайшлі некалькі этапаў. Справа ў тым, што да з'яўлення ў канцы пазамінулага стагоддзя машынных генератараў пераменнага току адзінай крыніцай электраэнергіі быў гальванічны элемент. Таму ўсе першыя электрарухавікі маглі працаваць толькі на пастаянным токе.

Якім жа быў першы рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння і прылада рухавікоў, якія будаваліся ў першай палове 19 стагоддзя, з'яўляўся наступным. Явнополюсный індуктар ўяўляў сабой набор нерухомых сталых магнітаў або цэласных электрамагнітаў, якія не мелі агульнай замкнёнага магнитопровода. Явнополюсный якар ўтваралі некалькі асобных цэласных электрамагнітаў на агульнай восі, прыводных ў кручэнне сіламі адштурхвання і прыцягнення да канцавоссяў індуктара. Тыповымі іх прадстаўнікамі з'яўляліся рухавікі У. Рычы (1833) і Б. Якобі (1834), абсталяваныя механічнымі камутатарамі току ў электрамагнітах якарах з рухомымі кантактамі ў ланцугі абмоткі якара.

Як працаваў рухавік Якобі

Які ж быў у гэтай машыны прынцып дзеяння? Рухавік пастаяннага току Якобі і яго аналогі валодалі пульсавалым электрамагнітным момантам. На працягу часу збліжэння рознаіменных палюсоў якара і індуктара пад дзеяннем магнітнай сілы прыцягнення момант рухавіка хутка дасягаў максімуму. Затым, пры размяшчэнні палюсоў якара насупраць палюсоў індуктара, механічны камутатар перапыняў ток у электрамагнітах якара. Момант падаў да нуля. За кошт інэрцыі якара і прыводнага ў рух механізму канцавоссі якара выходзілі з-пад палюсоў індуктара, у гэты момант у іх ад камутатара падаваўся ток процілеглага кірунку, іх палярнасць таксама змянялася на процілеглы, а сіла прыцягнення да бліжэйшага канцавосся індуктара змянялася на сілу адштурхвання. Такім чынам, рухавік Якобі круціўся паслядоўнымі штуршкамі.

З'яўляецца кальцавой якар

У цэласных электрамагнітах якара рухавіка Якобі ток перыядычна выключаўся, якое ствараецца імі магнітнае поле знікала, а яго энергія ператваралася ў цеплавыя страты ў абмотках. Такім чынам, электрамеханічнае пераўтварэнне электраэнергіі крыніцы току якара (гальванічнага элемента) у механічную адбывалася ў ім з перапынкамі. Патрэбен быў рухавік з бесперапыннай замкнёнай абмоткай, ток у якой працякаў бы пастаянна на працягу ўсяго часу яго працы.

І такі fuhtufn быў створаны ў 1860 годзе А. Пачинотти. Чым жа адрозніваўся ад папярэднікаў яго рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння і прылада рухавіка Пачинотти наступныя. У якасці якара ён выкарыстаў сталёвае кальцо са спіцамі, замацаванае на вертыкальным вале. Пры гэтым якар не меў відавочна выяўленых палюсоў. Ён стаў неявнополюсным.

Паміж спіцамі кольцы былі накручаны шпулькі абмоткі якара, канцы якіх злучаліся паслядоўна на самай якары, а ад кропак злучэння кожных двух шпулек былі зробленыя отпайки, далучаныя да пласцін калектара, размешчаным уздоўж акружнасці ўнізе вала рухавіка, колькасць якіх раўнялася ліку шпулек. Уся абмотка якара была замкнёная сама на сябе, а паслядоўныя кропкі злучэння яе шпулек далучаліся да суседніх пласцінам калектара, па якіх слізгала пара токоподводящих ролікаў.

Кальцавой якар быў змешчаны паміж полюсамі двух нерухомых электрамагнітаў індуктара-статара, так што сілавыя лініі ствараемага імі магнітнага поля ўзбуджэння ўваходзілі ў вонкавую цыліндрычную паверхню якара рухавіка пад паўночным полюсам ўзбуджэння, праходзілі па колцавым якару, ня перамяшчаючыся ва ўнутранае яго адтуліну, і выходзілі вонкі пад паўднёвым полюсам.

Як працаваў рухавік Пачинотти

Які ж у яго быў прынцып дзеяння? Рухавік пастаяннага току Пачинотти працаваў сапраўды гэтак жа, як і сучасныя ДПТ.

У магнітным полі полюса індуктара з дадзенай палярнасцю заўсёды знаходзілася вызначаны лік правадыроў абмоткі якара з токам нязменнага напрамкі, прычым кірунак току якара пад рознымі полюсамі індуктара было процілеглым. Гэта дасягалася размяшчэннем токоподводящих ролікаў, якія граюць ролю шчотак, у прасторы паміж полюсамі індуктара. Таму імгненны ток якара якая ўпадае ў абмотку праз ролік, пласціну калектара і далучаную да яе отпайку, якая таксама знаходзілася ў прасторы паміж полюсамі, далей працякаў ў процілеглых кірунках па двух полуобмоткам-галінаў, і нарэшце выцякаў праз отпайку, пласціну калектара і ролік ў іншым межполюсном прамежку. Пры гэтым самі шпулькі якара пад канцавоссямі індуктара мяняліся, але кірунак току ў іх заставалася нязменным.

Па законе Ампера, на кожны правадыр шпулькі якара з токам, які знаходзіцца ў магнітным полі полюса індуктара, дзейнічала сіла, кірунак якой вызначаецца па вядомым правілу «левай рукі». Адносна восі рухавіка гэтая сіла стварала які круціць момант, а сума момантаў ад усіх такіх сіл дае сумарны момант ДПТ, які ўжо пры некалькіх пласцінах калектара з'яўляецца амаль сталым.

ДПТ з кальцавым якарам і граммовской абмоткай

Як гэта часта здаралася ў гісторыі навукі і тэхнікі, вынаходніцтва А. Пачинотти не знайшло прымянення. Яно было на 10 гадоў забыта, пакуль ў 1870 годзе яго незалежна ня паўтарыў франка-нямецкі вынаходнік З. Грам у аналагічнай канструкцыі генератара пастаяннага току. У гэтых машынах вось кручэння ўжо была гарызантальнай, выкарыстоўваліся вугальныя шчоткі, слізгальныя па пласцінам калектара амаль сучаснай канструкцыі. Да 70-м гадам 19 стагоддзя прынцып зварачальнасці Электрамашына стаў ужо добра вядомы, а машына Грама выкарыстоўвалася як генератар і рухавік пастаяннага току. Прынцып дзеяння яго ўжо апісаны вышэй.

Нягледзячы на тое, што вынаходніцтва кальцавога якара было важным крокам у развіцці ДПТ, яго абмотка (названая граммовской) мела істотны недахоп. У магнітным полі палюсоў індуктара знаходзіліся толькі тыя яе правадыры (званыя актыўнымі), якія ляжалі пад гэтымі полюсамі на вонкавай цыліндрычнай паверхні якара. Менавіта да іх былі прыкладзеныя магнітныя сілы Ампера, якія ствараюць які круціць момант адносна восі рухавіка. Тыя ж неактыўныя праваднікі, што праходзілі праз адтуліну кальцавога якара, не ўдзельнічалі ў стварэнні моманту. Яны толькі бескарысна рассейвалі электраэнергію ў выглядзе цеплавых страт.

Ад кальцавога якара да барабаннаму

Ліквідаваць гэты недахоп кальцавога якара ўдалося ў 1873 годзе вядомаму нямецкаму электратэхніку Ф. Гефнер-Альтенеку. Як жа функцыянаваў яго рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння, прылада яго індуктара-статара такія ж, як у рухавіка з кальцавой абмоткай. А вось канструкцыя якара і яго абмотка змяніліся.

Гефнер-Альтенек звярнуў увагу, што кірунак току якара, вынікаючага з нерухомых шчотак, у правадырах граммовской абмоткі пад суседнімі полюсамі ўзбуджэння заўсёды процілегла, г.зн. іх можна ўключыць у склад віткоў размешчанай на вонкавай цыліндрычнай паверхні шпулькі з шырынёй (крокам), роўным полюсный дзялення (часткі акружнасці якара, што прыпадае на адзін полюс ўзбуджэння).

У гэтым выпадку становіцца непатрэбным адтуліну ў кальцавым якара, і ён ператвараецца ў суцэльны цыліндр (барабан). Такая абмотка і сам якар атрымалі найменне барабанных. Выдатак медзі ў ёй пры аднолькавым ліку актыўных правадыроў значна менш, чым у граммовской абмотцы.

Якар становіцца зубчастым

У машынах Грама і Гефнер-Альтенека паверхню якара была гладкай, а праваднікі яго абмоткі размяшчаліся ў зазоры паміж ім і полюсамі індуктара. Пры гэтым адлегласць паміж ўвагнутай цыліндрычнай паверхняй полюса ўзбуджэння і выпуклай паверхняй якара дасягала некалькіх міліметраў. Таму для стварэння патрэбнай велічыні магнітнага поля патрабавалася ўжываць шпулькі ўзбуджэння з вялікай магнитодвижущей сілай (з вялікім лікам віткоў). Гэта істотна павялічвала габарыты і вага рухавікоў. Акрамя таго, на гладкай паверхні якара яго шпулькі было цяжка мацаваць. Але як жа быць? Бо для дзеяння на праваднік з токам сілы Ампера ён павінен знаходзіцца ў кропках прасторы з вялікай велічынёй магнітнага поля (з вялікай магнітнай індукцыяй).

Аказалася, што гэта не з'яўляецца неабходным. Амерыканскі вынаходнік кулямёта Х. Максім паказаў, што калі выканаць барабанны якар зубчастым, а ў якія ўтварыліся паміж зубцамі пазы змясціць шпулькі барабаннай абмоткі, то зазор паміж ім і полюсамі ўзбуджэння можна паменшыць да доляй міліметра. Гэта дазволіла істотна паменшыць памеры шпулек ўзбуджэння, але які круціць момант ДПТ ніколькі не паменшыўся.

Як жа функцыянуе такі рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння заснаваны на тым акалічнасці, што пры зубчатым якары магнітная сіла прыкладзеная няма да праваднікам ў яго пазах (магнітнае поле ў іх практычна адсутнічае), а да саміх зубцах. Пры гэтым наяўнасць току ў правадыру ў пазе мае вырашальнае значэнне для ўзнікнення гэтай сілы.

Як пазбавіліся ад віхравых токаў

Яшчэ адно найважнейшая ўдасканаленне унёс знакаміты вынаходнік Т. Эдиссон. Што ж дадаў ён у рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння застаўся нязменным, а вось матэрыял, з якога зроблены яго якар, змяніўся. Замест ранейшага масіўнага ён стаў шихтованным з тонкіх электрічным ізаляваных адзін ад аднаго сталёвых лістоў. Гэта дазволіла паменшыць велічыню віхравых токаў (токаў Фуко) у якары, што павялічыла ККД рухавіка.

Прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току

Коратка яго можна сфармуляваць так: пры падключэнні абмоткі якара узбуджанай рухавіка да крыніцы харчавання ў ёй узнікае вялікі ток, званы пускавым і які перавышае ў некалькі разоў яго намінальнае значэнне. Прычым пад канцавоссямі ўзбуджэння процілеглай палярнасці кірунак токаў у правадырах абмоткі якара так жа процілегла, як паказана на малюнку ніжэй. Згодна з правілу "левай рукі", на гэтыя праваднікі дзейнічаюць сілы Ампера, накіраваныя супраць гадзінны стрэлкі і ўцягвалі якар ў кручэнне. Пры гэтым у правадырах абмоткі якара наводзіцца электрарухаючая сіла (агідны-ЭРС), накіраваная сустрэчна напрузе крыніцы харчавання. Па меры разгону якара расце і агідны-ЭРС ў яго абмотцы. Адпаведна, ток якара памяншаецца ад пускавога да велічыні, якая адпавядае працоўнай кропцы на характарыстыцы рухавіка.

Каб павысіць хуткасць кручэння якара, трэба альбо павялічыць ток у яго абмотцы, альбо знізіць агідны-ЭРС ў ёй. Апошняга можна дамагчыся, паменшыўшы велічыню магнітнага поля ўзбуджэння шляхам зніжэння току ў абмотцы ўзбуджэння. Дадзены спосаб кіравання хуткасцю ДПТ атрымаў шырокае распаўсюджанне.

Прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току з незалежнай узрушанасцю

З далучэннем высноў абмоткі ўзбуджэння (ОВ) да асобнага крыніцы электрасілкавання (незалежная ОВ) звычайна выконваюцца магутныя ДПТ, каб было больш зручна рэгуляваць велічыню току ўзрушанасці (з мэтай змены хуткасці кручэння). Па сваіх уласцівасцях ДПТ з незалежнай ОВ практычна аналагічныя ДПТ з ОВ, паралельна падлучальнай да абмоткі якара.

Паралельнае ўзбуджэнне ДПТ

Прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току паралельнага ўзбуджэння вызначаецца яго механічнай характарыстыкай, г.зн. залежнасцю хуткасці кручэння ад нагрузачнага моманту на яго вале. Для такога рухавіка змена хуткасці пры пераходзе ад халастога кручэння да намінальнага моманту нагрузкі складае ад 2 да 10%. Такія механічныя характарыстыкі называюцца жорсткімі.

Такім чынам, прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току з паралельным узрушанасцю абумоўлівае яго прымяненне ў прывадах з пастаяннай хуткасцю кручэння пры вялікім дыяпазоне змены нагрузкі. Аднак ён шырока выкарыстоўваецца і ў рэгуляваным электрапрывадзе з зменнай хуткасцю кручэння. Пры гэтым для рэгулявання яго хуткасці можа прымяняцца змена як току якара, так і току ўзрушанасці.

Паслядоўнае ўзбуджэнне ДПТ

Прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току паслядоўнага ўзбуджэння, як і паралельнага, вызначаецца яго механічнай характарыстыкай, якая ў гэтым выпадку з'яўляецца мяккай, бо частата кручэння рухавіка значна вар'іруецца пры зменах нагрузкі. Дзе ж выгадней за ўсё ўжываць такі рухавік пастаяннага току? Прынцып дзеяння жд цягавага рухавіка, хуткасць якога павінна змяншацца пры пераадоленні складам уздымаў і вяртацца да намінальным пры руху па раўніне, цалкам адпавядае характарыстыкам ДПТ з ОВ, паслядоўна злучанай з абмоткай якара. Таму значная частка электравозаў ва ўсім свеце абсталявана такімі прыладамі.

Прынцып дзеяння рухавіка пастаяннага току з паслядоўным узрушанасцю рэалізуюць таксама цягавыя рухавікі пульсавалага току, якія ўяўляюць сабой, па сутнасці, тыя ж ДПТ з паслядоўнай ОВ, але спецыяльна сканструяваныя для працы з выпрастанай ўжо на борце электравоза токам, якія маюць значныя пульсацыі.