Тұрақты және айнымалы ток тахогенераторы

Қазақстан Республикасының  Білім және Ғылым министрлігі

Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия  ұлттық университеті

Физико-техникалық факультеті

Жүйелік талдау және басқару  кафедрасы

 

 

 

 

СӨЖ

 

Тақырыбы: Тұрақты және айнымалы ток тахогенераторы

 

 

 

Орындаған: АБ-23 топ Байзақов М. Б

Қабылдаған: Кишубаева А. Т

 

 

 

 

 

Астана 2013жыл

Тұрақты токтың тахогенераторы

   Өндірістің барлық салаларында да, тұрмыста да, негізінен, айнымалы ток қолданылады. Бірақ тұрақты токты пайдалану қажет болатын кездер де бар. Мысалы, теледидарды қоректендіруде, радиоқабылдағыштарда, электрқозғалтқыштарда, электролиз тәсілімен аса таза металдарды алуда және басқа да көптеген мақсаттарда тұрақты ток колданылады. Тұрақты ток айнымалы токты түзету арқылы немесе тұрақты токтың тахогенераторларынан алынады. 
   Тұрақты токтың тахогенераторлары айнымалы ток генераторлары сияқты жұмыс істейді. Бірақ бір айырмашылығы — тұрақты ток генераторларында коллектор деп аталатын қондырғы бар. Якорьдің ұштарын оңашаланған сақиналарға емес, изоляциялаушы материалмен бөлінген екі жарты сақинаға жалғайды. Олар ортақ бір цилиндрге кигізіліп, якорьмен бір осьтен айналады (2.22-сурет). Жарты сақиналарға жабысып тұрған щеткалар арқылы ток сыртқы тізбекке шығарылады. Рама әрбір жарты айналым жасаған сайын токтың бағыты қарама-қарсы бағытқа өзгереді. Ал, бірақ жарты сақиналарға дәнекерленген раманың ұштары әрбір жарты айналым сайын бір щеткадан екінші щеткаға ауысып отырады. Сонымен, рамадағы токтың бағыты өзгерген мезеттеколлектор оның ұштарын ауыстырып қосып отырады. Осының нәтижесінде щеткалардың бірі үнемі генератордың оң полюсі болса, екіншісі теріс полюсі болып табылады.

  Сыртқы тізбектегі ток өзінің бағытын өзгертпейді, бірақ оның шамасы периодты түрде нөлден максимумға дейін өзгеріп отырады. Мұны тура лүпілдеуші (пулъсациялық) ток деп атайды. Осыған сәйкес генератордың қысқыштарындағы кернеу де лүпілдеп өзгеріп отырады (2.23-сурет). Кернеудің мұндай өзгерістерін жаймалау үшін генератордың якорін бір-бірінен белгілі бір бұрышқа ығысып орналасқан бірнеше бөлімнен құрастырып жасайды. Соған сәйкес коллекторды да якорьмен ортақ осьтен айналатын цилиндрдің бетіне бекіткен бірнеше пластинадан жасайды. Якорьдің әрбір бөлімінің ұштарын әрбір пластина жұптарымен дәнекерлейді. Генератор якорінде туатын ЭҚК әрбір бөлімдегі ЭҚК-тің қосындысынан тұрады және фаза бойынша бір-бірінен ығысқан, сондықтан олар қосылған кезде лүпілдің (пульсация) жаймасы алынады.

 

   Тұрақты ток генераторы, керісінше, электрқозғалтқыш ретінде  де жұмыс істей алады. Ол  үшін генератор қысқыштарына  қандай да бір сыртқы ток  көзін қосу керек. Егер генератордың якорі мен индукторы арқылы ток өткізсе, якорь айнала бастайды. Якорьдің өзегін станокпен қосып, оны қозғалыска келтіруге болады. Бұл жағдайда генератор электр энергиясын механикалық энергияға айналдырып, электрқозғалтқыш ретінде жұмыс істейді. Магнит өрісінде тогы бар рамаға айналдырушы момент әсер ететіні бізге белгілі. Рама магнит өрісініңбағытына параллель жазықтықта жатқанда айналдырушы моменттің мәні максимал болады, ал рама магнит өрісіне перпендикуляр орналаскан кезде айналдырушы момент нөлге тең. Рама бұдан әрі айналғанда айналдырушы моменттің таңбасы өзгереді. Сондықтан, егер коллектор болмаса, әрбір жарты айналым сайын айналдырушы моменттің таңбасы өзгеріп отырар еді де, нәтижесінде якорь айналысқа түсе алмас еді. Ал, бірақ коллектор якорь орамындағы токтың бағытын ол өріске перпендикуляр тұрған мезетте өзгертеді, сондықтан айналдырушы моменттің таңбасы өзгермей қалады, сөйтіп, қозғалтқыш жұмыс істейді. Сонымен, кез келген тұрақты токтың генераторын кері қайыруға болады: егер якорьді сыртқы күшпен айналдырса, машина генераторретінде жұмыс істейді. Ал, егер якорь арқылы ток өткізсе, машина электркозғалтқыш ретінде жұмыс істейді.

ТҰРАҚТЫ ТОК тахоГЕНЕРАТОРЫРЫҢ ЖҰМЫС ПРИНЦИПІ

1-сурет.  Тұрақты ток генераторы: а — құрылыстың схемасы,б — жалпы көрінісі

   Қарапайым генераторға N және S полюстерінің магнит өрісінде айналатын орам жатады, (2 - суретті қараңыз). Мұндай орамда уақыт бойынша айнымалы болатын ЭҚК индуцкияланады. Сондықтан, орам ұштарын ораммен бірге айналатын түйіспелік сақиналарымен қосқанда, қозғалмайтын щеткалар арқылы жүктемеде айнымалы ток жүреді, яғни мұндай машина айнымалы ток генераторы болып табылады. Айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін коллектор қолданылады. Коллектордың жұмыс принципін былай түсіндіруге болады. Орам ұштары 1 (2, а- сурет) екі коллектор тілмесі 4 деп аталатын мыс жартылай сақиналарға (сегменттерге) жалғанады. Тілмелерді машина білігіне мекем бекітіп, оларды бір- бірінен және біліктен оқшауламалайды. Тіліктерде энергия қабылдағышы мен жалғанған қозғалмайтын щеткалар 2 және 3 орнатылады. Орам айналғанда коллектор тілігі де машина білігімен қоса айналады. Қозғалмайтын әрбір щетка 2 және 3 коллектор тіліктерімен кезектесіп жанасады. Орамда индукцияланған ЭҚК нөлге тең болған сәтте бір тіліктен екіншісіне өтетіндей етіп щеткаларды коллекторға орналастырады. Якорь айналғанда, магнит өрісі біркелкі таралған жағдайда орамда синусоидамен өзгеретін айнымалы ЭҚК индукцияланады. Бірақ щеткалардың әрқайсысы осы сәтте полярлығы белгілі полюстің астында орналасқан коллектор тілігімен және сәйкес өткізгішпен ғана жанасады. Осының салдарынан 2 және 3 щеткаларында ЭҚК-тің таңбасы өзгермейді.

Тұйықталған электр тізбегінің сыртқы бөлігінде ток  бір бағытпен  2 щеткадан кедергі R арқылы 3 щеткаға ағады. Бірақ, сыртқы тізбектегі ЭҚК-тің бағытының өзгермеуіне қарамастан, оның шамасы уақыт бойынша өзгереді, яғни тұрақты болмай толықсыған ЭҚК алынады. Сыртқы тізбектегі токта толықсыған (пульстелген) болады.

Егер якорьде  бір- біріне 90° бұрышпен екі орам орналастырсақ және осы орамдардың ұштарын төрт коллектор тіліктеріне  жалғасақ осы ЭҚК пен сыртқы тізбектегі токтың толықсуы едәуір кемиді. Колллектор тіліктерінің санын көбейткен сайын толықсу жиілігі тез азаяды. Коллектор тіліктерінің саны көп болғанда ЭҚК пен ток іс жүзінде тұрақты болады.Тұрақты ток машинасының жалпы көрінісі 2, б- суретте көрсетілген. Қозғалмайтын бөлігі индукциялаушы, яғни магнит өрісін тудырушы, ал айналатын бөлігі индукцияланғыш (якорь) болып табылады.

Машинаның қозғалмайтын бөлігі (2, а- сурет) негізгі полюстерден 1, қосымша полюстерден 2 және станинадан (табанынан) тұрады. Негізгі полюс (2, б- суреті) магниттік ағын тудырушы электр магнит болып табылады. Ол өзекшеден 4, қоздыру орамасынан 6, полюстік ұштамадан тұрады. Полюс машина табанына 3 болт арқылы 5 бекітіледі. Полюс өзекшесі болаттан құйылады, көлденең қимасы сопақша тәрізді болады. Полюс өзекшесінде қоздыру орамасының орауышы орналасады. Ол оқшауламаланған мыс өткізгішімен оралған. Барлық полюстердің орауыштары тізбектеп қосылып, қоздыру орамасын құрады. Қоздырғыш орамасы арқылы өткен ток магниттік ағын туғызады. Полюстік ұштама қоздыру орамасын полюсте ұстап тұрады және магнит өрісінің полюс астында біркелкі таралуын қамтамасыз етеді. Полюстік ұштаманың пішіні полюстер мен якорь аралығындағыауа саңылауы полюстік доға ұзындығы бойынша бірдей болатындай етіп жасайды. Қосымша полюстер де өзекше мен орамадан тұрады.

Қосымша полюстер негізгі  полюстер арасында орналасады. Олардың саны негізгі полюстердің санына тең немесе негізгі полюстердің санынан екі есе кем болады. Қосымша полюстердің қуаты үлкен машиналарға қондырады. Олар щеткалар астында пайда болатын ұшқындарды болдырмау үшін қолданылады. Қуаты шамалы машиналарда әдетте қосымша полюстер болмайды. Машина табаны болаттан құйылады. Ол машинаның сүйеніші болады. Табанға негізгі және қосымша полюстер бекітіледі. Оның екі бүйір жағына машина білігін ұстап тұрушы подшипникті бүйір қалқандары орналасады. Табан (станина) арқылы машина фундаментке бекітіледі. Машинаның айналмалы бөлігі- якорь (3, а-сурет) өзекшеден 1, орамадан 2 және коллектордан 3 тұрады. Якорь өзекшесі электротехникалық болат табақшаларынан жиналған цилиндр болады. Табақшалар бір- бірінен лакпен немесе қағазбен оқшауламаланады. Мұндай оқшауламалау құйынды токтарға кететін шығынды азайтуға мүмкіндік береді. Болат табақтар станоктарда үлгі бойынша штампыланады, оларда якорь орамасын салатын науашалар (фаздар) болады. Якорь денесінде ораманы және оның өзекшесін салқындату үшін ауа жүретін каналдар жасалынады. Орама өзекшеден ұқыпты түрде оқшауламаланып науашаларда магниттік емес сыналармен бекітіледі. Маңдайшалық қосылыстар болат құрсаумен бекітіледі. Якорьдегі орамның барлық секциялары (жеке- жеке бөліктері) бір- бірімен тізбектеле қосылып, тұйықталған тізбек құрады, олар коллектор тіліктеріне жалғанады.Коллектор жеке тіліктерден құрылған цилиндр. Коллектор тіліктері қатты түрінде тартылып созылған мыстан жасалынады. Олар бір- бірінен және біліктен миканит төсемдері арқылы оқшауламаланады. Төлкеге бекіту үшін коллектор тіліктеріне «қарлығаш құйрықты» пішін береді. Олар төлкенің шығыңқы жерімен тығырық арадығына қысылады. Тығырықтың пішіні коллектор тіліктерінің пішініне сәйкес келеді. Тығырық төлкеге болатпен бекітіледі.

Коллектор — машинаның ең күрделі және жауапты бөлігі. Дірілдеп соғылу болмау үшін және щеткалар ұшқын шашыратпау үшін коллектор беті дәлме-дәл цилиндрлі болуы керек. Якорь орамасын сыртқы тізбекпен қосу үшін коллекторда қозғалмайтын щеткалар орналастырылады. Қозғалмайтын щеткалар графиттен, көмірлі графиттен немесе қолалы графиттен жасалынуы мүмкін. Жоғары кернеулі машиналарда щетка мен коллектор аралығындағы алмасу кедергісі үлкен графит щеткалары қолданылады, ал кернеуі төмен машиналарда қолалы графитті щеткалар қолданылады. Щеткаларды ерекше щетка ұстағыштарға орналастырады (3, б- сурет). Щетка ұстағыш сауытына салынған щетка 4, серіппемен 5 коллекторға қатты басылып жабысып тұрады. Әрбір щетка ұстағышта қатар қосылған бірнеше щёткалар болуы мүмкін. Щетка ұстағыштар траверспен байланысқан щеткалық болт- саусақтарға бекітілген. Щеткалық саусақтарға бекіту үшін щетка ұстағыштың тесігі бар. Щеткалық саусақтар траверстен оқшауламалағыш төлке мен тығырық арқылы ажыратылады. Щетка ұстағыштардың саны әдетте полюстер санына тең. Траверс кіші және орта қуатты машиналарда подшипниктер қалқанына ал үлкен қуатты машиналарда олардың табанына бекітіледі.

Траверсті айлалдыру арқылы щетканың полюстерге қарағандағы орнын өзгертуге болады. Траверсті әдетте, щеткалардың кеңістіктегі орналасуын негізгі полюстер өсінің орналасуына туралап қондырады.

 

Айнымалы  ток тахогенераторы

Ток тахогенераторы деп энергияның қандай да бір түрін электр энергиясына айналдыратын қондырғыны айтады. Электростатикалық машиналар, термобатареялар, күн батареялары, т.б. генераторға жатады. 
Қазіргі кезде айнымалы токтың электромеханикалық индукциялық генераторлары өте кең таралған. Бұл генераторлардың артықшылығы — олардың құрылысының қарапайымдылығында және жеткілікті түрде жоғары кернеу мен үлкен токтарды алу мүмкіншілігінде. Электромеханикалық индукциялық генераторларда механикалық энергия электр энергиясына айналады. Мұндай генератор құрылысының принциптік жобасын біз §2.1-ында қарастырып, магнит өрісінде айналып тұрған сым орамада айнымалы индукциялық ЭҚК-інің пайда болатынын айтып өткенбіз. Токты сыртқы тізбекке шығару үшін сақиналарға жабыстырып қойған щеткалар қолданылады. Кез келген индукциялық генератордың негізгі бөліктері мыналар:

1)индуктор — магнит өрісін тудыратын қондырғы. Бұл тұрақты магнит не электромагнит болуы мүмкін;

2) якорь — ЭҚК индукцияланатын (пайда болатын) орама;

3)щеткалар мен сақиналар — айналып тұрған бөліктерден индукциялық токты шығарып алатын немесе электромагниттерге қоректенетін ток беретін қондырғылар.

   Тізбектей жалғанған  орамаларда индукцияланған ЭҚК-тері  қосылады, сондықтан якорь көп  орамнан тұрады. 
§ 2.1-ында орамада туатын ЭҚК-інің амплитудасы  , яғни орамнан өтетін магнит ағынына пропорционал екеніне көз жеткізгенбіз. Магнит ағынын көбейту үшін индукциялық генераторларда арнаулы магниттік жүйе қолданылады. Ол электротехникалық болаттан жасалған екі өзекшеден тұрады. Екі өзекшенің бірінің қуыстарында магнит өрісін тудыратын орамалар (электромагнит), ал екінші өзекшенің қуыстарында ЭҚК-і туатын орама (якорь) орналасады. Бір өзекше (әдетте ішкісі) өзінің орамдарымен бірге горизонтал не вертикаль осьтен айналады, ол ротор деп аталады. Екінші, қозғалмайтын өзекше — статор деп аталады. 2.21 -суретте сым рама (якорь) айналып, ал электромагниті қозғалмай тұратын генератор көрсетілген. Қуатты өндірістік генераторларда электромагнит айналады, яғни ол ротордың қызметін атқарады, ал ЭҚК-і индукцияланатын якорь қозғалмайды, бұл — статор. Электромагнитті қоректендіретін ток күші якорьде туатын индукциялық ток күшінен анағұрлым аз болғандықтан, осындай құрылым ыңғайлы. Себебі қуаты жоғары токты қозғалмай тұрған орамадан шығарып алу жеңілірек. Индукторға әлсіз ток сақиналар арқылы беріледі, ол ток тұрақты токтың жеке бір генераторында өндіріледі. Генератор өндіретін ток статордың орамасынан қозғалмайтын шиналар арқылы электр энергиясының желісіне беріледі. Техникалық қажеттіліктерге жиілігі 50 Гц синусоидалық айнымалы ток пайдаланылады. Ондай ток алу үшін ротор 50 айн/с жиілікпен айналу керек. Айналу жиілігін азайту үшін индуктордың полюстер жұптарының санын көбейтеді. Онда генератор өндіретін айнымалы ток жиілігі

 (2.20)

мұндағы   — полюстер жұбының саны,  — ротордың айналу жиілігі. Қарастырып өткен генератор айнымалы токтың бірфазалық генераторы деп аталады.