Эксидная машина: устройство и применение¶

Эксидная машина — это тип электрической машины, в которой функции возбуждения магнитного поля и генерации электрической энергии совмещены в одном магнитопроводе, а обмотка возбуждения подключена параллельно (шунтовое возбуждение) или независимо от основной цепи. Термин «эксид» (от англ. excited — «возбуждённый») в русскоязычной технической литературе чаще всего применяется к машинам постоянного тока с самовозбуждением, а также к синхронным машинам с независимым возбуждением. Такие машины получили распространение в качестве генераторов и двигателей в промышленных, транспортных и энергетических установках.

¶Общее понятие и принцип действия

Эксидная машина работает на основе электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, наводит ЭДС в обмотке якоря. Ключевая особенность — наличие отдельной цепи возбуждения, которая может питаться от независимого источника (аккумулятор, выпрямитель, вспомогательный генератор) или от самого якоря (самовозбуждение).

В машинах постоянного тока различают несколько схем возбуждения:

• Независимое возбуждение — обмотка возбуждения питается от постороннего источника. Обеспечивает стабильность магнитного потока и широкий диапазон регулирования.
• Параллельное (шунтовое) возбуждение — обмотка подключена параллельно якорю. Простая и экономичная схема, но чувствительна к изменению нагрузки.
• Последовательное (сериесное) возбуждение — обмотка включена последовательно с якорем. Даёт большой пусковой момент, но плохо стабилизирует напряжение.
• Смешанное (компаундное) возбуждение — сочетает параллельную и последовательную обмотки, обеспечивая компромисс между стабильностью и перегрузочной способностью.

В синхронных эксидных машинах возбуждение подаётся на ротор через контактные кольца или бесщёточную систему с вращающимся выпрямителем. Такие машины используются как генераторы на электростанциях и как двигатели в приводах большой мощности.

¶История развития

Принцип самовозбуждения электрических машин был открыт в 1860-х годах. В 1866 году немецкий инженер Вернер Сименс и независимо от него Чарльз Уитстон предложили динамо-машину с самовозбуждением, что стало важным шагом в развитии электротехники. До этого применялись магнитоэлектрические генераторы с постоянными магнитами, которые не позволяли получать большие мощности.

В конце XIX — начале XX века эксидные машины постоянного тока стали основой промышленного электропривода. В России первые динамо-машины с самовозбуждением выпускались на заводах «Сименс и Гальске» (позже «Электросила») в Санкт-Петербурге. В советский период эксидные машины производились на заводах «Динамо», «Электросила», Харьковском электромеханическом заводе и других предприятиях.

С середины XX века в связи с развитием полупроводниковой техники и частотного регулирования область применения машин постоянного тока сократилась, однако эксидные синхронные генераторы и бесщёточные системы возбуждения остаются востребованными в энергетике.

¶Устройство и основные элементы

Типовая эксидная машина постоянного тока включает:

• Статор (индуктор) — неподвижная часть с обмоткой возбуждения и полюсами.
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть с обмоткой, в которой наводится ЭДС.
• Коллектор и щётки — механический коммутатор, преобразующий переменный ток якоря в постоянный на выводах.
• Возбудитель — вспомогательный генератор или выпрямитель для питания обмотки возбуждения.

В синхронных машинах вместо коллектора применяются контактные кольца или бесщёточный возбудитель, состоящий из вспомогательного генератора переменного тока и вращающегося выпрямителя.

¶Применение

Эксидные машины применяются в следующих областях:

• Тяговый электропривод — на тепловозах, электровозах, карьерных самосвалах и судах. Двигатели последовательного возбуждения обеспечивают высокий пусковой момент.
• Генераторы постоянного тока — для питания электролизных установок, прокатных станов, крановых механизмов.
• Синхронные генераторы — на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях с системами возбуждения различных типов.
• Системы бесперебойного питания — в качестве резервных источников.
• Электропривод станков и прокатных станов — там, где требуется плавное регулирование скорости.

В России эксидные синхронные генераторы выпускаются предприятиями «Силовые машины», «Электросила», «Уралэлектротяжмаш» и другими. Бесщёточные системы возбуждения применяются на турбогенераторах мощностью от десятков до сотен мегаватт.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам эксидных машин относятся:

• Простота конструкции и надёжность (особенно при самовозбуждении).
• Высокий пусковой момент у двигателей последовательного возбуждения.
• Возможность регулирования напряжения и тока в широких пределах.
• Относительно низкая стоимость производства.

Недостатки:

• Наличие коллектора и щёток требует регулярного обслуживания.
• Ограниченный срок службы щёточно-коллекторного узла.
• Искрение под щётками создаёт радиопомехи.
• Сложность стабилизации напряжения при переменной нагрузке в некоторых схемах.

¶Современное состояние

В XXI веке классические эксидные машины постоянного тока постепенно вытесняются асинхронными и синхронными приводами с частотным регулированием, а также вентильными двигателями. Однако в ряде отраслей — тяжёлое машиностроение, горнодобывающая промышленность, судостроение, металлургия — они сохраняют позиции благодаря простоте и надёжности. Синхронные эксидные генераторы с бесщёточными системами возбуждения остаются основным типом генераторов на крупных электростанциях.

Развитие силовой электроники позволило создавать гибридные системы, где обмотка возбуждения питается от управляемых выпрямителей, что повышает точность регулирования и снижает потери.

¶Источники

• Копылов И. П. «Электрические машины» — учебник для вузов.
• Вольдек А. И. «Электрические машины» — Ленинград, «Энергия».
• Кацман М. М. «Электрические машины» — Москва, «Высшая школа».
• Сименс Э. В. «Избранные труды по электротехнике».
• Технические каталоги заводов «Электросила» и «Силовые машины».