Основы теории машин постоянного тока.

1. Назовите основные режимы работы машины постоянного тока (мпт).

Основные режимы работы машин постоянного тока – это режим генератора и режим двигателя.

2. Назовите тормозные режимы работы мпт.

Различают три вида (режима) торможения:

1. рекуперативное;

2. торможение противовключением;

3. электродинамическое или реостатное.

3. Поясните принцип действия мпт в режиме генератора.

Генератор содержит следующие основные элементы: главные полюсы и якорь. Главные полюсы создают в генераторе магнитное поле. Количество полюсов в генераторе всегда четное. Принято обозначать количество пар полюсов символом . Таким образом, в генераторе имеется северных и южных полюсов, которые устанавливаются так, что разноименные полюсы чередуются между собой.

В магнитное поле генератора помещают якорь, состоящий из сердечника, обмотки и коллектора. Рассмотрим принцип действия генератора, полагая, что количество пар полюсов (рис. 1). Главные полюсы обозначены здесь символами (северный полюс) и (южный полюс). Стрелки под символами и указывают направление линий магнитной индукции (напомним: принято считать, что линии магнитной индукции выходят из полюса и входят в полюс ). Якорь на рис. 1 изображен условно в виде цилиндра, на котором установлена электропроводящая рамка , отражающая в упрощенном виде обмотку якоря. Выводы рамки подключены к двум коллекторным пластинам и , изображенным в виде двух полуколец. Коллекторные пластины и соприкасаются со щетками «+» и «–», изображенными на рис. 1 в виде параллелограммов. Якорь вместе с коллекторными пластинами приводится во вращение внешним приводом, а щетки при этом остаются неподвижными.

П усть якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. В проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, положительное направле­ние которой может быть определено по правилу правой руки. Применяя это правило можно установить, что в проводнике ЭДС направлена от к , а в проводнике – от к . Значение индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС , где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – длина проводника, на протяжении которого он расположен в магнитном поле; V – линейная скорость движения проводника.

Полная ЭДС рассматриваемой машины:

. Рис.1

Эта ЭДС , по отношению к выводам и является переменной так как проводники рамки проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего и изменяется направление ЭДС. Частота ƒ ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря: , если частота n имеет размерность об/с. Можно показать, что если машина имеет пар полюсов, то .

Если щетки подключены к внешней цепи, то в этой цепи и в рамке якоря возникает ток (рис.1). В рамке этот ток будет переменным, а во внешней цепи направление тока остается неизменным в любом положении якоря и коллектора, как это следует из рисунка, щетка «+» всегда касается коллекторной пластины, имеющей положительную полярность, а щетка «–» – пластины, имеющей отрицательную полярность. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в знакопостоянный ток внешней цепи. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря : . Проводники рамки с током находятся в магнитном поле. Поэтому на них действуют электромагнитные силы , направление которых определяется по правилу левой руки. Нетрудно показать, опираясь на это правило, что эти силы противодействуют движению проводников (рис. 2) и тормозят, таким образом, вращение якоря. Силы создают электромагнитный момент , который равен:

где – диаметр якоря.

Электромагнитный момент противодействует внешнему моменту сопротивления . Нетрудно показать, что в генераторе механическая энергия внешнего привода преобразуется в электроэнергию электронагрузки.

Р ис. 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора

4. Какое назначение имеет коллектор МПТ, работающей в режиме генератора.

В режиме генератора коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

5. Как влияет на выходное напряжение МПТ, работающей в режиме генератора, увеличение частоты вращения ротора? магнитной индукции в воздушном зазоре? активной длины проводников обмотки ротора? ширины воздушного зазора? Почему?

Выходное напряжение МПТ . Поэтому при увеличении частоты вращения ротора, увеличении индукции в воздушном зазоре, увеличении активной длины проводников обмоток ротора выходное напряжение увеличивается; при увеличении ширины воздушного зазора магнитная индукция в нем уменьшается и, следовательно, выходное напряжение уменьшается.

6. Как направлены силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре вблизи полюсов, создающих магнитное поле МПТ?

Силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре вблизи полюсов, создающих магнитное поле в МПТ направлены по нормали к поверхности полюсов.

7. Поясните принцип действия МПТ в режиме двигателя.

Упрощенная конструктивная схема МПТ, работающей в режиме двигателя, имеет тот же вид, что для МПТ, работающей в режиме генератора (рис. 1). Отличие заключается в том, что к щеткам вместо электрической нагрузки подключается источник напряжения, а вместо внешнего механического привода, вращающего якорь, подключается механическая нагрузка, которую требуется привести в движение.

Рассмотрим принцип действия МПТ в режиме двигателя. К щеткам машины подводится напряжение от источника электроэнергии. Допустим, что к нижней щетке подключен положительный вывод источника напряжения, а к верхней – отрицательный. Тогда под действием подведенного напряжения в рамке возникает ток , протекающий в нижнем проводнике (рис.1) от к , а в верхнем проводнике от к . В этом случае на поперечном разрезе двигателя (рис. 3) ток в нижнем проводнике будет протекать так, что будет виден «хвост» стрелки, указывающей направление тока, а в верхнем –«острие» стрелки. Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует электромагнитная сила , направление которой определяется правилом левой руки. Нетрудно показать, применяя это правило, что на верхний проводник сила будет действовать вправо (рис.3), а на нижний – влево. Указанная пара сил создает электромагнитный момент , приводящий якорь во вращение по часовой стрелке с угловой скоростью . Рассматриваем процессы далее. Известно, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, наводится ЭДС индукции, направление которой определяется по правилу правой руки. Нетрудно показать, что направление ЭДС индукции в двигателе направлена против тока и, соответственно, приложенного к зажимам якоря напряжения . Составляя для якорной цепи (рис. 4) уравнение по второму закону Кирхгофа с учетом направлений всех величин, получим для МПТ, работающей в режиме двигателя следующее соотношение

.

Заметим, что для определения ЭДС и электромагнитного момента используются соотношения, указанные выше при рассмотрении работы МПТ в режиме генератора.

Р ис. 3. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме двигателя.