44.Дпт.Устройство и принцип работы. Способы возбуждения, принципиальные схемы, роль коллектора.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) допускают плавное регулирование частоты вращения и способны развивать большой пусковой момент, благодаря чему они нашли широкое применение на электрическом транспорте и для привода технического оборудования. Генераторы постоянного тока (ГПТ) используются для питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения потребителей на транспорте (автомобилях, судах, самолетах, электровозах). Машины постоянного тока применяются в системах автоматики для привода механизмов и в качестве датчиков частоты вращения. Серьезным недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного узла, требующего ухода и снижающего надежность работы.

Рассмотрим принцип действия ДПТ на схематичном примере (рис. 14.1, а). От источника постоянного напряжения U в рамку подается постоянный ток I. По правилу левой руки (ПЛР) на активные проводники (утолщенные линии) будет действовать пара сил F, создающая вращающий электромагнитный момент M. Рамка начнет поворачиваться против часовой стрелки, но угол поворота меньше 90⁰. Для обеспечения непрерывного вращения нужно взять несколько рамок с общей осью, равномерно смещенных по направлению вращения (активные проводники образуют цилиндрическую поверхность).

Рис. 14.1. Возникновение вращающего момента (а) и противоЭДС (б) в ДПТ

При вращении рамки активные проводники пересекают силовые линии потока Ф, и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС, направления которых определяются по правилу правой руки (ППР). Эти ЭДС направлены против тока I и называются противоЭДС (рис. 14.1, б). Здесь работает и правило Ленца: ЭДС действ против причины, их вызвавшей, т.е.против тока I. Т.к е – переменная, то и ток будет переменным.Ур-е ВЗК в рамке: ,(14.1)где R – сопротивление рамки, а i и e – переменные величины, зависящие от угла поворота рамки.

Рассмотрим режим работы ГПТ на примере рис. 14.2, а. Поворот рамки осуществляется посторонним двигателем против часовой стрелки. В активных проводниках наводятся ЭДС с направлением, определяемым по ППР, а на зажимах рамки создается напряжение u = 2e. Чтобы ЭДС не изменялась, требуется взять много рамок.

Рис. 14.2. Возникновение напряжения (а) и тормозного момента (б) в ГПТ

При подключении к зажимам генератора нагрузки R_н появляется ток i. Согласно ПЛР, на проводники с током будет действовать пара сил F, создающих тормозной момент M_т. В том, что этот момент направлен против вращающего момента М, проявляет правило Ленца. По 2 закону Кирхгофа найдем , (14.2)где R – сопр-е рамки.

Конструкция машины постоянного тока. Неподвижная часть машины (статор) содержит полый стальной цилиндр (станину) (1 на рис. 14.3, а), внутри которого укреплены 4 основных полюса 2. Эти полюса имеют обмотки, включенные последовательно и образующие обмотку возбуждения 3. Она питается постоянным током возбуждения I_в, который создает магнитное поле возбуждения. Внутри статора находится ротор (якорь), собранный из тонких дисков электротехнической стали. К торцам станины крепят щиты с подшипниками, в которые установлен вал ротора. В пазах якоря уложена обмотка. По конструкции она бывает петлевой и волновой. Для подачи тока в якорную обмотку (ДПТ) или для снятия напряжения с якорной обмотки (ГПТ) имеется коллектор (1 на рис. 14.3, б) со щетками. Коллектор – цилиндр, на поверхности которого укреплены медные, изолированные друг от друга пластины (ламели). К пластинам примыкают подпружиненные щетки 6 (графитные, угольно-графитные, медно-графитные).

Рис. 14.3. Конструк машины пост тока

На корпусе машины имеется коробка с зажимами, к которым подводятся концы обмотки возбуждения и концы идущих от щеток контактных жгутиков. Силовые линии неподвижного поля возбуждения идут от северного полюса через якорь к соседним южным полюсам S. Основные полюса имеют полюсные наконечники 7, благодаря которым величина магнитной индукции вдоль зазора остается практически неизменной. Для уменьшения искрения под щетками на статоре между основными полюсами устанавливают узкие добавочные полюса 8 (в машинах c P > 1кВт). Их обмотка (на рис. 14.3, а не показана) содержит небольшое число витков из достаточно толстого провода и включается последовательно с обмоткой якоря.Петлевая обмотка (рис. 14.3) состоит из отдельных секций. Провод делится на активную часть, расположенную в пазах якоря, и лобовую (соединительные проводники на торце якоря). Активные проводники двух сторон секции (П₁ и П₂ на рис. 14.3) помещают в разные пазы якоря так, чтобы они оказались под разноименными полюсами (на расстоянии полюсного деления τ, где τ – длина дуги окружности якоря между осями соседних полюсов). При этом ЭДС, наводимые в двух сторонах секции, будут суммироваться. Начало и конец секции припаивают к соседним ламелям коллектора, начальную сторону секции П₁ помещают в верхней части паза, а концевую сторону П₂ - на дне паза. Начало стороны П₃ следующей секции объединяется с концом предыдущей секции (рис. 14.3). Тогда якорная обмотка оказывается замкнутым контуром. Каждая секция состоит из нескольких витков (на рис. 14.3 секции условно показаны одновитковыми).

По отношению к внешним зажимам обмотка якоря оказывается разделенной на 4 параллельные ветви, e и R которых одинаковы (рис. 14.4, а). Они эквивалентны одной ветви на рис. 14.4, б. Для простой петлевой обмотки в общем случае число параллельных ветвей 2а равно числу щеток и числу полюсов 2р. Плоскость, проходящая посередине между соседними полюсами через ось якоря, образует геометрическую нейтраль ГН (на рис. 14.3, а их две). Щетки располагают так, чтобы в момент закорачивания ими соседних ламелей секция, подключенная к этим ламелям, проходила через ГН. Это устраняет искрение в режиме холостого хода ГПТ.

Рис. 14.4. ЭДС в обмотках ДПТ (а) и их эквивалентная схема (б)