Лекция 6

Тема 6 электрические машины постоянного тока

6.1. Устройство и принцип действия машинного генератора

Электрическая машина, в которой механическая энергия вращающегося вала преобразуется в электрическую энергию, называется генератором. Работа генератора основана на явлении электромагнетизма и явлении электромагнитной индукции.

Явление электромагнетизма заключается в том, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Закон электромагнетизма: потокосцепление (произведение числа витков катушки на пронизывающий их магнитный поток) прямо пропорционально индуктивности катушки и силе тока, протекающего в катушке:

 = wФ = LI . (6.1)

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в проводящем контуре, который пронизывается переменным магнитным полем, индуктируется э.д.с. Закон электромагнитной индукции: значение э.д.с., индуктируемой в контуре, прямо пропорционально числу витков и скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

. (6.2)

Э лементами конструкции простейшего генератора являются виток (проводящий контур) и индуктор, создающий магнитное поле. Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока на его конструктивной схеме (рис.6.1). В магнитном поле постоянных магнитов (N – S) помещён виток, укреплённый на оси. К двум концам витка прикреплены металлические полукольца, на которые накладываются щётки (скользящие контакты, к которым подключается нагрузка R_нагр). При вращении данного витка с угловой скоростью  возникает явление электромагнитной индукции и в нём индуктируется э.д.с. При подключении к нему нагрузки в витке будет протекать электрический ток I.

Направление индуктируемой электродвижущей силы определяется по правилу «правой руки»: если расположить правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения витка, то четыре пальца будут показывать направление индуктируемой в витке электродвижущей силы. Значение электродвижущей силы, которая индуктируется в сторонах витка, равно:

е = Вlv sin  , (6.3)

где е – мгновенное значение э.д.с., которая индуктируется в стороне витка, В;

В – магнитная индукция поля, Тл;

l – длина одной стороны витка, м;

v – линейная скорость витка, м/с;

 – угол поворота витка относительно горизонтали, град.

Электродвижущая сила, которая индуктируется в витке, изменяется во времени по синусоидальному закону и создаёт разность потенциалов на концах витка. Знаки потенциалов на концах витка (положительный, отрицательный) через половину оборота тоже изменятся, так как изменится направление э.д.с., индуктируемой в сторонах витка. Однако знаки потенциалов щёток изменяться не будут. Это объясняется тем, что при вращении витка они неподвижны и всегда подключены к стороне витка, на конце которой потенциал одинакового знака (то есть э.д.с. в стороне витка направлена в одну и ту же сторону). Благодаря скользящему контакту на одной щётке получается положительный потенциал, а на другой – отрицательный. Щётки крепятся в щёткодержателе, который установлен на корпусе генератора. К щёткам генератора подключается приёмник электроэнергии.

Таким образом, конструкция генератора следующая: индуктор (неподвижная часть), который создаёт магнитное поле и якорь (вращающая часть), в котором наводится э.д.с. Они отделены друг от друга минимальным воздушным зазором.

Индуктор представляет собой катушку индуктивности, укреплённую на полюсах генератора. Начала обмотки возбуждения (катушки индуктивности на индукторе) выводят на клемную коробку и обозначают буквами Ш1 и Ш2. Магнитопровод с полюсами генератора изготовляют из ферромагнитного материала и крепят к чугунному корпусу с помощью болтов и изолирующих прокладок. К полюсам крепят полюсные наконечники в виде полуокружностей для улучшения распределения магнитного потока в воздушном зазоре генератора.

Якорь генератора имеет форму цилиндра, расположенного на валу. Его магнитопровод выполняют из ферромагнитного материала и укрепляют на валу генератора. На вал генератора устанавливают подшипники, которые запрессовывают в подшипниковые щиты. Эти подшипниковые щиты, служащие опорой для вала генератора, крепят к корпусу генератора. Якорная обмотка, которую укладывают в пазы магнитопровода якоря генератора, состоит из нескольких витков, каждый из которых подключают к отдельной коллекторной пластине. Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от вала генератора. На коллекторные пластины накладывают щётки, зажимы которых выводят на клемную коробку и обозначают буквами Я1 и Я2. Совокупность таких коллекторных пластин, позволяющих при наличии переменной э.д.с. в якорной обмотке получать постоянную полярность щёток, называют коллектором. Напряжение с коллектора снимается с помощью щёточного механизма. Следовательно, назначение коллектора и щёточного механизма у генератора – это выпрямление электродвижущей силы (то есть преобразование переменной э.д.с. в постоянную э.д.с.).

Выпрямленная электродвижущая сила является пульсирующей, то есть изменяется по удвоенному синусоидальному закону при сохранении знака (рис.6.2а). С увеличением количества коллекторных пластин пульсация э.д.с. уменьшается (рис.6.2б: е_рез – результирующая э.д.с. между щётками; е₁ – э.д.с., индуктируемая в первом полувитке обмотки якоря; е₂ – э.д.с., индуктируемая во втором полувитке обмотки якоря):

. (6.4)

а

б

Среднее значение этой выпрямленной электродвижущей силы, которая действует между щётками, определяется следующим выражением:

, (6.5)

где k – коэффициент;

Ф – магнитный поток полюсов генератора, Вб;

 – угловая скорость вращения вала генератора, рад/с.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря могут включаться независимо друг от друга, тогда у генератора будет независимое возбуждение (зажимы Н1 и Н2 подключают к стороннему источнику постоянной э.д.с., а к зажимам Я1 и Я2 подключают нагрузку).

У генератора будет самовозбуждение, если разность потенциалов на зажимах обмотки возбуждения создаётся индуктируемой в обмотке якоря э.д.с. В этом случае при подключении обмотки возбуждения параллельно обмотке якоря у генератора будет параллельное возбуждение (Ш1 к Я1, Ш2 к Я2, при этом к зажимам Я1 и Я2 подключают нагрузку). Существуют также последовательное и смешанное возбуждение.