Классификация обмоток якорей машин постоянного тока
Независимо от типа якоря (кольцевой или барабанный) мы имеем следующие типы обмоток якоря машин постоянного тока: а) простая петлевая; б) простая волновая; в) сложная петлевая; г) сложная волновая.
Простые обмотки образуют всегда только одну замкнутую на себя систему проводников, тогда как сложные обмотки могут образовать и одну и несколько таких систем. В первом случае будем называть сложную обмотку однократнозамкнутой, во втором – многократнозамкнутой.
Режим генератора.
Предположим, что якорь машины (рис. 3, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки и показано на рисунке 3, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС ндуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения.
Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС.
, (3.1)
Рисунок 3. – Работа простейшей
машины постоянного тока в режиме
генератора (а) и двигателя (б)
где
– величина магнитной индукции в
воздушном зазоре между полюсом и якорем
в месте расположения проводника;
– активная длина проводника между
полюсом и якорем в месте расположения
проводника, т.е. та длина, на протяжении
которой он расположен в магнитном
поле;
– линейная скорость движения проводника.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины
. (3.2)
ЭДС
является переменной, так как проводники
обмотки якоря проходят попеременно
под северным и южным полюсами, в
результате чего направление ЭДС в
проводниках меняется.
Частота ЭДС
в двухполюсной машине равна скорости
вращения якоря
,
выраженной в оборотах в секунду:
, (3.3)
а в общем случае, когда машина имеет
пар полюсов с чередующейся полярностью,
. (3.4)
В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Напряжение постоянного тока на зажимах
якоря генератора будет меньше
на величину падения напряжения в
сопротивлении обмотки якоря
:
. (3.5)
Проводники обмотки якоря с током
находятся в магнитном поле, и поэтому
на них будут действовать электромагнитные
силы:
, (3.6)
направление которых определяется по правилу левой руки.
Эти силы создают механический вращающий
момент
,
который называется электромагнитным
моментом и на рисунке 3 а, равен
, (3.7)
где
– диаметр якоря. Как видно из рисунка
3 а, в режиме генератора этот момент
действует против направления вращения
якоря и является тормозящим.
Режим двигателя.
Рассматриваемая простейшая машина
может работать также двигателем, если
к обмотке ее якоря подвести постоянный
ток от внешнего источника. При этом на
проводники обмотки якоря будут
действовать электромагнитные силы
и возникнет электромагнитный момент
.
Величины
и
,
как и для генератора, определяются
равенствами (3.6) и (3.7). При достаточной
величине
якорь машины придет во вращение и будет
развивать механическую мощность. Момент
при этом является движущим и действует
в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности
полюсов направления вращения генератора
(рис.3, а) и двигателя (рис.3, б)
были одинаковы, то направление действия
,
а следовательно и направление тока
у двигателя должны быть обратными по
сравнению с генератором (рис.3, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Проводники обмотки якоря двигателя
также вращаются в магнитном поле, и
поэтому в обмотке якоря двигателя тоже
индуктируется ЭДС
,
величина которой определяется равенством
(3.2). Направление этой ЭДС в двигателе
(рис.3, б) такое же, как и в генераторе
(рис.3, а). Таким образом, в двигателе
ЭДС якоря
направлена против тока
и приложенного к зажимам якоря напряжения
.
Поэтому ЭДС якоря двигателя называется
также противоэлектродвижущей силой.
Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:
. (3.8)
Принцип обратимости:
Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.
Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.