Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока по своему назначению делятся на электрические генераторы (или просто генераторы), преобразующие механическую энергию в электрическую при постоян­ном напряжении (генераторы являются источниками электрической энергии), и электрические двигатели (электродвигатели), преобразую­щие электрическую энергию постоянного тока в механическую энер­гию. Эта механическая энергия используется для приведения во вра­щение какого-либо исполнительного механизма (станок, лебедка, колеса трамвая, электропоезда и т. д.).

Кроме того, существуют некоторые специальные виды машин, например машины, предназначенные для преобразования электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока или наоборот; микромашины, используемые в системах автоматического регулирования, в измерительных и счетно-решающих устройствах в качестве датчиков (например, датчиков скорости) и др.

Электротехнической промышленностью выпускаются машины постоянного тока различной мощности и напряжения. Условно их можно подразделить на следующие группы по мощности:

1. микромашины, мощность которых измеряется от долей ватта до 500 Вт;

2. машины малой мощности – 0,5 ÷ 10 кВт;

3. машины средней мощности – от 10 до нескольких сотен киловатт;

4. машины большой мощности – свыше нескольких сотен киловатт.

Напряжение машин постоянного тока изменяется от 6-12 В для используемых на автотранспорте до 30 кВ для используемых в радиотехнических установках.

Большое применение находят машины постоянного тока мощностью до 200 кВт на напряжение 110-440 В с частотой вращения 550-2870 об/мин. Микромашины имеют частоты вращения от нескольких оборотов до 30000 об/мин.

В промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве наиболее широко используют электродвигатели. Генераторы применяют для питания устройств связи, радиотехнических установок и т.д. В последние годы в качестве источников постоянного тока все более широко применяют более экономичные и простые в эксплуатации статические полупроводниковые преобразователи.

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока состоит из неподвижной части - статора 1 и вращающейся части – ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф₀.

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с па­зами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции. В пазы 5 ротора закладывается рабочая обмотка ма­шины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнит­ным потоком индуцируется ЭДС. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Пред­ставим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вмес­те с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят не­подвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В – магнитная индукция; l – длина проводника; v – его линей­ная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полю­сов (виток расположен вертикально), проводники пересекают макси­мальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное зна­чение ЭДС. Когда виток занимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

Направление ЭДС в проводнике определяется по правилу пра­вой руки. Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается кол­лектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен про­водник, находящийся под северным полюсом, ЭДС которого направ­лена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щет­ках - е_щ.

Хотя ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один обо­рот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. ЭДС с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать посто­янной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоян­ного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллек­тор – из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга. В результате этого пульсации ЭДС обмотки якоря уменьшаются. При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.