4.4 Устройство и принцип работы машины постоянного тока.

Устройство простейшей машины. На рис.1-1 представлена про­стейшая машина постоянного тока, а на рис.1-2 дано схематиче­ское изображение этой машины в осевом направлении. Неподвиж-ная часть машины, называемая индуктором, сост-т из полюсов и круглого стального ярма, к кт. прикреп­ляются полюсы. Назначением индуктора явл-ся создание в ма­шине осн-го маг-го потока. Индуктор изобр-ой на рис. простейшей машины имеет 2 полюса 1 (ярмо индуктора на рис не показано). Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехни­ческой стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 1-1 и 1-2 простейшей машине имеет 1 виток. Концы витка соед-ны с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рас-мом случае = 2м. На коллектор налегают 2 неподвижные щетки 4, с пом-ю кт. обмотка якоря соед-ся с внешней цепью. Осн-ой магнитный поток в нормальных машинах пост-го тока созд-ся обмоткой возбуждения, кт. расп-на на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Маг-ый f, поток проходит от северного полюса N ч/з якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердеч­ники полюсов и ярмо также изгот-ся из ферромагнитных мат-лов.

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в ре­жиме генератора.

Р ис 1-3 Правило правой (а) и левой руки

Предположим, что якорь машины (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис- 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неиз­менным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индукти­руемой в проводнике об­мотки якоря э. д. с. е_пр = Blv, где В — величина маг­нитной индукции в воз­душном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

E_a = 2e_np=2Blv. Э. д. с, Е_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повто­ряет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 14, а).

Частота э. д. с. / в двухполюсной машине равна скорости вра­щения якоря п, выраженной в оборотах в секунду: f = n,

а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью,f = pn.

В генераторе коллектор явл. механ. выпрямителем , кт. преобразовывает перем. ток обмотки якоря в пост. ток во внешней цепи.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_a. U_a = E_a - I_ar_a.

Проводники обмотки якоря с током 1_а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис, 1-2, а) направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1З, б). Эти силы создают механический вращающий момент М_ЭМ, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен , где D_a — диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, 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 F_np и возникнет электромагнитный момент М_ЭМ. Величины F_np и М_ЭМ как и для генератора, определяются равенствами (1-4) и (1-5), При достаточной величине М_Эм якорь машины придет во вращение-и будет развивать механическую мощность. Момент М_ЭМм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

В режиме двигателя коллектор превращает потребл. из внешней цепи пост. ток в перемен. в обмотке якоря и работает, т.о. в качестве механич. инвертора тока.

Индуцируется э. д. с. Е_a величина которой определяется равенством (1-1). Направление этой э. д. с. в двигателе (рис. 1-2,б) такое же, как и в генераторе (рис. 1-2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Е_а направлена против тока 1_а и приложенного к зажимам якоря напряжения V_a. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Е_а и падением напряжения в обмотке якоря:

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии. На рис, 1-5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент , где М_В – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, М_тр — момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, М_с — тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

где М_в — тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе М_эм является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях М_в и М_эм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом М_эм мощность Р_эм называется электромагнитной мощностью и равна , где представляет собой угловую скорость вращения.

Линейная скорость на окружности якоря ,

. В обмотке якоря под действием э.д.с. Е_а и тока I_а развивается внутренняя электрическая мощность якоря, Р_эм = Р_а, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора ; для двигателя

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитную мощность якоря и последние члены — электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рис. 1-1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во-внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя - в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.