6. Машины постоянного тока

6.1. Общие сведения. Принцип действия

Машины постоянного тока первыми из электрических машин получили практическое применение. В настоящее время электропромышленность выпускает машины мощностью от долей ватт до нескольких сотен и тысяч киловатт [24]. Машины постоянного тока применяют в каче­стве электродвига­телей и генераторов. Электродвигатели по­стоянного тока имеют хо­рошие регулировочные свойства, зна­чительную пере­грузочную спо­собность и могут быть спроектированы с любыми рабочими характе­ристиками. Они широко исполь­зуются для приводов ме­ханиз­мов, требующих плавного и глубокого регулирования скорости. На металлургических и горных предприятиях такими приводами являются прокатные станы, кантователи, шахтные подъ­емники, экскава­торы; на транс­порте – железнодорожные локомотивы, электромобили, морские и реч­ные суда и т.д. Генераторы посто­янного тока используются как источники электрической энер­гии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, обмоток возбуждения синхронных генерато­ров и т.д. [9] В системах автоматики применяются выполненные на разные мощности машины специальной конструкции (исполнительные двигатели, тахогенераторы, электромашинные усилители). Разработаны машины постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами, МГД-машины и т.д. [1]

Машины постоянного тока дороже машин переменного тока, имеют по сравнению с ними завышенные габариты и массу, относи­тельно сложны в изготовлении. В крупных машинах серьезные экс­плуатационные трудности создает наличие щеточного-коллекторного узла. Это ведет к образованию радиопомех и является источником пожароопасности. В различных отраслях промышленности электро­приводы постоянного тока постепенно заменяются электроприво­дами переменного тока [20]. Несмотря на это в некоторых установках машины постоянного тока незаменимы. Изучение различных про­цессов электромеханического преобразования энергии, построение систем управления электроприводами, оценку качества регулирова­ния их параметров часто целесообразно начинать применительно к машинам постоянного тока.

Простейшая машина постоянного тока (рис. 6.1) состоит из индук­тора 1, который представлен в виде постоянного магнита, и якоря 2. Индуктор предназначен для создания основного магнитного поля машины. На якоре закреплена обмотка, состоящая из одного витка. Ее выводы прикреплены к пластинам 3, которые образуют элементарный коллектор. С коллекторными пластинами соединены щётки 4, предназначенные для замыкания обмотки якоря на внеш­нюю цепь или для присоединения ее к источнику питания [1].

В режиме генератора (рис. 6.2,а) якорь вращается по часовой стрелке в постоянном магнитном поле индуктора. В обоих проводниках якорной обмотки индуктируется одинаковые эдс. Они складываются по контуру обмотки, образуя эдс якоря . Направление в проводниках определяется по правилу правой руки. После замыкания обмотки якоря на внешнюю цепь в ней течёт ток , совпадающий по направлению со своей эдс. Ток якоря взаимодействует с магнитным полем индуктора. Возникает электромагнитная сила . Направление силы , действующей на проводник, определяется по правилу левой руки. Она образует электромагнитный момент генератора, направленный против направления вращения якоря. Машина в генераторном режиме развивает тормозной момент, на преодоление которого расходуется энергия приводного агрегата. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря будет меньше эдс на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря :

. (6.1)

В режиме двигателя (рис. 6.2,б) к обмоткам подводят напряжение, полярность которого обеспечит то же направление тока. Возник ающие электромагнитные силы приведут ротор во вращение и совершат некоторую механическую работу. В якорной обмотке двигателя также индуктируется эдс. Однако, в отличие от режима генератора, она направлена встречно относительно тока и ограничивает его величину. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается эдс и падением напряжения в обмотке якоря:

. (6.2)

П ри вра­щении якоря в его обмотке индуцируется эдс. Она явля­ется переменной, поскольку проводники обмотки якоря поочередно проходят под се­верными и южными полю­сами. Если на концах провод­ников (рис. 6.1) установить контактные кольца, то форма кривых эдс и тока обмотки якоря бу­дет иметь вид на рис. 6.3,а Положение щеток не имеет значения. В случае примене­ния коллектора если обмотка якоря с помощью щёток замк­нута на внешнюю цепь, то при работе машины в генераторном режиме форма кривых и в про­водниках такие же, как и на рис. 6.3,а. Для внешней цепи формы кри­вых эдс и тока якоря представлена на рис. 6.3,б. Это объясняется тем, что при повороте якоря и коллектора изменяются направления эдс в проводниках. Также происходит смена коллекторных пластин под щетками. Из-за этого под верхней щёткой всегда будет на­ходиться пластина, соединенная с расположенным под северным полюсом проводником, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щёток и направление тока во внешней цепи оста­ются неизменными.

Следовательно, в режиме генератора коллектор является механическим выпрямителем, преобразующим перемененный ток обмотки якоря в постоянный ток внешней цепи. В режиме двигателя машина потребляет от источника постоянный ток. Коллектор превращает постоянный ток в переменный ток обмоток якоря, и работает механическим инвертором [1].