Лекция 13

– другого). В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила. Направление действия силы определяется правилом левой руки.

На рис. 6.1.1.9 схематично показана верхняя часть якоря, находящаяся в магнитном поле возбуждения под северным полюсом. Обмотка якоря упрощенно представлена несколькими проводниками круглого сечения.

Рис. 6.1.1.9. Принцип действия двигателя постоянного тока

Направление тока в проводниках обмотки якоря определяется полярностью подключения ее к источнику постоянного напряжения. На рис. 6.1.1.9 ток обмотки якоря обозначен крестиком, что соответствует направлению за плоскость рисунка. Направление магнитного потока определяется направлением тока в обмотке возбуждения (полярностью подключения обмотки возбуждения).

При указанных на рис. 6.1.1.9 направлениях магнитного потока возбуждения и тока якоря на проводники обмотки якоря действует электромагнитная сила, направленная влево. Силы, действующие на каждый проводник обмотки якоря, складываются и создают электромагнитный вращающий момент МЭМ, приводящий якорь во вращение с частотой вращения n. При этом якорь, вращая

11

рабочий механизм, совершает механическую работу. Таким образом, энергия электрического тока, подведенная к двигателю, преобразуется в механическую энергию.

Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменит полярность подключения обмотки якоря или обмотки возбуждения.

При вращении якоря ДПТ проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле возбуждения. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. В двигателе эта ЭДС направлена противоположно току и напряжению якоря (рис. 6.1.1.9) и компенсирует приложенное напряжение.

6.1.3. Принцип действия генератора постоянного тока

Схема включения генератора постоянного тока показана на рис. 6.1.1.10. Здесь Д – приводной двигатель, вращающий вал генератора.

Рис. 6.1.1.10. Схема включения генератора постоянного тока

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключена к источнику постоянного напряжения Uв также, как в ДПТ. Постоянный ток обмотки возбуждения создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв.

12

Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным на рис. 6.1.1.2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря генератора постоянного тока.

Якорь генератора вращается приводным двигателем Д (турбина, двигатель внутреннего сгорания и т.п.) с частотой вращения n. Проводники обмотки якоря, вращаясь вместе с ним движутся в магнитном поле возбуждения. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции в таких проводниках индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. На рис. 6.1.1.11 при указанных направлениях магнитного потока и вращения якоря ЭДС e в проводниках обмотки якоря направлена вдоль проводника за плоскость рисунка. Это направление обозначено крестиком.

Рис. 6.1.1.11. Принцип действия генератора постоянного тока

Конструкция обмотки якоря такова, что все ее проводники соединены последовательно. При этом ЭДС всех проводников складываются и создают разность электрических потенциалов, которая через пластины коллектора и щетки подается к зажимам генератора. На зажимах обмотки якоря генератора создается напряжение U. Если к зажимам обмотки якоря генератора присоединить

13

приемник электрической энергии с сопротивлением Rп , то образуется электрическая цепь, в которой под действием напряжения U возникает ток IЯ , который замыкается в приемнике. Таким образом, генератор постоянного тока, потребляя от приводного двигателя механическую энергию, отдает электрическую энергию электроприемникам во внешнюю электрическую цепь, т.е. преобразует механическую энергию в электрическую.

Ток IЯ замыкается во всех проводниках обмотки якоря. При этом согласно явлению силового действия магнитного поля на каждый проводник с током, находящийся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила FЭМ. Направление действия силы определяется правилом левой руки. Как видно на рис. 6.1.1.11, электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки якоря, создают тормозной электромагнитный момент, направленный навстречу вращению якоря. Этот электромагнитный момент уравновешивает механический момент приводного двигателя.

6.1.4. Способы возбуждения машин постоянного тока

Важным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, от которого зависят все основные характеристики как двигателей, так и генераторов. Существуют четыре способа возбуждения машин постоянного тока: независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение. На рис. 6.1.1.12 показаны схемы включения обмотки якоря и обмотки возбуждения при разных способах возбуждения. Указанные на схемах направления токов соответствуют работе машины в режиме генератора.

При независимом возбуждении (рис. 6.1.12а) обмотка возбуждения питается от независимого источника с напряжением Uв. Ток приемника электроэнергии, подключенного к генератору, равен току якоря IЯ. В генераторе с па-

14

раллельным возбуждением (рис. 6.1.12б) обмотка возбуждения подключена к зажимам якоря. Ток возбуждения определяется напряжением на зажимах генератора и равен

где Rв – сопротивление обмотки возбуждения; U – напряжение на зажимах генератора.

Рис. 6.1.12. Способы возбуждения машин постоянного тока

15

При этом соотношение между токами возбуждения, якоря и приемника

Обмотка возбуждения в такой МПТ выполняется из тонкого провода с большим числом витков и обладает большим электрическим сопротивлением.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 6.1.12 в) обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря. При этом токи

Последовательная обмотка возбуждения выполняется из провода большого сечения с малым числом витков и обладает небольшим электрическим сопротивлением. Малое сопротивление последовательной обмотки возбуждения незначительно сказывается на соотношении тока и напряжения в цепи якоря.

Генератор со смешанным возбуждением (рис. 6.1.12 г) имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением получили название генераторов с самовозбуждением, поскольку их обмотки возбуждения питаются от зажимов собственного якоря.

6.1.5. Схема замещения и уравнения электрического состояния машин постоянного тока

Для расчета и анализа электромагнитных процессов и характеристик машин постоянного тока необходимо моделирование машины с помощью электрической схемы замещения и соответствующих уравнений электрического состояния.

16

При составлении схемы замещения необходимо отразить основные процессы, происходящие в якоре МПТ. В частности, обмотка якоря выполненная из провода конечных размеров (диаметр и длина) обладает определенным активным сопротивлением RЯ. Это обусловливает падение напряжения в обмотке якоря и безвозвратную потерю энергии в виде тепла как в генераторе, так и в двигателе. Сопротивление обмотки якоря учитывается в схеме замещения идеальным резистором с сопротивлением RЯ.

Двигатель постоянного тока

В двигателе постоянного тока при вращении якоря в его обмотке индуцируется ЭДС, направленная навстречу току и частично уравновешивающая приложенное напряжение. Это учитывается введением в схему замещения идеального источника ЭДС величиной EЯ. Таким образом, напряжение источника, приложенное к обмотке якоря двигателя, уравновешивается падением напряжения на сопротивлении RЯ и величиной противоэдс EЯ:

U = Eя + I яRя. (6.1.4)

Уравнение (6.1.4) называют уравнением электрического состояния цепи якоря двигателя постоянного тока.

Соответствующая такому уравнению электрического состояния схема замещения показана на рис. 6.1.13.

Рис. 6.1.13. Схема замещения двигателя постоянного тока

Умножив обе части уравнения (6.1.4) на ток IЯ, получим уравнение мощностей ДПТ:

17

Генератор постоянного тока

При работе МПТ в режиме генератора ток в приемнике и в обмотке якоря обеспечивается за счет ЭДС якоря, наводимой магнитным полем возбуждения. Эта ЭДС создает напряжение на зажимах генератора и компенсирует падение напряжения в обмотке якоря. Уравнение электрического состояния ГПТ имеет вид:

а соответствующая схема замещения показана на рис. 6.1.14.

Рис. 6.1.14. Схема замещения генератора постоянного тока

разования механической энергии в электрическую;

∆Pя = RяI я2 - электрические потери мощности в обмотке якоря;

Pэл =UI я - электрическая мощность, отдаваемая приемнику во внешнюю элек-

трическую цепь.

Заключение

1.Электрические машины – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.

Впервом случае такая электрическая машина называется электрическим двигателем, во втором – генератором электроэнергии. Основные конструктивные части электрической машины - статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть).

2.В зависимости от характера магнитного поля, конфигурации магнитопровода магнитной цепи машины, характера электрического тока в ее обмотках все электрические машины можно разделить на типы: электрические машины постоянного тока, асинхронные электрические машины, синхронные электрические машины, специальные электрические машины.

3.В электрической машине постоянного тока (МПТ) осуществляется преобразование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию (двигатель постоянного тока), или наоборот (генератор постоянного тока).

4.Статор МПТ состоит из станины, представляющий собой стальной полый цилиндр, являющейся механическим остовом машины и одновременно служащей частью магнитопровода. К внутренней поверхности станины крепятся полюсы с обмоткой возбуждения.

5.Ротор МПТ называется якорем. Якорь представляет из себя цилиндр, шихтованный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности якоря имеются продольные пазы с уложенной в них обмоткой якоря

19

6. Для соединения обмотки вращающегося якоря с внешней электрической цепью и коммутации тока якоря служит щеточно-коллекторный узел. Цилиндрический коллектор состоит из отдельных медных коллекторных пластин, изолированных друг от друга, соединенных с соответствующей секцией обмотки якоря. Коллектор крепится на валу машины и вращается вместе с якорем. К наружной поверхности коллектора прижимаются неподвижные электрические щетки. Щетки обеспечивают скользящий электрический контакт обмотки якоря

свнешней электрической цепью.

7.Принцип работы ДПТ определяется силовым действием магнитного поля. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное магнитное поле возбуждения. Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря Iя. В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила, создающая вращающий электромагнитный момент.

8.Принцип работы ГПТ определяется индукционным действием магнитного поля. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное магнитное поле возбуждения. Якорь генератора вращается приводным двигателем. Проводники обмотки якоря, вращаясь вместе с ним движутся в магнитном поле возбуждения. Согласно закону электромагнитной индукции в таких проводниках индуцируется ЭДС, которая определяет напряжение на зажимах обмотки якоря.

9.Способ возбуждения МПТ определяется взаимным включением обмоток возбуждения и якоря и может быть независимым, параллельным, последовательным и смешанным. Способ возбуждения определяет основные свойства и характеристики МПТ.

10.Схема замещения и уравнения электрического состояния позволяют

20