6.2.2. Принцип действия машины постоянного тока
Режим генератора тока. Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока (рис. 16 а). Здесь постоянный магнит N—S представляет собой статор с вектором магнитной индукции 5, рамка abсd— якорь, а два полукольца К1 и К2 - коллекторы, Щ1 и Щ2 - щетки.
В основе работы генератора лежит закон электромагнитной индукции. При вращении рамки abed в магнитном поле постоянного магнита в ней будет индуцироваться переменная ЭДС, изменяющаяся по синусоидальному закону.
Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), то проводники ab и cd пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальная ЭДС. При горизонтальном положении витка ЭДС в проводниках равна нулю.
Направление индуцированной ЭДС определяется по правилу правой руки. При переходе витка под другой полюс направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается и коллектор, то на верхней щетке, находящейся под северным полюсом, всегда будет один и тот же знак ЭДС. В результате полярность щеток остается неизменной. Если же полукольца заменить кольцами, то щетками с них мы будем снимать синусоидальное напряжение при вращении якоря.
Несмотря на то, что знак ЭДС не изменяется, по величине она достигает (некоторого максимального значения и снижается до нуля (рис. 16,б).ЭДС с такой пульсацией непригодна для большинства приемников. Поэтому для уменьшения пульсаций обмотку якоря выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор - из большого числа коллекторных пластин. На(рис. 16,б).показана ЭДС при вращении одного витка при двух коллекторных пластинах; если витковт, то пластин2т. Прит = 16пульсация уже практически незаметна.
Таким образом, коллектор представляет собой механический выпрямитель, преобразующий переменную ЭДС в постоянную.
Если к щеткам якоря подсоединить нагрузку, то по цепи пойдет ток. С появлением тока в проводниках обмотки якоря, находящихся в магнитном поле, действует электромагнитная сила. Направление электромагнитной силы можно определить по правилу левой руки. Оказывается, направление электромагнитных сил противоположно направлению вращения якоря, т. е. создает противодействие. Таким образом, чтобы машина работала в режиме генератора, необходимо преодолевать тормозной электромагнитный момент. Напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС Е на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря: U = E − rЯ IЯ (1)
Уравнение (1) называют уравнением электрического состояния генератора
Режим двигателя. Подадим на зажимы этой же машины напряжение от внешнего источника. В цепи якоря потечет ток. Работа двигателя основана на принципе движения проводника с током в магнитном поле.
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электрическая cила F. Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Если момент, развиваемый машиной, больше момента сопротивления якоря, то якорь машины начнет вращаться, совершая механическую работу. Чем больше потребляемый ток от внешнего источника, тем больше развиваемый машиной момент. Таким образом, чтобы преодолеть сопротивление механической нагрузки на валу, двигатель должен потреблять электроэнергию от внешнего источника.
Рис. 17. Схема замещения, поясняющая принцип работы двигателя постоянного тока
Составим схему замещения (рис.17). Ток под действием напряжения от внешнего источника проходит по проводникам якоря. В якоре, вращающемся в магнитном поле, наводится ЭДС. Направление этой ЭДС определяется по правилу правой руки. Сравнивая направление тока и ЭДС, видим, что ЭДС направлена встречно току, поэтому часто она называется противо-ЭДС. Таким образом, приложенное к зажимам якоря двигателя напряжение равно сумме противо-ЭДС и падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря: U = E + rЯ IЯ (2)
Из рассмотренного видно, что одна и та же машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Это свойство электрических машин называется обратимостью.