4. Машины постоянного тока

4.1. Назначение машин постоянного тока

Машина постоянного тока – это электрическая машина, обмотка якоря которой соединяется с электрической сетью постоянного тока через механический коммутатор-коллектор.

Коллектор – узел электрической машины, обеспечивающий протекание переменного тока в якоре. Он играет роль выпрямителя в генераторном режиме и преобразователя частоты в двигательном, и делает возможным процесс непрерывного электромеханического преобразования энергии.

Машина постоянного тока обратима и может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Мощность машин постоянного тока, применяемых в электрических установках составляет от долей киловатта до 10 МВт и выше, напряжение обычно не превышает 1 кВ, частота вращения составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч оборотов в минуту.

В промышленности генераторы постоянного тока применяются для питания электропривода постоянного тока, в установках проводной и радиосвязи, авто- и авиатранспорте. Двигатели постоянного тока используют в электроприводах, требующих широкого, плавного и экономичного регулирования частоты вращения, высоких перегрузочных, пусковых и тормозных моментов.

Достоинствами коллекторных машин постоянного тока являются хорошие пусковые и регулировочные свойства, недостатками: сложность конструкции, пониженная надежность и высокая стоимость.

Рис. 4.1. Внешний вид двигателей постоянного тока.

Внешний вид двигателей постоянного тока показан на рисунке 4.1.

4.2. Принцип работы машин постоянного тока

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока на примере упрощенной модели на рисунке 4.1. Между полюсами магнита N и S находится вращающаяся часть генератора – якорь, вал которого механически связан с приводным двигателем. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abed, концы которого присоединены к двум полукольцам (пластинам), образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, обеспечивающие скользящий контакт с внешней цепью, в которую включена нагрузка сопротивлением R.

Рис. 4.1. Упрощенная модель коллекторной машины постоянного тока: N и S – магнитные полюса; А и В – щетки; abcd – виток обмотки якоря.

В витке якоря abcd, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита (или электромагнита), наводится ЭДС

, гдеи– ЭДС обеих сторон виткаabcd; – скорость движения проводника относительно магнитного поля;– длина активной части проводника, т.е. части проводника, пересекающей линии магнитного поля; – магнитная индукция в месте расположения проводника.

Геометрической нейтраль – линия, которая проходит через центр якоря посредине между полюсами N и S.

Полюсное деление – часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу. В упрощенной модели на рисунке 4.1. показаны два полюсных деления – одно соответствует северному полюсу, а другое – южному.

Максимальная ЭДС индуцируется при положении витка abcd, показанном на рисунке 4.1, поскольку в этом положении максимальна скорость движения сторон витка относительно магнитного поля полюсов, т.е. максимальна . При положении сторон витка на геометрической нейтрали индуцируемая ЭДС равна нулю, т.к. в этом положении мгновенное значение.

В машинах постоянного тока магнитная индукция обычно имеет синусоидальное распределение, поэтому ЭДС, индуцируемая в проводнике при вращении якоря, также изменяется во времени синусоидально и ее направление определяется правилом правой руки. В витке обмотки якоря в рассматриваемой модели индуцируется переменная во времени ЭДС, изменяющая свое направление 2 раза за один оборот якоря.

Время T, в течение которого происходит одно полное изменение ЭДС, называется периодом ЭДС. Число периодов за 1 с называется частотой ЭДС. В общем случае, если машина имеет р пар полюсов, частота индуцируемой ЭДС определяется формулой

, гдеn и – частота и угловая скорость вращения якоря.

При отсутствии коллектора ток во внешней цепи был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению, рисунок 4.2. В момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, полярность щеток генератора всегда остается неизменной, независимо от положения витка якоря. Пульсации тока во внешней цепи существенно ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

Рис. 4.2. ЭДС и ток во внешней цепи якоря при наличии и отсутствии коллектора в зависимости от угла поворота α якоря относительно геометрической нейтрали.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может рассматриваться в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока.

Показанная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы. При прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали электромагнитные силы равны нулю, т.к. магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю. С увеличением числа проводников в обмотке якоря при равномерном их распределении на поверхности якоря и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Исходя их принципа действия, щеточно-коллекторный узел, включенный между обмоткой якоря и внешней электрической сетью, является обязательным элементом машин мостоянного тока и играет роль механического преобразователя рода тока.