7.4 Машины постоянного тока

7.4.1 Общие понятия об устройстве машин постоянного тока и принципе их действия

У машины постоянного тока нормального исполнения цилиндриче- ский ротор с расположенной на нем обмоткой, называемый якорем, враща- ется в неподвижном магнитном поле (рисунок 7.7). В витках 1–3 и 2–4 об- мотки якоря индуктируются переменные ЭДС, для получения неизменного

_{направления тока i}

_{в сопротивлении нагрузки}

_{r применяется коллектор}

_{K , состоящий из медных изолированных друг от друга пластин, образую-}

_{щих цилиндр, по которому скользят щетки}

_{a − b . Наличие коллектора яв-}

ляется отличительной особенностью машины постоянного тока. К его пла- стинам присоединяются начала и концы витков обмотки. Стороны витков, расположенные за плоскостью рисунка, условно показаны штриховыми линиями.

N _N

1 _{2 1}

_a ^{i a} i

₁

r

2 ^{2 4} _{4 r} ^{2 1}

_{3 3} ⁴

K ^b

₃

^{3 b} 4

^S _S

а) _б)

Рисунок 7.8 – Простейший генератор с двумя витками и четырьмя коллекторными пластинами

В положении, показанном на рисунке 7.8, а, между щетками будет максимальная ЭДС, так как стороны 1–3 витка пересекают магнитные ли- нии перпендикулярно. При дальнейшем вращении эта ЭДС начнет убы- вать. После поворота якоря на 45⁰ (рисунок 7.8,б) щетки перейдут с пла- стин 1–3 коллектора на пластины 2–4 и подключатся к следующему витку. ЭДС в нем будет сначала возрастать до максимума, а затем начнет умень-

156

шаться, пока щетки снова не перейдут на пластины 3–1; ЭДС снова начнет возрастать и т.д. Рост и уменьшение ЭДС происходят за время, соответст-

^{вующее повороту якоря на угол } ₂

(рисунок 7.9), на протяжении этого

времени каждая щетка касается одной и той же коллекторной пластины.

Пульсации ЭДС (и тока) вредно сказываются на работе приемников и са-

_{мого генератора. Для их уменьшения увеличивают число витков, в кото-}

e

2 3 2 2

рых индуктируются ЭДС, и число коллекторных пластин.

В соответствии с принципом обратимости машина постоян- ного тока может работать как

генератор и как двигатель. В _t любом случае проводники пе- ресекают линии поля и в них

Рисунок 7.9 - ЭДС генератора с четырьмя коллекторными пластинами

_{действуют электромагнитные силы.}

возникает ЭДС.

Одновременно на проводники с током в магнитном поле воз-

Генератор преобразует механическую энергию, которая подводится к валу первичным двигателем, в электрическую, потребляемую приемни- ком, включенным на его зажимы. Механическое усилие первичного двига- теля (рисунок 7.10,а) приводит проводники якоря в движение с некоторой скоростью  . Возникающая ЭДС E вызывает ток I такого же направле- ния и должна преодолеть падение напряжения в обмотке якоря и сопро- тивление нагрузки:

^{E  U  I ⋅ r}_я ^{, (7.7)}

_{где U – напряжение на зажимах генератора или приемника;}

^r_я ^{– сопротивления цепи якоря.}

Электромагнитная сила

^F_эм

действующая на проводники с током,

_{оказывает противодействие усилию F}

_{первичного двигателя. В устано-}

вившемся режиме при постоянной скорости эти силы равны:

F_эм = F .

_{Механическая мощность, развиваемая первичным двигателем,}

^P_мех

^{ F ⋅  F}_мех ^{⋅  P}_эм ^{. (7.8)}

преобразуется в электромагнитную мощность генератора

^P_эм ^{. Последняя}

_{частично расходуется на нагрев обмотки якоря, а остающаяся ее часть со-}

ставляет электрическую мощность

^P_эл ^{, потребляемую приемником}

( P_эл

_{ UI ).}

^Pэм

 EI

 U  I ⋅ r_я ⋅ I  P_эл  I ² r_я . (7.9)

157

В двигателе протекание тока в обмотке якоря обусловлено прило- женным напряжением U , направление которого совпадает с направлением тока (рисунок 7.10,б). На проводники с током действует электромагнитная

сила

^F_эм

приводящая в движение якорь со скоростью

 . При том же на-

правлении тока, что и в генераторе, направление движения будет противо- положным. Возникающая в проводниках при пересечении линий поля ЭДС оказывается противоположной току, а, следовательно, и напряжению U , которое должно преодолеть эту ЭДС и падение напряжения в обмотке яко- ря:

^{U  E  I ⋅ r}_я ^{. (7.10)}

а) Генератор б) Двигатель

_{Ток Ток}

^Fэм

^{F F}эм

^F_сопр

_ЭДС

_Ток

_ЭДС

_Ток

Рисунок 7.10 – ЭДС, токи и механические силы в проводни-

_{ке обмотки якоря генератора и двигателя постоянного тока}

_{При постоянной скорости электромагнитная сила должна преодоле-}

вать силу сопротивления

^F_сопр

на валу двигателя. Электрическая мощ-

_{ность, потребляемая двигателем из сети,}

^P_эл

^{ UI  EI  I 2 r}_я

^{ P}_эм ^{ I 2 r}_я

(7.11)

частично идет на нагрев обмотки якоря. Остающиеся ее часть представляет собой электромагнитную мощность, которая оказывается равной механи- ческой мощности, развиваемой двигателем на валу:

^P_эм

^{ EI  F}_эм ^{⋅  F}_сопр ^{⋅  P}_мех

(7.12)

_{Полученные выражения можно объединить:}

^P_мх

^{ P}_эл ^{ I 2 r}_я ^;

^{E  U  I 2 r}_я ^.

(7.13)

(знак плюс берется для генератора, минус – для двигателя).