Машины постоянного тока

Машины постоянного тока (МПТ) – это двигатели (ДПТ) и генераторы (ГПТ). ДПТ – имеют важное преимущество перед другими двигателями – они допускают плавное регулирование скорости вращения и создают большой момент при пуске. ГПТ – используются как тахогенераторы и усилители электрических сигналов в САР.

Устройство МПТ

Основными частями МПТ являются статор, якорь и щёточно-коллекторный узел (ЩКУ) (Рис. 1).

Рис. 1

1 – статор; 2 – якорь; 3 – основные магнитные полюсы;

4 – дополнительные магнитные полюса; 5 – пластина

коллектора; 6 – графитовые щетки; 7 – обмотка

возбуждения

Статор – это цилиндрическая, стальная станина 1, на внутренней поверхности которой расположены основные магнитные полюсы 5 с катушками, 7 – это электромагниты. Катушки электромагнитов соединены последовательно так, что полюсы N-S на статоре чередовались (для многополюсной машины). Соединённые таким образом катушки образуют обмотку возбуждения. Между основными полюсами расположены добавочные 6, которые служат для ликвидации искрения на коллекторе. Катушки добавочных полюсов включаются последовательно в цепь якоря.

Статор является механическим остовом машины и служит для создания основного магнитного поля, которое неподвижно и создаётся электромагнитами постоянного тока или постоянными магнитами для машин малой мощности.

Якорь 2 собирается из дисков, штампованных из электротехнической стали, толщиной 0,5 мм. Это делается для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы якоря укладывается обмотка, соединённая с пластинами коллектора.

Щёточно-коллекторный узел

Щёточно-коллекторный узел (ЩКУ) состоит из электрографитовых щёток 4, прижимающихся к коллектору-цилиндру, набранному из медных изолированных друг от друга пластин 3, соединённых с проводниками обмотки якоря. Коллектор насажан на вал якоря. Щётки установлены в щёткодержателях и соединены с двумя зажимами якоря, к которым можно присоединять внешнюю цепь. Число щёток берется равным числу полюсов. Для многополюсной машины щётки одинаковых знаков соединяются шинами, которые присоединяют к двум зажимам якоря.

Благодаря коллектору подводимый постоянный ток меняет направление в проводниках обмотки якоря, когда при вращении якоря они переходят в другую параллельную цепь, т.е. попадают в пространство под другим полюсом. Таким образом, направление тока в проводниках обмотки якоря, находящихся под данным полюсом, остается все время неизменным.

Таким образом, ЩКУ осуществляет скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря и обеспечивает получение на зажимах МПТ постоянного по направлению напряжения (и тока) в проводниках якоря под полюсами, то есть ЩКУ является механическим выпрямителем.

Режим работы мпт

МПТ работает в режиме генератора, двигателя и электромагнитного тормоза.

1.Режим генератора

Для работы МПТ в режиме генератора необходимо подать электрическое питание на обмотку возбуждения (О В) и привести во вращение якорь. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС на величину падения напряжения во внутреннем сопротивлении якоря:

(1)

Произведение момента на угловую скорость равно мощности вращения. По закону сохранения энергии механическая мощность двигателя равна электромагнитной мощности генератора (потерями на трение пренебрегаем): .

Умножим уравнение (1) на , получим:

(2)

Выражение (2) – уравнение баланса мощностей цепи якоря генератора. Уравнение показывает, что мощность отдачи энергии нагрузки и мощность потерь в обмотке якоря составляет электромагнитную мощность развиваемую генератором и равную механической мощности первичного двигателя.

2.Режим двигателя

Подадим на обмотку возбуждения (ОВ) питание, а на зажимы неподвижного якоря МПТ напряжение от какого-нибудь источника. Напряжение вызовет в цепи якоря ток. При этом возникнет электромагнитный момент, который начнёт вращать якорь, совершая механическую работу. Машина станет работать в режиме электродвигателя. Чтобы преодолеть сопротивление механической нагрузки на валу, электродвигатель должен потреблять электроэнергию от внешнего источника. Приложенное к зажимам якоря двигателя напряжение равно сумме противо-ЭДС и падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря.

(3)

Получим уравнение баланса мощностей, умножив выражение (3) на

(4)

Мощность поступления электроэнергии в якорь двигателя от внешнего источника равна электромагнитной мощности и мощности потерь в обмотке якоря. Электромагнитная мощность двигателя равна механической мощности вращения якоря.

МПТ может работать как генератором, так и двигателем. Следовательно, в электрической машине направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. Это свойство МПТ называется обратимостью.

3.Режим электромагнитного тормоза

Если момент нагрузки (подъём груза) превысит вращающий момент двигателя, то он сначала остановится, а затем начнёт вращаться в противоположную сторону. Развиваемый двигателем электромагнитный момент станет противодействующим по отношению к нагрузке, и двигатель окажется в режиме электромагнитного тормоза.

В режиме тормоза ток в цепи якоря создаётся суммой напряжения сети и ЭДС якоря

(5)

и может, существенно возрасти.

Баланс мощностей цепи якоря МПТ в данном режиме получим, умножив уравнение (5) на

(6)

Мощность потребления электроэнергии из сети и механическая мощность вращения якоря, преобразуемая в электромагнитную мощность в режиме тормоза, превращается в электрические потери в обмотке якоря. ( Смена оборота)

В режим электромагнитного тормоза двигатель переводится противовключением, то есть переключением цепи вращения якоря с изменением направления тока в ней на обратное.