Электрические машины постоянного тока

Схема машины по­стоянного тока, показанная ниже на рисунке, поясняет принцип работы генератора и двигателя постоянного тока.

На схеме показан один виток обмотки якоря и простейший коллектор в виде двух изолированных полуколец. При положении переключателя П в позиции 1 и вращении якоря в последнем наводится э.д.с., направление которой определя­ется по правилу правой руки. В цепи нагрузки R будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д.с.. При такой схеме машина работает в режиме генератора. При положении переключателя П в позиции 2 (первичный двига­тель отключен) в якоре будет протекать ток, направление которого противоположно ранее рассмотренному. Взаимодействие тока якоря и магнитного поля вызовет появление вращающего момента. Якорь при этом будет вращаться в том же направлении, как и ранее, однако машина перейдет в режим работы электродвигателя. В обмотке якоря электродвигателя также наводится э.д.с., которая имеет напра­вление, противоположное направлению тока якоря, и поэтому назы­вается противоэлектродвижущей силой. При работе машины в качест­ве электродвигателя противо-э.д.с имеет меньшее значение, чем напря­жение на зажимах, а при работе в качестве генератора, наоборот, э.д.с. машины выше, чем напряжение на ее зажимах, на величину падения напряжения в обмотке якоря.

Коллектор генератора служит для выпрямления напряжения и тока, протекающего во внешней цепи. При одном витке якоря и двух коллекторных полукольцах выпрямленный ток представляет собой пульсирующий ток одного направления:

Для получения практически постоянного по величине тока необходимо увеличе­ние числа секций обмотки якоря и соответственно числа коллектор­ных пластин.

Щетки в машинах постоянного тока располагают таким образом, чтобы они замыкали секции якоря, активные стороны которых в данный момент проходят нейтральную плоскость магнитного поля, то есть когда э.д.с. равна нулю.

Положение физической нейтральной плоскости магнитного поля зависит от нагрузки машины (при холостом ходе оно совпадает сположением геометрической нейтрали). В нагруженной машине вза­имодействие тока якоря с магнитным полем полюсов искажает по­следнее (реакция якоря), что вызывает смещение физической нейтрали относительно геометрической. Поэтому во избежание замыканий сек­ции якоря, где э.д.с. отлична отнуля, щетки смещают в генераторах по направлению вращения, а в двигателях - против направления. Ослабления реак­ции якоря также достигают, применяя дополнительные полюса. Их располагают между главными полюсами по геометрической нейт­рали и включают таким образом, чтобы скомпенсировать влияние реакции якоря на магнитное поле полюсов.

Основные части машин постоянного тока - стальной цилиндрический корпус (6) (статор), на внутренней поверхности которого крепятся стальные сердечники электромагнитов (полюсы - 4, 5), а на боковых - подшипниковые щиты (1). Подвижная часть машины - якорь (3) - состоит из стального вала, на котором жестко закреплены сердечник, набранный из листо­вой электротехнической стали, и коллектор (7) в виде цилиндрического переключателя, собранного из медных пластин (ламелей), изолиро­ванных друг от друга слюдой (миканитом). По ламелям скользят неподвижные щетки (2).

Обмотка якоря состоит из секций изолированного провода, уложенных в пазы сердеч­ника якоря и присоединенных к пластинам коллектора. Станина статора, его полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь машины, одним из участков которой является воздушный зазор между поверхностями сердечника якоря и полюсами статора. На сердечниках электромагнитов расположены обмотки возбуждения. Для правильного распределения магнитного потока по окружности якоря на концах сердечников укреплены стальные наконечники, охватывающие его.

В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяются на машины с параллельным (шунтовым), последовательным (сериесным) и смешанным (компаундным) возбуж­дением. В некоторых случаях применяют независимое возбуждение от отдельного источника.

Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуж­дением используют как генераторы и электродвигатели, а машины с последовательным — только как электродвигатели.

Генераторы, в которых обмотка возбуждения получает питание от якоря, называют генераторами с самовозбуждением. В обмотке такого генератора э.д.с. наводится за счет некоторого остаточного магнетизма полюсов. Регулирова­ние э.д.с. генератора, как правило, производится изменением тока возбуждения с помощью реостата, включенного в цепь обмотки воз­буждения. Основные номинальные параметры генератора: полезная мощ­ность, напряжение на зажимах, ток нагрузки и частота вращения указывают в заводском паспорте.

По конструкции электро­двигатели в основном не отличаются от генераторов. При пуске элект­родвигателя необходимо ограничить пусковой ток, так как при неподвижном якоре противо-э.д.с. равна нулю. Это достигается последова­тельным включением реостата в цепь якоря. По мере выведения ступеней реостата двигатель набирает обороты, достигая номиналь­ных. Для регулирования скорости электродвигателя с параллельным возбуждением служит шунтовой реостат, с помощью которого изме­няется ток возбуждения, зависящий от напряжения сети, а не от нагрузки, следовательно, от нее не зависит и магнитный поток.

В двигателе с последовательным возбуждением через обмотку возбуж­дения протекает ток якоря, следовательно, магнитный поток возра­стает вместе с нагрузкой.

Отсюда следует, что с ростом нагрузки у двигателя с параллельным возбуждением частота вращения меня­ется незначительно, а с последовательным сильно.

Электродвигатели с последовательным возбуждением при малых оборотах, в частности при пуске, развивают большой вращающий момент, поэтому они широко применяются для привода механизмов, требующих большого первоначального момента (краны, электротранспорт и т. д.). Недостатком этих двигателей является резкое повышение частоты вращения при уменьшении нагрузки. При сни­жении нагрузки до 25 % от номинальной число оборотов возрастает до опасных пределов, и двигатель может пойти «вразнос». Поэтому такие машины нельзя подключать к сети без нагрузки.