Общие вопросы машин постоянного тока

2.1. Принцип действия машин постоянного тока

Электрическими машинами постоянного тока называют электромеханические устройства, которые преобразуют механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока (режим генератора) или электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию (режим двигателя).

Изучение машин постоянного тока удобно начинать с рассмотрения принципа действия простейшей машины переменного тока.

На рис. 2.1 схематично показана конструкция машины, магнитная цепь которой состоит из двух полюсов постоянного магнита N и S, предназначенных для создания магнитного поля. Силовые линии этого магнитного поля направлены от северного полюса N к южному полюсу S.

Рис. 2.1

В магнитном поле находится барабан, на поверхности которого расположен виток проводника abcd. Активные стороны витка ab и cd проходят по образующей барабана. Выводы витка соединены с контактными кольцами и , зафиксированными на валу барабана.

Заставим вращаться барабан с помощью внешнего источника механической энергии с постоянной скоростью против часовой стрелки. В соответствии с законом электромагнитной индукции, сформулированным Фарадеем, в проводнике, движущемся в равномерном магнитном поле под углом , к силовым линиям, наводится ЭДС, величина которой определится уравнением , где e – мгновенное значение электродвижущей силы; l  длина проводника; B  индукция магнитного поля; v – линейная скорость перемещения проводника;   угол между вектором скорости и вектором индукции магнитного поля.

Направление электродвижущей силы определяется по правилу правой руки. Применяя это правило к проводнику ab, мы видим, что в рассматриваемом случае ЭДС направлена к нам, а в проводнике dc  от нас. Результирующая ЭДС витка определится суммой электродвижущих сил проводников ab и dc.

Если барабан, радиус которого равен r, вращается со скоростью n (об/мин), тогда линейная скорость перемещения проводника может быть определена с помощью уравнения

,

где (1/с), (м/с).

Для случая вращательного движения:

,

где Ω  угловая или циклическая скорость вращения витка; r  радиус барабана.

Подставляя в выражение для определения ЭДС полученные значения скорости и угла , получим для одного из проводников:

.

ЭДС двух последовательно соединенных проводников (ab и dc) будет в два раза больше

, или , .

Так как произведение является площадью витка, то максимальное значение магнитного потока, пронизывающего этот виток будет равен: .

Откуда получим уравнение для определения ЭДС

.

Рис. 2.2

Временная диаграмма изменения ЭДС витка представлена на рис. 2.2.

Частота электродвижущей силы определяется следующим образом. Отрезок вре­мени, в течение которого совершается одно полное колебание синусоидальной функции, называется периодом. В то же время за одно полное колебание фаза синусоидальной функции изменяется на радиан. Тогда , а . , .

Максимальное значение ЭДС или амплитуда электродвижущей силы

.

Мгновенное значение ЭДС будет выражено уравнением

.

Рассматриваемая машина имеет одну пару полюсов. В этом случае за один оборот якоря машины ЭДС совершит один полный цикл изменения, равный полному периоду. На практике имеются машины с двумя, тремя и большим количеством пар полюсов. Если машина имеет p пар полюсов, то за один оборот барабана ЭДС изменится p раз и будет иметь частоту в p раз больше.

Так как скорость вращения рамки и частота электродвижущей силы не равны между собой, введем понятие угловой частоты .

Тогда , следовательно, и .

Действующее значение ЭДС одного витка

.

Если рамка, расположенная на барабане, имеет N витков, тогда действующее значение ЭДС будет равно .

Рассмотренная машина генерирует синусоидальную ЭДС. Для получения ЭДС, полярность которой не изменялась бы во времени, необходим выпрямитель, т. е. устройство, преобразующее переменную ЭДС в однополярную. Роль такого преобразователя в машинах постоянного тока играет коллектор. Принцип действия коллектора легко понять из рис. 2.3.

Рис. 2.3

Концы витка подключены к двум пластинам коллектора, представляющим собой два полукольца и . Эти полукольца изолированы друг от друга и от вала, на котором закреплен коллектор. По поверхности пластин скользят щетки и , осуществляющие электрическую связь вращающегося витка с внешней цепью.

Рис. 2.4

Для выпрямления тока щетки необходимо располагать таким образом, чтобы их переход с одной пластины на другую происходил бы в тот момент, когда ЭДС в витке будет равна нулю. На рисунке это соответствует вертикальной линии, проведенной через точки касания щеток коллекторных пластин. Так как барабан вращается, ЭДС витка будет переменной. Верхняя щетка будет всегда иметь электрический контакт с пластиной коллектора, к которой подключен проводник, расположенный под северным полюсом. Аналогичные рассуждения справедливы и для нижней щетки. Таким образом, щетка будет всегда иметь положительный потенциал относительно нижней щетки. Временная диаграмма электродвижущей силы на щетках машины представлена на рис. 2.4.

Позже будет сказано о том, что постоянное напряжение с мень­шими пульсациями получают путем увеличения количества секций обмотки якоря электрической машины.

Барабан с расположенными на нем проводниками и коллектором в машинах принято называть якорем.

Принцип действия машин постоянного тока мы рассмотрели на примере генератора постоянного тока. Однако эти машины обладают свойством обратимости, т. е. одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Если к зажимам генератора постоянного тока подвести постоянное напряжение, то якорь такой машины начнет вращаться, преобразуя энергию постоянного тока в механическую энергию.