Лекція 5 електричні машини постійного току

5.1. Загальні відомості й поняття

Електричними машинами називають машини, що перетворюють механічну енергію в електричну, чи, навпаки, електричну в механічну. Перші з них називають генераторами, другі – електродвигунами. У залежності від роду струму електричні машини поділяються на машини постійного струму й машини перемінного струму.

В основі роботи машин постійного струму лежать закон електромагнітної індукції й закон взаємодії провідника зі струмом і магнітного поля. На рис. 5.1 наведені схеми роботи машини постійного струму у режимі генератора й режимі електродвигуна. Машина зображена у найпростішому вигляді й являє собою виток, що обертається з постійною кутовою швидкістю у рівномірному магнітному полі між двома полюсами. Кінці витка приєднані до двох мідних півкілець, насаджених на вал і ізольованих один від одного. На півкільця накладені нерухомі щітки, що з'єднують виток із зовнішнім ланцюгом. Виток укладається на поверхні сталевого циліндра. Такий пристрій одержав назву якоря.

Якщо якір машини почати обертати (рис. 5.1, а), то виток буде перетинати магнітний потік і в ньому буде індукуватися перемінна ЕРС е, значення якої визначається за законом електромагнітної індукції:

(5.1)

де В — магнітна індукція, перпендикулярна до напрямку руху витка; l — активна довжина витка, тобто довжина двох боків витка, що перетинають магнітний потік; v — швидкість руху витка відносно полюсів.

а) б)

Рис. 5.1. Схеми роботи машин постійного струму:

а — генератора; б-двигуна

Під впливом ЕРС, що виникла, у замкнутому ланцюзі потече струм. Він буде взаємодіяти з магнітним полем, у результаті чого утвориться електромагнітна пара сил, що, відповідно до закону Ленца, буде протидіяти руху витка. Машина в розглянутому випадку працює у режимі генератора, тому що при цьому механічна енергія первинного двигуна перетвориться в електричну.

При проходженні через виток струму І від стороннього джерела живлення (рис. 5.1, б) у результаті взаємодії струму й магнітного поля виникає електромагнітна пара сил, напрямок якої визначається за правилом лівої руки, а значення – за формулою:

(5.2)

Під впливом цієї пари сил виток почне рухатись. Він буде перетинати магнітне поле, і в ньому виникне ЕРС е, що, відповідно до закону Ленца, буде перешкоджати причині свого виникнення. Машина у розглянутому випадку працює в режимі електродвигуна, тому що електрична енергія джерела живлення перетвориться у механічну.

Таким чином, в обох режимах мають місце ЕРС і електромагнітні сили. У режимі генератора ЕРС є причиною виникнення струму, а електромагнітні сили – силами гальмування. У режимі електродвигуна електромагнітні сили є причиною руху, а ЕРС – силою протидії. Отже, електрична машина оборотна, тобто вона може працювати як у режимі генератора, так і у режимі електродвигуна.

При роботі машини у режимі генератора у витку індукується перемінна ЕРС, під впливом якої у замкнутому ланцюзі тече струм – перемінний у витку й постійний за напрямком у зовнішньому ланцюзі.

При роботі машини у режимі електродвигуна у зовнішньому ланцюзі тече також постійний струм, а у витку – струм, перемінний за напрямком. Перетворення перемінного струму у постійний на затисках зовнішнього ланцюга у режимі генератора й зміна напрямку струму у витку у режимі електродвигуна здійснюються автоматично за допомогою колектора.

а) б)

Рис. 5.2. Схема роботи колектора

Розглянемо принцип дії колектора машини. На схемах (рис. 5.2 а і б) – колекторні пластини; 1 і 2 — провідники; А і В — щітки, установлені на так званій нейтральній лінії, тобто лінії, що проходить посередині між полюсами. Значення ЕРС витка на нейтральній лінії завжди дорівнює нулю.

Очевидно, коли провідник 1 знаходиться під північним полюсом магніту, щітка А торкається пластини б, а щітка В – пластини а і в зовнішньому ланцюзі струм тече від щітки А до щітки В, як зазначено стрілками. При проходженні ж провідників через нейтральну лінію ЕРС дорівнює нулю і, отже, у витку, і в зовнішньому ланцюзі струму не буде. Нарешті, при переході провідника 1 в область південного полюса і, відповідно, провідника 2 в область північного полюса індуковані у них ЕРС змінюють свій напрямок на зворотній. Але, у момент зміни напрямку ЕРС у провідниках, щітка А переходить із пластини б на пластину а, а щітка В – відповідно з пластини а на пластину б. Таким чином щітки перемикають кінці витка стосовно зовнішнього ланцюга, у результаті чого струм у зовнішньому ланцюзі тече у попередньому напрямку. Іншими словами, у витку індукується перемінна ЕРС і тече перемінний струм, а у зовнішньому ланцюзі – пульсуючий струм, тобто струм, перемінний за силою й постійний за напрямком.

Для того щоб у зовнішньому ланцюзі одержати незмінний за напрямком струм, треба створити постійну напругу. Для цього на якорі на однаковій відстані один від одного укладають від 12 до 24 витків-секцій і відповідним чином збільшують число колекторних пластин. У результаті підсумовування ЕРС секцій ЕРС якоря й напруга на його затисках будуть постійними.