У машини із незалежним збудженням (рис. 4.55, а) затискачі обмотки збудження позначені Н1, Н2 , обмотки якоря – Я1, Я2. При роботі у генераторному режимі в якості джерела живлення обмотки збудження звичайно використовують акумуляторні батареї. Якщо машина працює у режимі двигуна, то живлення обмотки збудження здійснюють, наприклад, від окремого випрямляча. Оскільки струм, який діє у колі обмотки збудження I_зб набагато менший у порівнянні із струмом якоря I_я (він же струм навантаження I_н, або струм джерела), то, відповідно, обмотку збудження машини виконують із проводу значно меншого перерізу ніж обмотку якоря. На теперішній час МПС із незалежним збудженням використовують дуже рідко. Зараз від незалежного джерела збуджують тільки потужні генератори низької U  .24 В або високої U > 600 B напруги, а ДПС із незалежним збудження використовують тільки у спеціальних приводах.

В машині із паралельним збудженням (рис. 4.55, б), інакше – шунтова машина, обмотку збудження (затискачі Ш1, Ш2) вмикають паралельно із обмоткою якоря (затискачі Я1, Я2). На промислових підприємствах цю машину використовується і як генератор і як двигун. Струм навантаження, при роботі машини у генераторному режимі, або струм джерела, при роботі у якості двигуна, тут складається із струмів обмотки збудження і обмотки якоря. Разом з тим, оскільки I_зб << I_я, то під струмом навантаження (джерела) часто розуміють струм у колі якоря машини. В силу того, що I_зб << I_я обмотку збудження шунтової машини виконують із проводу значно меншого перерізу ніж обмотку якоря.

В машині із послідовним збудженням (рис. 4.55, в), інакше серієсна машина, обмотку збудження (затискачі С1, С2) вмикають послідовно із обмоткою якоря (затискачі Я1, Я2). Оскільки у обох обмотках машини діє один і той же струм I_зб = I_я = I_н то їх, обмотки, виконують із одного проводу. Частіше серієсну машину використовують у якості двигуна і практично не використовують як генератор. Серієсні двигуни мають великий пусковий момент, їх швидкість обертання можна легко регулювати у широких межах. Все це дало можливість використовувати їх як основний тяговий двигун на заводському електротранспорті, у метро, приміських і магістральних електрифікованих залізницях.

Машина із мішаним збудженням (рис. 4.55, г), інакше – компаундна машина, має дві обмотки збудження: паралельну (затискачі Ш1, Ш2) і послідовну (затискачі С1, С2). При цьому намагнічуючі котушки паралельної (шунтової) обмотки знаходяться на тих же головних полюсах, що і котушки послідовної (серієсної) обмотки. Опір серієсної обмотки приблизно такій же як і обмотки якоря машини (ці обмотки виконують із проводу приблизно однакового перерізу) і значно менший за опір шунтової обмотки. На підприємствах харчової і переробної промисловості компаундні машини використовують тільки у якості двигунів. Таки двигуни застосовують у міському електротранспорті (в трамваях, тролейбусах), на потужних прокатних станах.

4.3.3. Принцип дії та фізичні процеси машини постійного струму

4.3.3.1. Електрорушійна сила якоря, робота і призначення колектора машини

П

Рис. 4.56. Модель двополюсної (а) та чотириполюсної (б) машини із незалежним збудженням

ринцип дії ГПС, роботу і призначення колектора покажемо на прикладі моделей двополюсної і чотириполюсної машин із незалежним збудженням (рис. 4.56), осердя якоря яких має форму порожнього циліндра (такий якір називають кільцевим), а обмотка якоря виконана у вигляді замкненого тороїда. Оскільки напрямок вектора магнітної індукції поля індуктора (статора) визначається напрямком дії струму у обмотці збудження, то будемо вважати, ці напрямки, такі, як на показано рис. 4.56: у двополюсній машині (рис. 4.56, а) північний N полюс поля статора утворюється зверху, а південний S знизу; у чотириполюсної машини (рис. 4.56, б) північні N полюси розташовані на вертикальній вісі, а південні S на горизонтальній вісі машини.

При обертанні якоря будь-яким первинним двигуном активні ділянки витків якірної обмотки перетинають силові лінії магнітного поля індуктора і тому там, у кожній активній ділянці, виникають ЕРС:

,

які змінюються із частотою –

,

де Ф – магнітний потік одного полюса індуктора; р – кількість пар полюсів індуктора.

Діюче значення ЕРС активної ділянки витка якірної обмотки можна розрахувати так:

,

де В = 2рФ/(dl) – магнітна індукція поля статора (d – діаметр якоря); l та v – відповідно, довжина та швидкість руху активної ділянки витка якірної обмотки.

У лобових ділянках витків (розташовані на торцях осердя), а також ділянках розташованих на внутрішній поверхні осердя ЕРС не виникають, оскільки ці ділянки не перетинають силових ліній магнітного поля індуктора.

Напрямок дії ЕРС у активних ділянках витків якірної обмотки визначається за правилом правої руки. На рис. 4.56, він указаний на лобових ділянках витків за умовою обертання якоря за годинниковою стрілкою. Оскільки за один оберт ( = 360) кожен виток якірної обмотки почергово проходить під обома полюсами індуктора і зустрічає на своєму шляху магнітне поле із різною магнітною індукцією (по краям полюсу густина магнітних силових ліній менша ніж під середньою частиною полюсу), то зміна електрорушійної сили е у витку відбувається не за синусоїдою, а приблизно так, як показано на рис. 4.57.

Рис. 4.57. Якісний вигляд зміни електро- рушійної сили у витку якірної обмотки

Лінію (рис. 4.56), проведену через вісь машини перпендикулярно вісі магнітного поля пари полюсів статора, називають електричною нейтраллю. При роботі машини без навантаження електрична нейтраль співпадає із геометричною нейтраллю машини – лінією, яка проведена через вісь машини і поділяє силові лінії магнітного поля пари полюсів статора на дві частини рівні за довжиною. У двополюсної машини можна провести тільки одну електричну (геометричну) найтраль Н, у чотириполюсної – дві, Н₁ та Н₂. При переході через нейтраль активні ділянки витків якірної обмотки не перетинають силових ліній поля індуктора (вони “ковзають” по ним) і тому в цих витках не виникає ЕРС. Нейтральні лінії поділяють обмотку якоря на парну кількість частин, які називають паралельними вітками. В двополюсній машині, електрична нейтраль поділяє обмотку якоря на дві паралельні вітки, у чотириполюсної машини, де нейтралей дві – на чотири паралельні вітки.

Оскільки витки, які входять у паралельну вітку, проходять під одним полюсом, то у будь-якій час ЕРС цих витків мають однаковий напрямок. Вони, ЕРС витків, додаються і утворюють результуючу ЕРС паралельної вітки, напрямок дії якої такий же як ЕРС витків цієї паралельної вітки. При рівномірному розподіленні обмотки по колу якоря кількість витків у паралельній вітці залишається незмінною при будь-якому положенні якоря. Тому результуючі ЕРС паралельних віток дорівнюють одна одній і можуть бути розраховані таким чином.

Оскільки миттєве значення ЕРС, яка індукується у активній ділянці витка якірної обмотки дорівнює –

,

де В_х – індукція у точці повітряного зазору, яка розглядається,  – колова швидкість якоря;

то діюче значення ЕРС якірної обмотки можна визначити так:

,

де N – загальна кількість активних ділянок витків якірної обмотки, N/2a – кількість активних ділянок витків у одній з а паралельних віток якірної обмотки.

Враховуючи достатньо велику кількість колекторних пластин є можливість знехтувати пульсацією ЕРС, яка виникає при переході щіток з однієї пластини колектора на іншу і вважати, що:

,

де В_ср – середнє значення індукції в межах однієї полюсної частини  = d/(2p).

Вважаючи, що B_срl = Ф та v = dn/60 = 2pn/60, отримуємо:

.

Тут с_е = pN/(60a) – коефіцієнт, величина якого визначається конструктивними параметрами машини і не залежить від режиму її роботи.

Рис. 4.58. Принципова електрична схема якірної обмотки двополюсної (а) і чотириполюсної (б) машини

Завдяки тому, що вітки розташовані під різними полюсами, їх результуючі ЕРС діють зустрічно і, отже, врівноважують одна одну. Таким чином, у замкненій якірній обмотці не діє струм, а між точками обмотки, які проходять через електричну нейтраль машини, є постійна різниця потенціалів. Принципові електричні схеми якірних обмоток двополюсної і чотириполюсної машин наведені на рис. 4.58.

Із викладеного вище випливає, що не дивлячись на наявність змінних ЕРС у витках якірної обмотки, у паралельних вітках цієї обмотки діють постійні за напрямком результуючі ЕРС, які потрібно використати. Складність використання ЕРС – підключення до точок з’єднання паралельних віток зовнішнього кола у ГПС і джерела у ДПС, полягає у тому, що у точках з’єднання паралельних віток, розташованих на нейтралі машини, витки безперервно переходять із однієї паралельної вітки у іншу.

Принципово приєднатися до цих точок можна було б, наприклад, так: зняти ізоляцію із внутрішньої сторони витків (рис. 4.56) і притиснути до них щітки, розташовані нерухомо на нейтралі машини. Тоді, при обертанні якоря і, отже, переміщенні витків якірної обмотки із однієї паралельної вітки на іншу, щітки будуть мати постійний електричний зв’язок із паралельними вітками. Але таке приєднання призвело би до швидкого перетирання якірної обмотки.

Проблему вирішено шляхом застосування колектора, до кожної пластини якого припаяний один кінець витка якірної обмотки, причому припаяний тією точкою, якою він торкався би щіток при відсутності колектора. У цьому разі, щітки, розташовані на нейтралі та притиснуті до колектора, мають постійний електричний зв’язок із паралельними вітками якірної обмотки через пластини колектора і, отже, є можливість використання ЕРС обмотки якоря.

Часто кажуть, що колектор призначений для випрямлення змінної ЕРС якірної обмотки і отримання на затискачах машини постійної ЕРС. Це не зовсім так. Вище було показано, що колектор не спрямляє ЕРС, а тільки дає можливість приєднатися до паралельних віток якірної обмотки і використати постійні ЕРС, які там діють.

Потрібно зазначити, що застосування колектора у свою чергу викликало низку не менш складних задач. Так, щітки, при переході з однієї колекторної пластини на іншу, на деякий час замикають коротко секції обмотки, які перемикаються з однієї паралельної вітки на іншу і з’єднані з цими пластинами. Процес перемикання секцій з однієї паралельної вітки на іншу називають комутацією. В наслідок комутації під щітками може виникнути іскріння і навіть так званий “біжучий вогонь” на колекторі, і, отже, пластини колектора відносно швидко зношуються. Колектор доводиться регулярно чистити від графітового пилу щіток, а для усунення плям окислу чи раковин, які утворюються на поверхнях пластин внаслідок явищ комутації шліфувати і навіть проточувати. Щітки при експлуатації машини потрібно регулярно міняти. Все це суттєво ускладнює експлуатацію МПС порівняно з машинами змінного струму.