2.2. Принцип работы мпт

Простейшую машину постоянного тока можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 16). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь. Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, можно представить постоянными магнитами.

а) б) в)

Рис.16. Работа простейшей машины постоянного тока (а) в режиме генератора (б) и двигателя (в)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис.16, а и б) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис.17, а) и показано на рис. рис.16, а и б. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуцируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения.

а б

Рис.17. Правила правой (а) и левой (б) руки

Величина индуцируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС (1) будет равна: где – ЭДС проводника, B – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v_а – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуцируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины:

(44)

ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис.18, а).

а б

Рис.18. Кривые ЭДС и тока простейшей машины:

а – в якоре; б – во внешней цепи

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в минуту: а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью:

(45)

где – скорость вращения якоря [об/мин];

– число пар полюсов в машине.

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток . В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис.18, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис.16, а) на 90° и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой (рис.18, а), получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис.18, б).

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря :

(46)

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис.16, а), направление которых определяется по правилу левой руки (рис.17, б):

(47)

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом и на рис.16, б равен:

(48)

где — диаметр якоря.

Как видно из рис.16, б, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (47) и (48). При достаточной величине якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис.16, б) и двигателя (рис.16, в) были одинаковы, то направление действия , а, следовательно, и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис.16,в).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС , величина, которая определяется равенством (44). Направление этой ЭДС в двигателе (рис.16,в) такое же, как и в генераторе (рис.16, б). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС).

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:

(49)

Из сравнения равенств (46) и (49) видно, что в генераторе , а в двигателе .

Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.