Принцип действия машин постоянного тока: Машина постоянного тока — Википедия – устройство и принцип действия, виды и схемы — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.11.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки. Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и

Рис. 11.2

наложим на проводники неподвижные контактные щетки. Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами. Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой. Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.11.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 11.3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Рис. 11.3 Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками. На рис. 11.4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи

, через сопротивление R_H протекает ток I_Я. Рис. 11.4 ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

(11.1)

где С_е— константа. В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора; R_я— сопротивление обмотки якоря.

(11.2)

Уравнение (11.2) называется основным

Рис. 11.5

уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы. На рис. 11.5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент М_эм, препятствующий вращению якоря генератора. Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

21. Устройство машин постоянного тока.

Рис 25 Машина постоянного тока

1 — станина. 2, 3 —

главные и добавочные полюсы. 4 — вентилятор 5 —якорь. 6 — коллектор. 7 —угольные щетки. 8 — щеткодержатели; 9 —траверса

Основными частями машины являются неподвижная станина с электромагнитными полюсами и вращающийся якорь (рис 25). Станина представляет собой короткий полый цилиндр, изготовленный из прокатной или литой стали. На внутренней поверхности станины крепятся главные и добавочные полюсы. Главные полюсы, предназначенные для создания основного потока в машине, состоят из сердечника и катушки возбуждения. Со стороны якоря сердечник полюса заканчивается полюсным наконечником. Сердечник полюса собирают на заклепках из листовой стали толщиной 0,5—1 мм. Катушки возбуждения выполняют из круглой медной проволоки или медных шин, намотанных и закрепленных на специальном каркасе. Катушки всех полюсов соединяют обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5—3% номинальной мощности машины.

Добавочные полюсы, ослабляющие искрение под щетками, ус-чанавливают между главными полюсами. Сердечники добавочных полюсов изготовляют из стальной поковки. Катушки добавочных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря по определенной схеме.

Вращающаяся часть машины —якорь — представляет собой цилиндрический сердечник, набранный из дисков листовой электро-технической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов диски покрывают изоляционным лаком. Сердечник якоря жестко насажен на стальной вал. По окружности сердечники имеются пазы для укладки обмотки. Обмотка надежно изолируется от сердечника пазовой изоляцией и крепится в пазах с помощью клиньев, изготовленных из прочного изоляционного материала, и бандажа из стальной проволоки. Обмотку якоря выполняют по определенной схеме и соединяют с коллекторными пластинами пайкой.

На одном валу с сердечником якоря напрессован коллектор, выполненный из медных клиновидных пластин, изолированных одна от другой и от вала якоря миканитом. По коллекторным пластинам вращающегося якоря скользят угольные щетки, закрепленные на щеткодержателях траверсы.

На вал якоря со стороны, противоположной коллектору, насажен вентилятор для охлаждения токоведущих частей машины.

Концы вала якоря укреплены в подшипниках, вмонтированных в подшипниковые щиты.

22. Принцип действия машин постоянного тока.

Режим генератора тока. Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока (рис. 16 а). Здесь постоянный магнит N—Sпредставляет собой статор с вектором магнитной индукции 5, рамка abсd— якорь, а два полукольца К₁ и К₂ — коллекторы, Щ₁ и Щ₂

— щетки.

В основе работы генератора лежит закон электромагнитной индукции. При вращении рамки abed в магнитном поле постоянного магнита в ней будет индуцироваться переменная ЭДС, изменяющаяся по синусоидальному закону.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), то проводники ab и cd пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальная ЭДС. При горизонтальном положении витка ЭДС в проводниках равна нулю.

Направление индуцированной ЭДС определяется по правилу правой руки. При переходе витка под другой полюс направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается и коллектор, то на верхней щетке, находящейся под северным полюсом, всегда будет один и тот же знак ЭДС. В результате полярность щеток остается неизменной. Если же полукольца заменить кольцами, то щетками с них мы будем снимать синусоидальное напряжение при вращении якоря.

Несмотря на то, что знак ЭДС не изменяется, по величине она достигает (некоторого максимального значения и снижается до нуля (рис. 16,б).ЭДС с такой пульсацией непригодна для большинства приемников. Поэтому для уменьшения пульсаций обмотку якоря выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин. На(рис. 16,б).показана ЭДС при вращении одного витка при двух коллекторных пластинах; если витков

т, то пластин2т. Прит = 16пульсация уже практически незаметна.

Рис. 16. Модель генератора постоянного тока: а — схема устройства; б- графики ЭДС в якоре и во внешней цени

Таким образом, коллектор представляет собой механический выпрямитель, преобразующий переменную ЭДС в постоянную.

Если к щеткам якоря подсоединить нагрузку, то по цепи пойдет ток. С появлением тока в проводниках обмотки якоря, находящихся в магнитном поле, действует электромагнитная сила. Направление электромагнитной силы можно определить по правилу левой руки. Оказывается, направление электромагнитных сил противоположно направлению вращения якоря, т. е. создает противодействие. Таким образом, чтобы машина работала в режиме генератора, необходимо преодолевать тормозной электромагнитный момент. Напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС Е на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря:

U = E − r_Я I_Я (1)

Уравнение (1) называют уравнением электрического состояния генератора

Режим двигателя. Подадим на зажимы этой же машины напряжение от внешнего источника. В цепи якоря потечет ток. Работа двигателя основана на принципе движения проводника с током в магнитном поле.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электрическая cила F. Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Если момент, развиваемый машиной, больше момента сопротивления якоря, то якорь машины начнет вращаться, совершая механическую работу. Чем больше потребляемый ток от внешнего источника, тем больше развиваемый машиной момент. Таким образом, чтобы преодолеть сопротивление механической нагрузки на валу, двигатель должен потреблять электроэнергию от внешнего источника.

Рис. 17. Схема замещения, поясняющая принцип работы двигателя постоянного тока

Составим схему замещения (рис.17). Ток под действием напряжения от внешнего источника проходит по проводникам якоря. В якоре, вращающемся в магнитном поле, наводится ЭДС. Направление этой ЭДС определяется по правилу правой руки. Сравнивая направление тока и ЭДС, видим, что ЭДС направлена встречно току, поэтому часто она называется противо-ЭДС. Таким образом, приложенное к зажимам якоря двигателя напряжение равно сумме противо-ЭДС и падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря: U = E + r_Я I_Я(2)

Из рассмотренного видно, что одна и та же машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Это свойство электрических машин называется обратимостью.

Машины постоянного тока: принцип действия

Электрические машины – это устройства для преобразования электрической энергии в энергию механическую (и наоборот). Работа машины постоянного тока основана на законе электромагнитной индукции.

Как правило, эти агрегаты используются в промышленности для тяговых механизмов, таких как подъёмные краны и лебёдки. Существенным недостатком двигателя является образование на коллекторе нагара от щёток. Чтобы избежать чрезмерного искрения, необходимо периодически делать осмотр и проводить профилактические работы. Устройство машин постоянного тока отличается от асинхронных и синхронных двигателей.

Между полюсами, создающими постоянный магнитный поток, располагается якорь, выполненный в виде стального цилиндра. В его пазы уложены витки медного проводника, а концы проводника соединяются с полукольцами, которые изолируются от других деталей машины – это и есть коллектор, по которому скользят щётки. Они соединяются с внешней цепью.

Так как в витках возникает электродвижущая сила, то якорь машины постоянного тока начинает вращаться при пересечении полем его витков.

В силу того, что магнитная индукция распределяется по стальному цилиндру неравномерно, скорость создаваемой ЭДС зависит от плотности тока в зазорах между витками. Таким образом, под полюсами магнитная индукция максимальна, а в центре якоря (на продольной оси) – равна нулю.

При вращении якоря машины постоянного тока каждые пол-оборота проводники меняют полярность, так как попадают под влияние противоположных полюсов, следовательно, и направление электродвижущей силы меняется на противоположное, а если ЭДС изменяется по времени и направлению, то её следует отнести к переменной величине. Чтобы во внешнюю цепь поступала постоянная составляющая, в устройство машины постоянного тока включен коллектор. Это — своего рода переключатель. Неподвижные щётки, которые соединены с внешней цепью, скользят по полукольцам, жёстко закреплённым на якоре.

Вращаясь, якорь соприкасается лишь с той щёткой, которая находится под конкретной полярностью. В то время, когда направление электродвижущей силы меняется, происходит переключение колец, то есть для внешней цепи изменений в направлении ЭДС не происходит. Таким образом, коллектор – это некий выпрямитель, который не даёт измениться генерируемому току.

Чтобы исключить пульсацию электродвижущей силы, на якоре имеются витки, которые присоединяют к парам коллекторных пластин. Витки сдвинуты друг от друга на незначительный угол, это позволяет компенсировать искажения в гармониках и ток поступает в цепь без пульсаций.

Если машины постоянного тока работают в режиме двигателя, тогда, наоборот, к щёткам прикладывается напряжение. Таким образом, проходя через коллектор, в витках появляется ток, который создаёт своё магнитное поле. Взаимодействуя с полем полюсов, якорь начинает вращаться, однако, в то время, когда направление вращения при переходе проводников через противоположный полюс должно бы было измениться, коллектор по-прежнему переключает полярность. Таким образом, изменяется направление тока и, соответственно, его магнитного поля. В этом случае коллектор – это инвертор, преобразователь постоянного тока в переменный.

1.9. Принцип действия и устройство машины постоянного тока

Рассмотрим устройство машины постоянного тока. Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.21). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника.

В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора.

Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо

всовременных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб

вмашинах малой мощности, из листового проката или стального литья).

Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют. В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т. е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию.

Вполе полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 − стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали.

Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.

Всердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы

взависимости от выбранной системы вентиляции.

Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 − механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре,

впостоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя).

Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изолированных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины

вцилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14.

Краткие сведения об обмотках якорей. Принцип действия машин постоянного тока

Прежде чем рассматривать обмотки якорей, необходимо обратить внимание на следующее. Благодаря полюсным наконечникам магнитная индукция в воздушном зазоре распределяется примерно по трапецеидальному закону (рис. 9.2, а и б). У поверхности якоря при α = 0 магнитная индукция В = 0; с увеличением α магнитная индукция сначала возрастает, под большей частью северного полюса имеет постоянное значение, а при α = 180° уменьшается до нуля. В пределах от α = 180° до 360° магнитная индукция изменяется по такому же закону, но условно считается отрицательной.

Направление ЭДС проводника, находящегося в пазу магнитопровода якоря, определяется по правилу правой руки, а ее значение В — по формуле

(9,1)

e_пр = Blv,

где В — магнитная индукция, Тл; l — длина проводника, м; v — скорость перемещения проводника, м/с.

Очевидно, при v = const е_пр ~ kB и график В(α) в другом масштабе представляет собой графикe_пр(α). Изменение знака ЭДС e_пр означает изменение ее направления по сравнению с положительным направлением, показанным на рис. 9.2, а.

Если в пазах, находящихся под северным полюсом, имеется несколько проводников, то ЭДС всех проводников будут иметь, очевидно, одно и то же направление; во всех проводниках якоря у южного полюса ЭДС будут направлены в противоположную сторону.

Устройство обмоток якорей. Обмотки якорей машин постоянного тока состоят из отдельных секций, имеющих одинаковые числа витков. Каждая секция размещается в двух пазах магнитопровода якоря, находящихся под разными полюсами. Часть секции, расположенная в одном пазу, называется секционной стороной. Выводы каждой секции присоединяются к двум коллекторным пластинам, к каждой из которых присоединяется еще по одному выводу от других секций.

Рис. 9 2. К вопросу распределения магнитной индукции в воздушном зазоре и характер изменения ЭДС проводника

Рис. 9.3. Секция петлевой обмотки якоря

Рис. 9 4. Секция волновой обмотки якоря

В зависимости от номинальных значений мощности, напряжения и частоты вращения находят применение различные типы обмоток якорей. Простейшими из них являются петлевая и волновая обмотки. Двухвитковые секции указанных обмоток показаны соответственно на рис. 9.3 и 9.4. Петлевая и волновая обмотки отличаются порядком соединения с коллекторными пластинами и друг с другом.

На рис. 9.5 приведен эскиз упрощенной машины постоянного тока, имеющей простейшую обмотку якоря, состоящую всего из четырех секций, каждая из которых имеет по одному витку; секции размещены в пазах 1—4 магнитопровода якоря.

Для удобства изготовления и монтажа обмотки в каждом пазу размещают обычно в два слоя секционные стороны, принадлежащие двум секциям. Секционные стороны, находящиеся в верхнем слое, обозначены на рис. 9.5 теми же цифрами 1—4, что и пазы; находящиеся в нижнем слое — цифрами 1′ — 4′.

Рис 9.5. Эскиз упрощенной машины постоянного тока

Рис. 9.6. Развернутая схема обмотки якоря

Рис. 9.7. Упрощенная схема обмотки якоря

На рис. 9.6 дана развернутая на плоскость схема рассматриваемой обмотки, а на рис. 9.7 — более простое ее изображение, на котором секции обмотки заменены катушками.

Как нетрудно установить по приведенным рисункам, рассматриваемая обмотка оказывается замкнутой, что является характерным и для других обмоток якорей машин постоянного тока.

При указанном на рис. 9.5 — 9.7 положении обмотки и коллектора щетки делят обмотку на две параллельные ветви:

1) щетка Щ₂, коллекторная пластина I, секция 1—3′, коллекторная пластина II, секция 2—4′,коллекторная пластина III, щетка Щ₁;

2) щетка Щ₂, коллекторная пластина I, секция 2’— 4, коллекторная пластина IV, секция 1′ — 3,коллекторная пластина III, щетка Щ₁.

Как видно, каждая параллельно соединенная ветвь содержит по две секции с одинаковым направлением ЭДС. Очевидно, ЭДС между щетками равна ЭДС любой параллельной ветви, т. е.

е = е_пар . (9.2)

В рассматриваемом положении якоря е = е_пар = 2е_с.

При этом щетка Щ₂ имеет меньший потенциал, чем щетка Щ₁, ЭДС е направлена от Щ₂ к Щ₁.

С помощью приведенных рисунков можно установить, что при вращении якоря происходит следующее: секции поочередно переходят из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается изменением направления ЭДС в секциях на противоположное; в процессе перехода в другую параллельную ветвь секции на короткое время замыкаются щетками накоротко, однако ЭДС в этом случае в секциях не индуктируется, так как секции находятся при этом на линии ab (см. рис. 9.5), где магнитная индукция B = 0; число секций в параллельных ветвях в рассматриваемой машине изменяется от 1 до 2, вследствие чего изменяется и значение ЭДС между щетками; направление ЭДС между щетками остается постоянным.

Например, если из указанного на рис. 9.5 — 9.7 положения повернуть якорь на 45°, то в первой параллельной ветви останется секция 1—3′, во второй — секция 1′ — 3; секции 2 — 4′ и 2′ — 4 будут замкнуты щетками накоротко; ЭДС между щетками будет е’ = е’_пар = е_с.

В большинстве случаев якорь машин постоянного тока имеет не четыре паза, в которые закладывается обмотка якоря, не четыре секции и коллекторные пластины, а значительно большее их число; кроме того, секции состоят обычно из нескольких витков. Вследствие этого оказывается возможным получить намного большую ЭДС между щетками, а значение ЭДС при вращении якоря остается практически неизменным.

Следует заметить, что значение ЭДС между щетками зависит от места расположения последних. Для получения наибольшей ЭДС щетки следует устанавливать таким образом, чтобы ЭДС всех секций в пределах одной параллельной ветви были направлены в одну и ту же сторону (см. рис. 9.7). Этому условию удовлетворяет установка щеток на геометрической нейтрали, под которой понимают линию, проходящую через ось машины и те точки поверхности якоря, где магнитная индукция поля главных полюсов равна нулю. Геометрическая нейтраль двухполюсной машины расположена перпендикулярно оси главных полюсов. На рис. 9.5 это линия ab. Следует учесть, что выражение «установка щеток на геометрической нейтрали» является условным и на самом деле означает, что щетки должны располагаться в таком месте, чтобы они замыкали накоротко секции, находящиеся на геометрической нейтрали.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали ЭДС между щетками уменьшается, так как в параллельно соединенных ветвях появляются секции с противоположными направлениями ЭДС. Например, если щетки машины, обмотка которой изображена на рис. 9.7, установить на коллекторные пластины II и IV, то ЭДС между щетками будет равна нулю.

Принцип действия генератора. Допустим, что якорь машины (см. рис. 9.5) вращается с помощью какого-то двигателя в направлении, указанном стрелкой. Если щетки генератора соединить с каким-либо приемником r, то под действием ЭДС генератора в обмотке якоря и приемника появится ток, приемник начнет потреблять электрическую энергию, а машина будет ее отдавать, т. е. будет работать в качестве генератора. Естественно, что электрическая энергия, вырабатываемая генератором, преобразуется из механической энергии двигателя, вращающего якорь генератора.

Направление тока в проводниках обмотки якоря генератора совпадает, конечно, с направлением ЭДС проводников и при вращении якоря изменяется. Однако с помощью коллектора изменяющийся по направлению ток проводников преобразуется в неизменные по направлению токи параллельных ветвей i_пар и ток внешней цепи i_я, называемый током якоря. Согласно первому закону Кирхгофа для рассматриваемого генератора i_я = 2i_пар. Машины постоянного тока могут иметь число параллельных ветвей больше двух. Обозначив в общем случае число параллельных ветвей 2а, получим

i_я = 2аi_пар. (9.3)

Если воспользоваться правилом левой руки, нетрудно установить, что генератор развивает электромагнитный момент, направленный против направления вращения, т. е. является тормозящим.

Изменение полярности щеток и, следовательно, направлений ЭДС, напряжения и тока во внешней цепи генератора возможно произвести одним из двух способов:

1) изменением направления магнитного поля главных полюсов, что осуществляется изменением направления тока обмотки возбуждения, располагаемой на главных полюсах;

2) изменением направления вращения якоря генератора с помощью приводного двигателя.

Обычно используется первый способ.

Принцип действия двигателя. Предположим, что якорь той же машины (см. рис. 9.5) неподвижен. Если от источника постоянного тока подвести к якорю двигателя напряжение, например указанной на рис. 9.5 полярности, то во внешней цепи и в обмотке якоря возникнут токи, направление которых будет противоположным указанным на рисунке. С помощью правила левой руки можно установить, что на якорь будет действовать вращающий электромагнитный момент и якорь начнет вращаться против часовой стрелки. При вращении в обмотке якоря возникнет ЭДС, которая согласно правилу правой руки будет направлена, как указано на рис. 9.5, т. е. против тока двигателя. Противоположные направления тока и ЭДС говорят о том, что в машине происходит преобразование электрической энергии в механическую. Двигатель разгонится до такой частоты вращения, при которой его момент станет равным моменту, обусловленному нагрузкой.

Говоря о принципе действия двигателя, нельзя не остановиться на назначении коллектора в этом случае. Коллектор необходим для того, чтобы неизменный по направлению ток внешней цепи преобразовывать в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря при его вращении. Только благодаря коллектору ток всех проводников, находящихся под одним полюсом, имеет одно и то же направление. Вследствие этого остается неизменным и направление вращающего момента, развиваемого двигателем.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление развиваемого им вращающего момента. Это можно сделать одним из двух способов:

изменением полярности напряжения, подводимого к якорю двигателя и, следовательно, направления тока якоря;
изменением направления магнитного потока главных полюсов.

Обычно используется первый способ.

Рассмотрев принципы действия генератора и двигателя, можно сделать вывод о том, что машины постоянного тока обратимы. Это значит, что при определенных условиях генераторы могут работать в качестве двигателей и наоборот. Возможность двигателей работать в качестве генераторов и. следовательно, развивать тормозящий момент широко используется на практике (см. § 9.19).

Раздел 5 коллекторные машины

• Принцип действия и устройство коллекторных

машин постоянного тока

• Обмотки якоря машин постоянного тока

• Магнитное поле машины постоянного тока

• Коммутация в машинах постоянного тока

• Коллекторные генераторы постоянного тока

• Коллекторные двигатели

• Машины постоянного тока

специального назначения

• Охлаждение электрических машин

Электрические машины постоянного тока используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, области применения и диапазон мощности которых достаточно широки: от долей ватт (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других механизмов). Двигатели постоянного тока широко используются для привода подъемных средств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств в качестве тяговых двигателей. Основные преимущества двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении и пониженная надежность. Все эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коллекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Эти недостатки ограничиваю! применение машин постоянного тока.

В данном разделе рассмотрены машины постоянного тока общего назначения, получившие наибольшее применение в современном электроприводе. Рассмотрены также некоторые виды машин постоянного тока специального назначения, главным образом применяемые в устройствах автоматики.

В заключение следует отметить, что наибольшее практическое применение получили машины постоянного тока в качестве электродвигателей. Объясняется это возрастающим применением в качестве источников постоянного тока полупроводниковых выпрямительных устройств, имеющих более высокие технико-экономические показатели по сравнению с коллекторными генераторами постоянного тока.

Глава 24

Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока

§ 24.1. Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 24.1 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой , а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

Рис. 24.1. Упрощенная модель коллекторной машины

В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d, занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 24.1, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В — отрицательной. После поворота якоря на 180⁰ (рис. 24.2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление не тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 24.2, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В —пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

Рис. 24-2. К принципу действия генератора постоянного тока:

___________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток , направление которого показано на рис. 24.3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы , создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180⁰ электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника

Рис. 24.3. К принципу действия двигателя постоянного тока

обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали (рис. 24.3) электромагнитные силы = 0 (магнитная индукция в середине межполосного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Лекция 1 Область применения машин постоянного тока. Принцип действия, основные уравнения

План лекции

1.1. Область применения машин постоянного тока.

1.2. Принцип действия генератора постоянного тока, основное уравнение эдс и напряжения.

1.3. Принцип действия двигателя постоянного тока, основное уравнение напряжения и эдс.

1.1. Область применения машин постоянного тока

Машина постоянного тока как и любая электрическая машина обратима: может работать как генератор и как двигатель. Причем двигатели нашли большее применение, чем генераторы.

В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых электрических машин постоянного тока.

Таблица 1.1

Характеристики электрических машин постоянного тока

Назначение	Использование	Р, кВт	I, А	U, В	Примечание
Двигатели	Трамвай	4050	75100	550	Имеют преимущества перед двигателями переменного тока: 1) широкое регулирование частоты вращения; 2) развивают большой пусковой момент
	Электровоз	600900	400600	1500
	Прокатный стан	11500	11500	1000
	Атомоход «Ленин»	18000	18000	1000
Генераторы	Для электролиза	60120	10000	612	Чаще используются генераторы переменного тока с выпрямителями
Генераторы	Тепловоз (старые модификации)	2700	3600	750

1.2. Принцип действия генератора постоянного тока, основное уравнение эдс и напряжения

Возможность построения механического генератора появилась после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции в 1831 г.

Если проводник перемещать в магнитном поле так, чтобы он пересекал магнитные линии, то на концах проводника появится разность потенциалов – эдс (электродвижущая сила).

Простейшим генератором является рамка на оси, помещенная в магнитном поле (рис. 1.1), которую вращают.

Рис. 1.1. Схема работы машины переменного тока

Концы проводников соединены с кольцами, которые вращаются вместе с рамкой. На кольцах помещены неподвижные щетки. Присоединенный к щеткам вольтметр покажет разность потенциалов, т.е. эдс рамки, которая будет изменяться как по величине, так и по направлению. Направление эдс определяется по правилу правой ладони, состоящему в следующем.

Ладонь правой руки располагают в магнитном поле так, чтобы линии магнитной индукции были направлены в ладонь, а большой палец отводят относительно других пальцев в плоскости ладони на 90 градусов и направляют по движению проводника; тогда остальные пальцы руки покажут направление наведенной в проводнике эдс.

В общем случае , еслиt, то . С некоторым приближением допускаем, что индукция под полюсами изменяется по синусоидальному закону, тогда

где  – угол поворота, так как , то при = const вместо  можно горизонтальную ось обозначать осью времени t.

Частота наводимой переменной эдс

где Т – период полного цикла изменения эдс (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Синусоида индукции или эдс

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор. Для этого проводники простейшего генератора соединяют с двумя медными полукольцами, названными коллекторными пластинами (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема работы машины постоянного тока

Пластины жестко связаны с валом рамки, но изолированы друг от друга. Щетки на коллекторных пластинах устанавливаются так, чтобы они переходили с одной коллекторной пластины на другую в тот момент, когда эдс равна нулю. Таким образом, щетка контактирует с полукольцом одного направления эдс. В этом случае ток на щетках и по внешнему участку цепи, через потребитель, протекает в одном направлении, но величина его изменяется с течением времени; эдс и ток имеют пульсирующую форму (рис. 1.4). Если взять n рамок (обмотка якоря) и 2n коллекторных пластин (коллектор), то увеличится и число пульсирующих эдс за период времени Т (рис. 1.5). Если пульсаций менее 2 %, то ток считается постоянным.

Рис. 1.4. Выпрямленная эдс и ток

Рис. 1.5. Выпрямленная эдс и ток в реальном генераторе

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменную эдс витков якоря в постоянную эдс на щетках и цепи. Совокупность витков составляет обмотку якоря.

Если к щеткам подсоединить потребитель электрической энергии, то потечет электрический ток, который в обмотке якоря будет создавать падение напряжения. Вследствие этого напряжение на зажимах генератора будет меньше эдс на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря

, (1.1)

где а – индекс параметров якорной обмотки.

Формула (1.1) является основным уравнением эдс и напряжения генератора. Но на проводник с током в магнитном поле действует выталкивающая сила F, направленная навстречу вращению. Ток в обмотке якоря будет создавать противодействующий вращению момент . Чем больше , тем больше необходимо усилий для преодоления противодействующего момента