Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие и Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Дата публикации: 26 ноября 2011 .
Категория: Статьи.

В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.

Устройство простейшей машины

На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим генератора

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Рисунок 1. Простейшая машина постоянного тока

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v.

(1)

Э. д. с. E_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f = p × n

(2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. 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.

Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

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 на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению 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 E_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_а:

Uа = Eа – Iа × rа.

(3)

Проводники обмотки якоря I_а с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)

Fпр = B × l × Iа,

(4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен

Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа,

(5)

где D_а – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F_пр и возникнет электромагнитный момент M_эм. Величины F_пр и M_эм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении M_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент M_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока I_а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

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

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. E_а, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря E_а направлена против тока I_а и приложенного к зажимам якоря напряжения U_а. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. E_а и падением напряжения в обмотке якоря:

Uа = Eа + Iа × rа.

(6)

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе U_а E_а.

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.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = Mв — Mтр — Mс,

(7а)

где M_в – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, M_тр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, M_с – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс,

(7б)

где M_в – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе M_эм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях M_в и M_эм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом M_эм мощность P_эм называется электромагнитной мощностью и равна

Pэм = Pэм × Ω,

(8)

Ω = 2 × π × n,

(9)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение M_эм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

Pэм = 2 × B × l × Dа × Iа × π × n = 2 × B × l × v × Iа

Pэм = Eа × Iа.

(10)

В обмотке якоря под действием э. д. с. E_а и тока I_а развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Pа= Eа × Iа.

(11)

Согласно равенствам (10) и (11), P_эм = P_а, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на I_а. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × Iа – Iа 2 × rа

(12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа 2 × rа.

(13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.