Принцип работы машины постоянного тока, Генераторы постоянного тока
На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. Из формулы 5 видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:. Простейший электродвигатель постоянного тока Рис.
В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RH протекает ток IЯ. 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. Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, то есть 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.
Уравнение 2 называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы. Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.
Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов. Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаватьсяот постоянных магнитов рис. Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется.
Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке. Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора. Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий. Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис.
Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме. Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает.
Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При критическом сопротивлении вольт - амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС. Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя.
При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент. Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки.
Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда.
Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы 5 видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:. Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное реверсировать двигатель , необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.
Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы рис. Уравнение 6 является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением. Эта характеристика является жесткой.
С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени рис. На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения.
Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно. Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря. Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря. С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.
С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.
Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения. Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря и коллектора.
Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в 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, 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.
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. E а, значение которой определяется равенством 1. Направление этой э. Таким образом, в двигателе э.
Поэтому э. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. E а и падением напряжения в обмотке якоря:. 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. Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму, и набран из листов электротехнической стали.
Коллектор в машине постоянного тока необходим, чтобы получить постоянное напряжение на внешних зажимах генератора, то есть является выпрямляющим устройством. В процессе вращения ротора проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле, оказываясь поочередно то под северным, то под южным полюсами, поэтому направление ЭДС, индуцированной в проводниках, периодически меняется на противоположное.
Изменяется и значение ЭДС, так как в пределах одного полюсного деления магнитная индукция вдоль воздушного зазора не одинакова. Пульсации ЭДС практически незаметны при 16 секциях в обмотке якоря. К рабочей поверхности коллектора прилегают угольно — графитовые или металло- угольные щётки, которые находятся в щёткодержателях.
Все щёткодержатели надёжно изолированы от корпуса машины, щётки одной полярности электрически соединены между собой и внешним зажимом на щитке машины. Обмотка якоря. Обмотка якоря машины постоянного тока во многом похожа на обмотку статора синхронной машины, но в отличие от неё замкнута на себя. В зависимости от порядка соединения секций между собой различают обмотки петлевые и волновые. Начало каждой секции соединено с концом предыдущей секции и с соответствующей пластиной коллектора.
Поэтому при перемещении от одной секции к другой по якорю одновременно делают шаг по коллектору. При вращении ротора в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой изменяется на противоположное, когда данный проводник переходит через нейтраль. При следовании по схеме обмотки встречается группа секций с одинаковым направлением ЭДС. Эта группа составляет одну ветвь обмотки. В простой петлевой обмотке число ветвей равно числу пар полюсов.
В простой волновой их всего две при любом числе пар полюсов. Выделение в обмотке ветвей с одинаковым направлением ЭДС во всех секциях позволяют решить вопрос о расположении щёток.
