Лекция
Машины постоянного тока
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрические постоянные тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.
Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.
Принцип действия машин постоянного тока
Принцип действия генератора
Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1 ). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.
Рисунок 1. Простейший генератор постоянного тока: 1 – главные полюсы; 2 – виток обмотки якоря; 3 – коллекторные пластины; 4 – щетки.
Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки (рис. 2):
если правую руку расположить так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отогнутый на 900 большой палец показывает направление вращения, то четыре пальца покажут направление действия электродвижущей силы.
 |
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.
Рисунок 2. Правило правой руки
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. 3), 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. 4):
Если расположить ладонь левой руки так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а вытянутые пальцы показывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действия электромагнитной силы.
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.
 |
Рисунок 3. Простейший двигатель постоянного тока Рисунок 4. Правило левой руки
 |
Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не из- меняется. 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.
Устройство машины постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей (рис. 5):
ü неподвижной – статора и
ü вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем.
Разрез машины постоянного тока показан на рис. 6.