МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (МПТ)

Назначение и устройство машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, то есть обладают свойством обратимости. В режиме генератора они преобразуют энергию, подводимую к их валу от первичного двигателя, в электрическую энергию постоянного напряжения, а в режиме двигателя осуществляют обратное преобразование: электрическую энергию постоянного напряжения преобразуют в механическую энергию, снимаемую с вала двигателя.

Генераторы постоянного тока предназначены для выработки энергии постоянного тока и применяются для питания ряда устройств, работающих на постоянном токе. Кроме того, генераторы постоянного тока применяются в качестве устройств систем автоматизированного управления. В качестве источников энергии генераторы постоянного тока в настоящее время используются относительно редко, так как для получения энергии постоянного тока разработаны и широко используются различные преобразователи переменного тока в постоянный.

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в тех случаях когда механизм, приводимый во вращение двигателем, должен иметь широкий диапазон регулирования скорости: в приводах высоковольтных выключателей, в мощных металлорежущих станках, на электрифицированном транспорте, в автоматике и др.

В системах автоматического регулирования широко примененяются машины постоянного тока малой мощности. Они используются для привода исполнительных механизмов и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Основным недостатком электрических машин постоянного тока является их конструктивная сложность, связанная, главным образом, с щеточно-коллекторным узлом. В щеточно-коллекторном узле, осуществляющем постоянную коммутацию цепей машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

Существенным достоинством двигателя постоянного тока является возможность плавного регулирования их скорости вращения в широком диапазоне.

На рис.15представлена простейшая машина постоянного тока. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис.15 простейшей машины имеет два полюса (ярмо индуктора на рисунке не показано).

Рис.15. Простейшая машина постоянного тока

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 рис.15 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают 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.

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, бравен:

(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.