004.3 (075.8)
ББК 31.2
© УО «ГГАУ», 2015
© П. Ф. Богданович, Д. А. Григорьев, 2015
Часть 1
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
1 Линейные электрические цепи постоянного тока
1.1 Электрическая цепь и электрические величины
Электротехника – это отрасль науки и техники, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека. Значение электротехники определяется возможностью получения больших количеств электрической энергии, которую достаточно просто передавать на расстояние и легко преобразовывать в другие виды энергии.
Электрическая цепь – это соединенные определенным образом источники электрической энергии, приемники электрической энергии и вспомогательные элементы (проводники, измерительные приборы, коммутационные аппараты и др.), обеспечивающие выполнение определенной функции.
Источники электрической энергии – это устройства, преобразующие какие-либо виды энергии в электрическую энергию. Например, электрический генератор преобразует механическую энергию в электрическую; гальванический элемент преобразует химическую энергию; в солнечной батарее используется энергия солнечного излучения и так далее.
Приемники электрической энергии – это устройства, преобразующие электрическую энергию в другие виды (механическую, тепловую, световую, химическую и др.). Это может быть электрический двигатель, электронагревательный прибор, электрический светильник и др.
Вспомогательные приборы и устройства обеспечивают функции соединения элементов цепи (соединительные провода), переключения (рубильники, переключатели), измерения электрических величин и другие функции.
Электрические величины, действующие в цепи, – это ток, напряжение и электродвижущая сила. В линейных цепях эти величины связаны линейными математическими зависимостями.
Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике или в проводящей среде под действием электрического поля, существующего в данном проводнике или в проводящей среде. Электрический ток характеризуется направлением и величиной – силой тока.
В общем случае электрические заряды могут быть положительными и отрицательными. Принято считать положительным направлением тока направление движения положительных зарядов. Это направление является обратным направлению движения отрицательно заряженных электронов в проводнике.
Сила тока измеряется в амперах (А). Физически сила тока I определяется величиной электрического заряда Q, проходящего через поперечное сечение проводника за одну секунду
где Q - электрический заряд, кулоны (Кл); t – время, секунды (с).
На схемах электрический ток обозначают стрелкой (см. Рис. 1.1). Направление стрелки указывает положительное направление тока. При этом имеет значение и знак при буквенном обозначении. Если для случая, приведенного на рис. 1.1, будет указано значение тока I12, значит ток направлен в сторону, противоположную стрелке.
Электрическое напряжение (U) определяют как физическую величину, характеризующую электрическое поле вдоль проводника, численно равную работе, совершаемой этим полем по перемещению единичного заряда в данном проводнике от одной выбранной точки к другой. При этом величина напряжения не зависит от выбора пути между этими точками. Она будет равна разности потенциалов выбранных точек.
Основная единица измерения напряжения - вольт (В). На схемах напряжение обозначают аналогично, как и ток (Рис 1.1).
Электродвижущая сила (ЭДС) – это количественная мера сторонних сил источника, вырабатывающего электрическую энергию. Обозначают ЭДС буквой Е. Единица измерения ЭДС – вольт (В). Численно она равна разности потенциалов на зажимах источника.
|
| Рис. 1.1 – Обозначение тока и напряжения в элементе цепи |
1.2 Схемы электрических цепей
Графическое изображение электрических цепей затруднительно, а зачастую и практически невозможно. В связи с этим реальные электрические цепи изображают в виде электрических схем. Существует несколько видов таких схем: принципиальная; функциональная; структурная; схема замещения.
Принципиальная схема – это схема, в которой электро-технические устройства изображены в виде условных графических обозначений (согласно ГОСТ), как показано на рис.1.2.
|
| Рис. 1.2 – Принципиальная схема переносного светильника: GB – аккумуляторная батарея; S – выключатель; FU – предохранитель; EL1 – лампа накаливания |
Функциональная схема – это схема, которая несет информацию об основных функциональных элементах электрической цепи и связях между ними (Рис. 1.3). Обычно функциональные элементы изображают в виде прямоугольников с соответствующими надписями и обозначениями. Допускается изображать отдельные элементы условными графическими обозначениями, используемыми в принципиальных схемах.
|
| Рис 1.3 – Функциональная схема переносного светильника: АБ – аккумуляторная батарея; S – выключатель; FU – предохранитель; ИС – источник света |
Структурная схема определяет основные функциональные части электрической цепи или электротехнического изделия, их назначение и взаимосвязи (Рис 1.4). Такие схемы разрабатывают на начальных стадиях проектирования изделий. В дальнейшем ими пользуются для общего ознакомления с изделием.
|
| Рис 1.4 – Структурная схема переносного светильника: АБ – аккумуляторная батарея; УК и З – устройство коммутации и защиты; ИС – источник света |
Описанные выше схемы позволяют, в зависимости от потребностей, достаточно полно моделировать электрическую цепь с точки зрения принципа ее действия, назначения элементов или групп элементов и других свойств. Однако эти схемы неудобны для расчетов. Для этого используют схему замещения электрической цепи (ее еще называют расчетной схемой, см. Рис 1.5), в которой каждое устройство представляют с помощью идеализированных элементов. Таких элементов пять - три пассивных и два активных. О них будет идти речь в п. 1.3.
Расчетная схема характеризуется топологическими (геометрическими) параметрами, такими как ветвь, узел и контур. Дадим их определение.
Ветвь – это участок схемы, по которому протекает один и тот же ток. В ветви могут содержаться один или большее количество элементов схемы (Рис 1.5).
Узлом называют место соединения трех и более ветвей. Различают зависимые и независимые узлы. Независимыми являются узлы, отличающиеся от других узлов хотя бы одной ветвью. В схеме, приведенной на рис. 1.5, имеется два узла, из которых один является независимым, а первый или второй будут зависеть от того, какой будет выбран при расчетах.
Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям (Рис. 1.5). Различают зависимые и независимые контуры. Независимыми считаются контуры, отличающиеся от других контуров хотя бы одной ветвью. В схеме на рис. 1.5 имеется три контура, из которых только два являются независимыми. Контуры в схеме характеризуются направлением обхода, которое выбирается, исходя из удобства расчетов или произвольно.
|
| Рис 1.5 – Схема замещения (расчетная схема) электрической цепи |
1.3 Элементы схем и их параметры
Пассивные элементы
К линейным пассивным элементам относятся: активное сопротивление, индуктивность и емкость.
Активное сопротивление (R) – идеализированный элемент, характеризующий потери энергии. К ним относят элементы, в которых происходят необратимые процессы превращения электрической (электромагнитной) энергии в другие виды энергии, например, в тепловую, механическую, световую и другие виды.
Величина сопротивления R является количественной мерой потерь электрической (электромагнитной) энергии. Единицей измерения сопротивления является Ом. На практике также широко используются дольные и кратные единицы сопротивления - от единиц микроом (1 мкОм = 10-6 Ом) до единиц гигаом
(1 ГОм = 109 Ом) и больше.
Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и по своим свойствам наиболее близкое к активному сопротивлению (идеализированному элементу), называется резистором. В схемах замещения активное сопротивление, как и резистор, изображают в виде прямоугольника с соотношением сторон 10 к 4 (Рис. 1.6). На принципиальных схемах такое условное графическое обозначение соответствует постоянному резистору.
|
| Рис. 1.6 – Условное графическое обозначение активного сопротивления |
Величину, обратную активному сопротивлению, называют активной проводимостью и обозначают Y. Единицей измерения проводимости является сименс (См).
Y = R – 1, См или Ом – 1.
На схемах проводимость обозначают так же, как и активное сопротивление.
Для линейных электрических цепей величина активного сопротивления постоянная (R = const). Линейность активного сопротивления означает, что его величина не зависит от протекающего тока и приложенного напряжения.
Ток iR и напряжение uR в R связаны линейной зависимостью:
. (1.1)
Скорость преобразования электрической энергии в активном сопротивлении характеризуется активной мощностью p. В общем случае ее определяют как производную по времени от рассеиваемой в R энергии w
p = dw / dt. (1.2)
Если напряжение uR и ток iR в активном сопротивлении известны, то мощность p находят как
p = uRiR. (1.3)
Учитывая, что или 
, можно также записать, что
или p = 
/ R. (1.4)
Энергия W, которая выделилась в активном сопротивлении за время t, определяется как
W = 
. (1.5)
Для случая постоянного тока, когда напряжение UR и ток IR не изменяются во времени, что характерно для цепей постоянного тока, активная мощность P будет постоянной. Ее определяют по формулам:
P = UR ·IR, P = 
· R или P = 
/ R. (1.6)
Выделенная в активном сопротивлении R за время t энергия W постоянного тока определяется, с учетом (1.5) и (1.6), как
W = P t, W = R t или P = [ / R ] t. (1.7)
Индуктивность (L) – это идеализированный элемент цепи (Рис 1.7), способный накапливать энергию магнитного поля. Индуктивность L,как параметр цепи, измеряется в генри (Гн) и служит количественной мерой магнитного поля, создаваемого током i (1 Гн = 1 В·с / А). Близким по своим свойствам к индуктивности L элементом цепи является катушка индуктивности без ферромагнитного сердечника.
|
| Рис. 1.7 – Условное графическое обозначение индуктивности |
Величина индуктивности L элемента цепи, например, катушки индуктивности, определяется отношением потокосцепления самоиндукции ψ к току i вданном элементе
(1.8)
Потокосцеплением самоиндукции элемента цепи называют полный магнитный поток, созданный током iL в данном элементе. Например, если катушка состоит из w витков и все они пронизываются магнитным потоком Ф, созданным током этой катушки, то потокосцепление самоиндукции ψ = w Ф.
При изменении потокосцепления ψ в катушке согласно закону электромагнитной индукции возникает ЭДС самоиндукции eL. Она определяется как
eL 
. (1.9)
С учетом, что ψ = L iL (см. выражение 1.8), получим:
eL 
. (1.10)
Из (1.10) следует, что ЭДС самоиндукции всегда направлена против изменения тока (правило Ленца) и определяется знаком производной тока.
Напряжение на индуктивности
uL = – eL 
. (1.11)
Энергия магнитного поля индуктивности при известном токе iL определяется как
WM = 
(1.12)
Для постоянного тока индуктивность никакого сопротивления не оказывает. В этом случае напряжение на индуктивности uL = 0, ток в индуктивности iL = IL, энергия магнитного поля
WM = 
(1.13)
Индуктивность присуща любому реальному элементу электрической цепи, если в нем протекает ток, которому всегда сопутствует магнитное поле.
Емкость (С) – идеализированный элемент, накапливающий энергию в электрическом поле. Емкость, как и индуктивность, присутствует в любом реальном элементе электрической цепи, где имеется напряжение. Наиболее близким по своим свойствам к емкости С элементом цепи является конденсатор (Рис.1.8). Емкость, как параметр цепи, является количественной мерой электрического поля, создаваемого зарядами. Единица измерения емкости – фарад (Ф). 1Ф = 1Кл/В или 1Ф = 1А·с/В.
Рис. 1.8 - Условное
графическое обозначение
емкости
|
Накопленный в емкостном элементе заряд определяется величиной емкости С и напряжением 
:
q = C . (1.14)
С учетом формулы (1.14) ток в емкости
. (1.15)
Энергия электрического поля линейной емкости C при напряжении 
определяется формулой:
(1.16)
Емкостные элементы, как и индуктивные, в отличие от активного сопротивления, энергию цепи не расходуют. Они могут накапливать энергию, забирая ее из цепи, и отдавать обратно в цепь. Их реакция на воздействие в виде тока или напряжения в электрической цепи подобна реакции пружины на механическое воздействие в каком-либо механическом устройстве. В этой связи элементы L и С называют реактивными элементами.
Активные элементы
В электротехнике широко используются понятия идеализированных источников электрической энергии - идеального источника ЭДС и идеального источника тока.
Идеальный источник ЭДС (или просто источник ЭДС) – это такой источник, у которого выходное напряжение не зависит от нагрузки (Рис. 1.9). Внешняя характеристика такого источника 
определяется выражением:
const. (1.17)
У источника ЭДС отсутствуют внутренние потери энергии. Внутреннее сопротивление у него отсутствует (
= 0).
|
| Рис. 1.9 – Источник ЭДС: а) условное графическое изображение; б) внешняя характеристика |
Реальные источники электрической энергии (Рис. 1.10) обладают внутренним сопротивлением ≠ 0, что является причиной потерь энергии в самом источнике. Внешняя характеристика реального источника имеет наклон (Рис. 1.10, б) за счет падения напряжения на сопротивлении .
Рис. 1.10. – Реальный источник: а) схема источника с подключенной нагрузкой; б) внешняя характеристика
Идеальный источник тока (или просто источник тока) – идеализированный источник энергии, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах (то есть не зависит от нагрузки). Внешняя характеристика (Рис. 1.11) источника тока описывается выражением:
IИ = const. (1.18)
|
| Рис. 1.11 – Источник тока: а) условное графическое изображение; б) внешняя характеристика |
Любой реальный источник электрической энергии можно заменить эквивалентной схемой замещения с помощью источника тока, как показано на рис. 1.12.
|
| Рис. 1.12 – Реальный источник: а) схема источника с подключенной нагрузкой; б) внешняя характеристика |
Значение тока IИ можно определить расчетным путем, предположив 
= 0. Сравнивая схемы замещения реального источника, приведенные на Рис 1.10, а) и на Рис. 1.12, а), можно заметить, что по отношению к нагрузке они равнозначны. Внешние характеристики для обеих схем одинаковы (см. Рис 1.10, б и Рис. 1.12, б).
Для схемы замещения с источником ЭДС при = ∞ (холостой ход) напряжение на зажимах 
.
1.4 Измерение электрических величин
Измерение любой физической величины осуществляется путем ее сравнения с мерой – некоторой физической величиной, принятой за единицу измерения. Объектами электрических измерений являются электрические величины: ток, напряжение, мощность, количество электрической энергии, напряженность электрического или магнитного поля и так далее.
В зависимости от того, каким образом происходит процесс измерения, различают три основных метода: метод непосредственной оценки, косвенный метод и метод сравнения.
Метод непосредственной оценки (прямой метод). При этом методе измеряемую величину отсчитывают непосредственно по шкале прибора, которая отградуирована в единицах измеряемой величины.
Косвенный метод. С помощью прибора измеряют одну или несколько электрических величин, характеризующих рабочий процесс, а величину, которую необходимо узнать, получают с помощью дополнительных вычислений на основе измеренных величин.
Метод сравнения. Используется, главным образом, в лабораторных условиях. В этом методе измеряемая величина сравнивается с эталонным образцом или величиной (мерой). Точность измерения здесь выше, чем при методе непосредственной оценки и косвенном методе.
Погрешности измерения
Абсолютно точных измерительных приборов не существует. При измерении всегда имеет место некоторая погрешность. Различают три вида погрешности.
Абсолютная погрешность (DА) - это разность между измеренным значением (АИЗМ) измеряемой величины А и её действительным значением
. (1.19)
Значение DА может быть положительным или отрицательным. Поэтому при известном значении абсолютной погрешности DА результат измерения записывают как
. (1.20)
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности DА к действительному значению измеряемой вели-чины АД, выраженное в процентах:
. (1.21)
Относительная погрешность имеет важное значение при оценке точности измерений. Величина АД может быть получена с помощью эталонного прибора, обеспечивающего очень малую погрешность DА. В крайнем случае, для простейшей оценки принимается АД » АИЗМ.
Приведенная погрешность. Она равна отношению абсолютной погрешности к максимальному значению шкалы прибора АМАКС и выражается в процентах:
. (1.22)
Максимальная приведенная погрешность, выраженная в процентах, определяет класс точности данного прибора:
. (1.23)
Все электроизмерительные приборы подразделяются на классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, характеризующая класс точности прибора, показывает какую наибольшую погрешность (в процентах) может дать прибор. Зная класс точности, можно определить и максимальную абсолютную погрешность измерения данным прибором.
Пример. При измерении тока амперметром класса точности 1,5, у которого шкала рассчитана на 10А, получили силу тока в цепи І = 5А. Какое значение может иметь измеренная величина тока ІИЗМ с учётом погрешности измерения?
Решение.
1. Учитывая, что bМАКС = 1,5, шкала АМАКС = 10А, можно, согласно (1.23), записать, что: 
.
2. Максимальная абсолютная погрешность амперметра
А.
Ответ: ІИЗМ = 5 ± 0,15А.
1.5 Электроизмерительные приборы
Электроизмерительные приборы классифицируются по различным признакам.
По роду измеряемой величины различают: вольтметры - для измерения напряжения и электродвижущей силы; амперметры - измеряют силу тока; ваттметры - для измерения активной мощности; счётчики электрической энергии - для измерения количества электрической энергии; омметры и мегомметры - для измерения электрического сопротивления; частотомеры - для измерения частоты переменного тока; фазометры - для измерения угла сдвига фаз и др.
По роду тока различают следующие приборы: постоянного тока; переменного тока; комбинированные.
По способу установки приборы бывают: щитовые, стационарные и переносные.
В зависимости от принципа действия существуют различные системы приборов.
|
| Рис.1.13 – Магнитоэлектрическая система |
Магнитоэлектрическая система. Её работа основана на взаимодействии между магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом, и подвижной рамкой с током, установленной между полюсами постоянного магнита (Рис. 1.13). Ток к обмотке рамки подводится по спиральным пружинкам. Когда по обмотке рамки течет ток, то она поворачивается на угол α, соответствующий измеряемому току (напряжению). Направление поворота рамки, значит, и стрелки прибора зависит от направления тока в обмотке рамки. Достоинства прибора – это высокая точность показаний и линейность шкалы.
Электромагнитная система (Рис. 1.14). Её работа основана на свойстве катушки 1 с током I взаимодействовать с железным сердечником 2. Вследствие этого (когда по катушке проходит ток) ферромагнитный сердечник втягивается внутрь катушки, и стрелка 3 отклоняется на угол, соответствующий значению тока.
Противодействие силе втягивания сердечника создается пружиной 4. При измерении направления тока в катушке одновременно меняется и полярность намагничивающегося сердечника. Поэтому при любом направлении тока в обмотке катушки сердечник втягивается внутрь её, а стрелка отклоняется в одну и ту же сторону. Успокоение колебаний подвижной части обеспечивается демпфирующим устройством 5,6.
Основные достоинства систем: простота устройства, невысокая стоимость, пригодность для измерения переменного и постоянного токов, устойчивость к перегрузкам. Недостатки: невысокая точность, нелинейность шкалы.
Электродинамическая система. Принцип действия основан на взаимодействии токов, протекающих по двум катушкам, одна из которых установлена неподвижно, а вторая подвижная и может вращаться вместе с осью и указательной стрелкой (Рис. 1.15). По этому принципу действуют ваттметры, вольтметры и амперметры.
|
|
| Рис. 1.14 –Электромагнитная система | Рис. 1.15 – Электродинамическая система |
Ферродинамическая система. Принцип действия приборов этой системы тот же, что и у приборов электродинамической системы. Отличие состоит в том, что внутрь неподвижной и подвижной катушек введены ферромагнитные сердечники (у подвижной катушки сердечник имеет вид цилиндрика), в результате значительно повышается чувствительность прибора. Однако присутствие металла в приборе снижает его класс точности.
Индукционная система. Принцип действия основан на взаимодействии переменных магнитных потоков, создаваемых обмотками неподвижной системы приборов, с вихревыми токами, индуктируемыми в лёгком алюминиевом диске, представляющем собой подвижную систему прибора.
Применяют также приборы вибрационной, тепловой, электростатической, электронной и других систем.
В настоящее время всё большее распространение получают электронные цифровые измерительные приборы (Рис. 1.16). В своем составе они имеют аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) измеряемой физической величины и цифровой индикатор. В аналогово-цифровом преобразователе измеряемая величина А (напряжение, ток) преобразуется в цифровой код (АЦ) и в таком виде поступает на обработку в процессор (если требуется) и на цифровой индикатор.
Достоинством таких приборов является их высокая точность. Они легко вписываются в различные схемы обработки и отображения информации, в том числе и с использованием ЭВМ.
|
| Рис. 1.16 – Структурная схема цифрового измерительного прибора |
1.6 Электрическое измерение неэлектрических
величин
При решении многих практических задач измерения и контроля различных физических величин – температуры, давления, линейных и угловых перемещений, влажности материалов, уровня и др., широко используются электрические методы измерения. Структура процесса измерения в этом случае предусматривает два этапа (Рис. 1.17). Первоначально измеряемая физическая величина Х преобразуется в электрическую величину А – напряжение или ток. Такое преобразование осуществляется с помощью устройства-преобразователя измеряемой неэлектрической величины. Закон преобразования описывается статической характеристикой преобразователя:
А = f (X).
После преобразования электрическая величина А, несущая в себе информацию о физической величине Х, измеряется электроизмерительным прибором. По измеренному значению АИЗМ электрической величины делается заключение о значении измеряемой физической величины Х.
Преобразователи неэлектрических величин в электрические делятся на два класса: параметрические и генераторные.
В параметрических преобразователях изменяющаяся неэлектрическая величина Х вызывает изменение одного из электрических параметров - активного сопротивления (проводимости), индуктивности или емкости. В генераторных преобразователях неэлектрическая величина Х преобразуется в ЭДС.
Примерами параметрических преобразователей являются: терморезисторы; термисторы; фоторезисторы; гигристоры и др. Генераторными преобразователями являются: полупроводниковый фотоэлемент; термопара; тахогенератор и др.
|
| Рис. 1.17 – Структурная схемаизмерения неэлектрической величины |
1.7 Устройство и принцип действия машин
постоянного тока
Под электрическими машинами понимают устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую (генераторы) или наоборот – электрическую энергию в механическую (двигатели).
Электрические машины постоянного тока применяются в различных областях техники. Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например, в качестве источников постоянного тока возбуждения в генераторах переменного тока, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн, в качестве сварочных генераторов и так далее. Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве тахогенераторов – датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемых систем.
Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования. Недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них переменного тока в постоянный ток.
Машина постоянного тока (генератор, двигатель) состоит из трех основных частей (Рис. 1.18): неподвижного статора, выполненного в виде электромагнита или постоянного магнита, создающего основное магнитное поле машины; якоря - вращающейся части машины, в обмотках которой возникает электродвижущая сила (ЭДС); щеточно-коллекторного аппарата (на Рис. 1.18 не показан).
Статор состоит из станины и главных полюсов. Обмотка возбуждения 1 расположена на сердечниках 2 главных (основных) полюсов, закрепленных на станине 3. Полюс заканчивается полюсным наконечником 4, распределяющим магнитный поток в воздушном зазоре 6. На обмотку возбуждения подают постоянное напряжение, вызывающее ток возбуждения IB. Возникающий магнитный поток идет через сердечник северного полюса N, воздушный зазор, сердечник якоря, воздушный зазор к сердечнику южного полюса S и через ярмо статора (станину) возвращается к северному полюсу.
Вращающаяся часть машины - якорь (Рис. 1.18) включает сердечник, обмотки якоря 5 и коллектор. Сердечник якоря набирают из тонких пластин электротехнической стали толщиной, обычно, не более 0,5 мм (для уменьшения потерь на вихревые токи). В пазах сердечника уложены проводники изолированной обмотки якоря.
|
| Рис. 1.18 – Машина постоянного тока: 1- обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3– станина (ярмо); 4-полюсный наконечник; 5- проводники якорной обмотки; 6- воздушный зазор машины |
|
| Рис. 1.19 - Якорь машины постоянного тока |
Коллектор (Рис. 1.20) - это полый цилиндр, набранный из отдельных медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга и от вала. К пластинам коллектора припаяны проводники обмотки якоря. По пластинам коллектора скользят медно-графитовые щетки, закрепленные в щеткодержателях.
|
| Рис. 1.20 - Элементы узла коллектора машины постоянного тока |
Машина постоянного тока может работать в двух режимах - в генераторном и в двигательном. Рассмотрим генераторный режим. При вращении якоря проводники якорной обмотки пересекают магнитные силовые линии и в них, по закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС еЯ (Рис. 1.18). Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.
На рисунке, для упрощения, показаны только два проводника якорной обмотки. Несложно представить, что если якорь повернется на угол 180 градусов, токи в проводниках поменяют направление.
По существу в одном витке якорной обмотки при вращении якоря будет индуктироваться переменная ЭДС. Коллектор играет роль механического переключателя. Он переключает витки обмотки якоря в процессе его вращения по отношению к нагрузке таким образом, что на неподвижных щетках формируется напряжение одного знака.
Если якорь вращать за счет некоторого внешнего источника механической энергии, то в каждом к-ом проводнике его обмотки будет индуктироваться ЭДС еК, определяемая выражением:
(1.24)
где Ф – магнитный поток; В – магнитная индукция; l – активная длина проводника; v – окружная (линейная) скорость движения проводника относительно магнитного поля статора.
Режим двигателя получим, подав на якорь напряжение U (Рис. 1.21). При этом для создания магнитного поля статора необходимо подать напряжение питания UB на обмотку возбуждения статора. На каждый проводник якорной обмотки будет действовать сила
F = B IЯ l. (1.25)
Направление действия этой силы можно определить по правилу левой руки. При указанных на рис.12.3 направлениях тока якоря I и тока возбуждения IB действие сил взаимодействия проводников с током якорной обмотки с магнитным полем статора вызовет вращение якоря против часовой стрелки. Однако при вращении якоря, согласно закону электромагнитной индукции, в проводниках его обмотки будет возникать ЭДС (см. выражение 1.25), направленная противоположно току IЯ. В этом легко убедиться, воспользовавшись правилом правой руки. Приложенное напряжение U уравновешивает эту ЭДС и падение напряжения на сопротивление обмоток якоря.
|
| Рис. 1.21 – Двигатель постоянного тока |
Свойство электрических машин работать как в генераторном, так и в двигательном режимах называется обратимостью. Оно характерно для всех электрических машин. Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции, связанная, главным образом, со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в щеточно-коллекторном аппарате, осуществляющем постоянное переключение цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.
Если частота вращения якоря п об/мин, D – диаметр якоря (м), то входящая в формулу (1.24) окружная скорость движения проводника относительно магнитного поля статора 
м/с. Однако полюсные наконечники статора не полностью охватывают окружность якоря, равную π D (Рис. 1.18). Если дуга охвата одного полюсного наконечника равна τ, то окружная скорость 
м/с, где р – число пар полюсов магнитной системы статора. Произведение lτ равно площади одногополюсного наконечника. С учетом приведен