ГЛАВА ПЯТАЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. 5. 1 Принцип

ГЛАВА ПЯТАЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. 5. 1 Принцип действия машин постоянного тока

Устройство машины постоянного тока. На рис. 5. 1 представлена простейшая МПТ, а на рис. 5. 2 дано схематическое изображение этой машины. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикреплены полюса. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рис. 5. 1, имеет 2 полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 5. 1 не показано). Вращающаяся часть машины состоит из укрепленного 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. 5. 1 и 5. 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в данном случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединена с внешней цепью.

Основной магнитный поток в МПТ создается обмоткой возбуждения, возбуждения которая расположена сердечнике полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток, проходя от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу.

Режим генератора. Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелки. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 5. 3 а) и показано на рис. 5. 1, рис. 5. 2 а. Эта ЭДС возникает только вследствие вращения якоря, поэтому называется ЭДС вращения.

Значение индуктируемой в проводнике обмотке якоря ЭДС где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т. е. Та длина, на протяжение которой он расположен в магнитном поле; - линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контура витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря ЭДС Еа является переменной, т. к. проводники обмотки якоря проходят переменно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме ЭДС проводника повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 5. 4 а).

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р полюсов с чередующейся полярностью f = pn.

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис. 5. 4 а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора.

Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 5. 1) на 90 градусов 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 остается неизменным.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 5. 4 а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 5. 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.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора U = E – Ir Проводники обмотки якоря с током I находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 5. 2 а) Fпр = Bl. I направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 5. 3 б). Эти силы создают механический момент, который называется электромагнитным моментом Mэм = FDa = Bl. Da. I, где Da – диаметр якоря.

Как видно из рис. 5. 2 б в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря я является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая МПТ может также работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Мэм. При достаточном значении электромагнитного момента якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Электромагнитный момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

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 также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС. Приложенное к якорю напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря U = E + Ir

Принцип обратимости. Таким образом, каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ т называется обратимостью. Для перехода МПТ 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 просто и в определенных условиях автоматически.

Преобразование энергии. На рис. 5. 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока. Согласно 1 закона Ньютона в применении к вращающему телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работе электромагнитный момент Мэм = Мв –Мтр – Мс,

где Мв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Мтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе ЭМ, Мс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности возникают 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 Мэм = Мв + Мтр + Мс, где Мс – тормозной момент на валу двигателя, развиваемой рабочей машиной (станок, насос и т. д. ). В генераторе Мэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом.

Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью После преобразований электромагнитная мощность может быть выражена и через ЭДС и ток: Рэм = EI. В свою очередь в обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается электрическая мощность якоря Ра = EI

Таким образом, сравнивая последние выражения: Рэм = Ра , т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической мощности в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим все слагаемые уравнения равновесия напряжения на зажимах генератора на величину I, получим UI = EI – I 2 r и слагаемые уравнения равновесия напряжения на зажимах двигателя UI = EI + I 2 r

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые слагаемые правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние слагаемые – электрические потери мощности в якоре. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в МПТ.

Согласно последним выражениям 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. Эти закономерности в равно степени относятся и к машинам переменного тока.

5. 2 Устройство машины постоянного тока На рис. 5. 6 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0, 5 – 1 мм. Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя уширенная часть сердечника называется полюсным наконечником или башмаком. Расположенная на полюсе обмотка обычно разбивается на 2 -4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюса чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех полюсов соединяются обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0, 5 – 3% от номинальной мощности машины. Первая цифра относится к МПТ в тысячи к. Вт, а вторая – к МПТ мощностью около 5 к. Вт.

Для улучшения условий токосъема с коллектора в МПТ мощностью более 0, 5 к. Вт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюса, которые меньше главных по размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали. Как главные, так и дополнительные полюса крепятся к ярму болтами.

Ярмо в машинах обычно изготавливается из стали. В МПТ массивное ярмо является одновременно также станиной, т. е. Той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается их штампованных дисков толщиной 0, 5 мм (рис. 5. 7 а). Диски насаживаются либо непосредственно на вал, либо набираются на якорную втулку, которая надевается на вал. Сердечники якоря большого диаметра (более 100 см) составляются из штампованных сегментом (рис. 5. 7 б) электротехнической стали.

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Обмотка соединяется с коллектором. Воздушный зазор между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см. Коллектор состоит из медных пластин толщиной 3 -15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм.

Для отвода тока от вращающего коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.