Тема 7.1. Электрические машины постоянного

Вопросы:

1. Устройство.

2. Физические процессы в машинах.

3. Классификация машин по способу возбуждения.

4. Генераторы постоянного тока.

5. Электродвигатели постоянного тока.

1. Устройство.

Машины постоянного тока обратимы, т. е одна и та же машина может работать как генератором, так и электродвигателем. Однако при их проектировании и изготовлении учитывают, в каком качестве будет работать машина и создают её с нужными техническими характеристиками для работы именно в этом качестве.

Неподвижная часть машины - индуктор (станина). На нём расположены главные и дополнительные полюса.

Вращающаяся часть машины – якорь.

Якорем у всех машин (и постоянного и переменного тока) называют так же ту часть машины, в которой один вид энергии преобразуется в другой.

Обмотка якоря.

Обмотка якоря состоит из многовитковых секций, уложенных в пазы сердечника якоря. Стороны секций, находящиеся в пазах, называют активными. Концы секций присоединяют к медным коллекторным пластинам, изолированным друг от друга и образующим коллектор. На коллектор опираются угольные щётки. Щётки делят замкнутую обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. Через щётки и коллектор обмотка якоря соединяется с внешними устройствами.

2. Физические процессы в машинах.

ЭДС обмотки якоря.

Магнитное поле создаётся обмоткой возбуждения, находящихся на главных полюсах. При вращении якоря в этом поле в активных частях проводников обмотки якоря индуктируется ЭДС e = Blv (см. формулу 2.5), где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между индуктором и якорем; l – длина активной части проводника; v – линейная скорость проводника.

Из формулы 2.1 следует, что = Ф/S, где S – площадь поверхности якоря, находящаяся между серединами двух соседних главных полюсов; Ф – магнитный поток одного главного полюса.

Линейная скорость якоря v (скорость проводников обмотки якоря), как известно из механики, зависит от угловой скорости якоря ω и от его диаметра.

ЭДС обмотки якоря равна сумме ЭДС всех проводников, входящих в параллельную ветвь обмотки.

Из сказанного следует, что ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря, зависит от конструктивных характеристик машины (длины якоря, его диаметра, числа главных полюсов, количества проводников в одной параллельной ветви), а так же от магнитного потока одного полюса. Эта зависимость выражается формулой:

E = kωФ 7.1

k – постоянная машины, зависящая от её конструктивных характеристик.

Электромагнитны момент.

Если по обмотке якоря протекает ток, то на каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила F = BlI₁ (см формулу 2.3).

I₁ – ток в одном проводнике;

В параллельных ветвях обмотки якоря проводники соединены между собой последовательно, поэтому если ток обмотки якоря, равный сумме токов парллельных ветвей обозначить I, то I1 = I/2a, где 2a – число параллельных ветвей.

Сумма всех сил создаёт электромагнитный момент М, который будет действовать на якорь машины.

M = kIФ 7.2

k – постоянная машины; Ф – магнитный поток одного главного полюса; I – ток в обмотке якоря.

Реакция якоря.

При прохождении тока по обмотке якоря магнитный поток в машине создаётся не только главными полюсами (обмоткой возбуждения), но и током обмотки якоря.

Реакция якоря - влияние тока обмотки якоря на магнитный поток обмотки возбуждения. Реакция якоря искажает магнитное поле машины и приводит к различным негативным последствиям в её работе (например, к искрению под щётками, уменьшению ЭДС обмотки якоря и т.д.).

Коммутация.

При вращении якоря секции его обмотки последовательно друг за другом переходят из одной параллельной ветви в другую

Коммутация – процесс перехода (переключения) секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

В результате коммутации может возникнуть искрение под щётками.

Для исключения искрения, возникающего в результате коммутации и реакции якоря предназначены дополнительные полюса. Их устанавливают между главными полюсами. катушки дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря.

У машин небольшой мощности может быть один дополнительный полюс. У более мощных машин число дополнительных полюсов равно числу главных.

3. Классификация машин по способу возбуждения.

Обмотка возбуждения L машины с независимым возбуждением получает питание от независимого источника.

Машины последовательного, параллельного и смешенного возбуждения относятся к машинам с смовозбуждением.

Последовательная L1 и параллельная L2 обмотки возбуждения могут включаться между собой согласно (магнитные потоки обмоток направлены в одну сторону) или встречно (магнитные потоки направлены в противоположные стороны).

4. Генераторы постоянного тока.

Принцип действия генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции.

При вращении рамки (секции обмотки якоря) в магнитном поле в её активных сторонах аб и вг индуктируются ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки.

Концы рамки присоединены к двум полукольцам (к двум коллекторным пластинам). Если через полукольца и щётки рамку соединить с потребителем (лампочкой), то в образовавшейся замкнутой электрической цепи под действием суммы ЭДС, индуктированных в активных сторонах рамки, потечёт ток.

При повороте рамки на 180⁰ направление ЭДС в её активных сторонах изменится на противоположное, а направление тока во внешней цепи (через лампочку) не изменится. Таким образом у генератора полукольца (коллектор) служат не только для соединения рамки (обмотки якоря) с потребителями, но и для выпрямления тока во внешней цепи.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа:, откуда:, но E = kωФ, поэтому