Принцип работы машины постоянного тока

Для понимания сущности работы электрической машины необходимо вспомнить физические законы, которыми описываются основные электромагнитные явления: закон электромагнитной индукции, закон Био — Савара, закон Ампера. Эти законы вместе с законами Кирхгофа и Ома позволяют описать основные процессы, происходящие в электрических машинах.

Работа любой электрической машины (генератора или двигателя постоянного и переменного тока) характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создается механическими, а другой — электромагнитными силами. С другой стороны, работа двигателя и генератора характеризуется равновесием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря (с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины).

Принцип работы генератора постоянного тока. В генераторе энергия механического движения преобразуется в электрическую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используется гидротурбина, газовая турбина или двигатель внутреннего сгорания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока:

где w — число витков, пронизываемых изменяющимся магнитным потоком Ф; (1Ф/с1/ — производная магнитного потока по времени, или скорость изменения магнитного потока.

Приведенная формула, выражающая закон электромагнитной индукции, показывает, что для индуктирования постоянной ЭДС Е необходимо равномерно (с постоянной скоростью) увеличивать или уменьшать магнитный поток Ф. Однако равномерное увеличение или уменьшение магнитного потока в течение длительного времени технически невозможно осуществить. Поэтому получение постоянной ЭДС в устройствах, основанных на законе электромагнитной индукции, невозможно^[1].

В реальном генераторе постоянного тока магнитный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, в течение первой половины периода увеличивается, а в течение второй половины периода уменьшается. Соответственно изменяется и ЭДС в каждом витке обмотки, но величине и направлению.

Для получения постоянной ЭДС используют различные выпрямители, в частности, генератор постоянного тока снабжается механическим выпрямителем — коллектором. Коллектор автоматически переключает концы витков обмотки при изменении направления ЭДС.

Рис. 7.5.

На рис. 7.5 изображена синусоидальная ЭДС е', которая индуктируется в одном витке обмотки якоря. С помощью коллектора эта ЭДС преобразуется в пульсирующую ЭДС ^е ?

Возьмем для рассмотрения второй виток обмотки генератора, сдвинутый относительно первого на угол 90°. Индуктируемая во втором витке ЭДС е₂ будет опережать, но фазе на 90° ЭДС е[.

Вид е, е₂ а также выпрямленных ЭДС с, и е₂ показан на рис. 7.6.

Рис. 7.6.

К выходным зажимам генератора подводится ЭДС е, равная сумме ЭДС е, и е₂. Из рис. 7.6 очевидно, что результирующая ЭДС е имеет значительно меньшие пульсации, чем ЭДС е, и е₂. При большом числе витков, сдвинутых по окружности якоря на небольшие углы, пульсации результирующей ЭДС на зажимах генератора становятся пренебрежимо малыми. В этом случае машина вырабатывает напряжение, практически постоянное по величине и направлению.

Для повышения уровня вырабатываемой ЭДС поверх первого ряда витков обмотки могут быть уложены без смещения (в те же самые пазы якоря) второй и последующие ряды витков.

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в обмотке якоря равен нулю. При этом генератор работает вхолостую, а приводной двигатель преодолевает только моменты трения, затрачивая минимальную механическую энергию. При подключении к генератору электрической нагрузки по обмотке якоря начинает протекать ток.

Проводники обмотки находятся в магнитном поле. В соответствии с законом Ампера возникают механические силы, направление которых определяется правилом левой руки. Нетрудно убедиться, что эти силы создают вращающий момент, направленный противоположно моменту приводного двигателя.

Чем больше мощность потребителей электрической энергии, подключенных к генератору, тем больше ток в обмотке якоря, гем больше силы, препятствующие его вращению. Соответственно увеличиваются и затраты механической энергии на вращение якоря генератора.

Принцип работы двигателя постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. В соответствии с законом Ампера, на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, будут действовать механические силы.

Эти силы создадут вращающий момент, под действием которого якорь будет раскручиваться.

Вращающийся вал якоря используется для привода в действие различных механизмов: подъемных и транспортных средств, станков, швейных машин и т. д.

Исходя из закона сохранения энергии можно сказать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на величине электрической мощности, потребляемой двигателем.

Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. Но в этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому ее назвали противоЭДС. Именно противо-ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.

Па закону электромагнитной индукции противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением скорости вращения якоря уменьшается и противо-ЭДС.

Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и скорость вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря протекает минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна.

При подключении механической нагрузки скорость вращения якоря уменьшится, уменьшится и величина противо-ЭДС. Ток и электрическая мощность, потребляемые двигателем из сети, возрастут.

Можно сказать, что противо-ЭДС в двигателе играет роль дросселя, регулирующего поступление мощности из сети.

Карточка № 7.2 (183).

Принцип работы машины постоянного тока.

Продолжение карт. № 7.2

Карточка № 7.3 (231).

Принцип работы машины постоянного тока.

Продолжение карт. № 73

• [1] Высокоскоростные униполярные машины позволяют получить постоянную ЭДС порядка нескольких вольт. Однако теоретически такие машиныследует рассматривать как генераторы переменного тока, имеющие коллекторс бесконечно большим числом пластин.