Устройство и принцип действия машины постоянного тока (ген., двигатель).

Режим генератора. Генератор, по определению, должен преобразовывать механическую энергию в электрическую. Пусть якорь под действием стороннего двигателя приводится во вращение с угловой частотой Ω, в направлении, показанном на рисунке а). При этом в каждом активном проводнике индуцируется ЭДС равная , где -линейная скорость перемещения проводника относительно полюсов. Направление этой ЭДС определяется по правилу «правой руки». Мгновенные значения ЭДС левой и правой сторон витка одинаковы, так как они расположены симметрично по отношению к полюсам, а по контуру витка сонаправлены. Следовательно, ЭДС витка: . Частота изменения этой ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря, в многополюсной машине: .

Представим обмотку генератора как источник ЭДС E_а электрической схемы, показанной на рис. (4.3,а), и установим связь между величинами E_a, I_a, U_a, измеренными на щетках, то есть на зажимах якоря генератора. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора U_a будет меньше ЭДС Ea на величину падения напряжения при полном сопротивлении цепи обмотки якоря Ra, представленном суммой сопротивлений всех конструктивных элементов этой цепи, включая сопротивление щеточного контакта. То есть уравнение для напряжения имеет вид: . Так как проводники обмотки якоря находятся в магнитном поле возбуждения с текущим значением магнитной индукции , на проводники будут действовать электромагнитные силы , направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы создают вращающий механический момент, называемый электромагнитным, равный . Из первого рисунка следует, что в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря, а поэтому является тормозящим (рис. 2а→).

В соответствии с законами механики все механические моменты, действующие на вращающийся якорь в установившемся режиме, должны быть уравновешены. Основными механическими моментами, действующими на вал генератора, являются М_в - внешний механический момент, развиваемый первичным механическим двигателем, и М_эм, развиваемый в электрической машине. Так же присутствуют моменты М_тр, обусловленные силами трения и электромагнитными процессами, протекающими при перемагничивании сердечника якоря М_мг. Эти моменты, незначительные по сравнению с номинальным значением М_мг, часто объединяют вместе и называют моментом холостого хода: М₀=М_тр+М_мг. Как следует из названия, этот момент остается единственным тормозным моментом генератора при его холостом ходе (I_a=0).

Итак, баланс моментов для генератора в установившемся режиме работы принимает вид М_в=М_эм+М₀.

Режим двигателя. Двигатель, по определению, должен преобразовывать электрическую энергию в механическую. Для этого подведем к зажимам якоря постоянный ток I от внешнего электрического источника. Этот ток, протекая по проводникам обмотки якоря, взаимодействует с магнитным полем индуктора. В результате на проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент . Пользуясь правилом руки можно определить, что возникающий электромагнитный момент является движущим. Поэтому якорь машины приходит во вращение в направлении действия электромагнитного момента и будет развивать механическую мощность. Чтобы изменить направление вращения, нужно изменить полярность подаваемого напряжения или магнитную полярность полюсов индуктора.

В двигателе ЭДС якоря Е_а направлена против тока Ia и приложенного к зажимам якоря напряжения Ua. Поэтому уравнение напряжений в цепи якоря двигателя принимает вид . Если сравнить уравнения напряжений для якоря и генератора, видно, что в генераторе , а в двигателе .

Баланс моментов, действующих на якорь двигателя, будет определяться взаимодействием трех составляющих: электромагнитным моментом двигателя Мэм, который будет движущим; моментом внешних механических сил Мв, обусловленным присоединенной к валу двигателя механической нагрузкой; моментом холостого хода М₀, который, как и в генераторе, является тормозным. Следовательно уравнение моментов двигателя в установившемся режиме принимает вид М_в=М_эм+М₀.

Действующий в электромашине постоянного тока электромагнитный момент развивает мощность Рэм, которую называют электромагнитной. Как следует из законов механики . Это выражение определяет Р_эм как внутреннюю электрическую мощность обмотки якоря, развиваемую при электромеханическом преобразовании энергии под действием ЭДС Е_а и тока I_a. Оно справедлив как для генератора, так и для двигателя.

Принцип действия генератора постоянного тока: На обмотку возбуждения Машины Постоянного Тока подается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле. В якоре лежит обмотка, связанная с внешней сетью через коллектор. Якорь машины приводится во вращение приводным двигателем. При вращении якоря, магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, пересекает обмотку якоря, создавая в ней ЭДС. ЭДС создает ток яко

ря, который через коллектор «выпрямляется» и передается на потребителя.