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. Кроме того, работа двига­теля и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке яко­ря.

Генератор постоянного тока. В генераторе энергия механического движения преобразуется в электричес­кую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используют турбину, или двигатель внутреннего сго­рания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный по­ток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока: e = w , где w - число витков, пронизываемых изменяющимся магнитным потоком Ф; dФ/dt — производная магнитного потока по времени, или скорость изменения магнитного пото­ка.

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

В реальном генераторе постоянного тока магнит­ный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, периодически изменяется. Соответственно из­меняется и ЭДС в каждом витке обмотки по значению 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.

На рис. 9.5 изображена синусоидальная ЭДС, ко­торая индуцируется в одном витке обмотки якоря. С помощью коллектора эта ЭДС преобразуется в пуль­сирующую ЭДС e₁.

N

 

 

S

 

 

Рассмотрим второй виток обмотки генератора, сдви­нутый относительно первого на угол 90°. Индуцируемая но втором витке ЭДС е'₂ опережает по фазе на 90° ЭДС е¹₁. Форма  е'₁, е'₂ а также выпрямленных ЭДС е₁ и e₂ показана на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Уменьшение пульсаций при сложении ЭДС, сдвину­тых по фазе

К выходным зажимам генератора подводится ЭДС, равная сумме ЭДС е₁ и е₂. Из рис. 9.6 видно, что результирующая ЭДС е имеет значительно меньшие пульсации, чем ЭДС е₁ 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 значению 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 проходить 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 и больше силы, препятствующие его вращению. Соответственно увеличиваются и затраты механической энергии на вращение якоря генератора.

Двигатель 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, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под дейст­вием которого якорь начинает раскручиваться.

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

Исходя из закона сохранения энергии можно счи­тать, 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 элект­рической мощности, потребляемой двигателем.

Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вра­щается в магнитном поле возбуждения. 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 противо-ЭДС. Именно противо-ЭДС яв­ляется фактором, регулирующим потребление электри­ческой мощности из сети.

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

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

При подключении механической нагрузки частота вращения якоря уменьшается, а следовательно, умень­шится и значение противо-ЭДС. Ток и электрическая мощность, потребляемые двигателем из сети, возрастут.

Таким образом, противо-ЭДС в двигателе выпол­няет функции дросселя, регулирующего поступление мощности из сети.