Машины постоянного тока как частный случай коллекторных электрических машин

Рассмотрим конструктивную схему а) коллекторной ЭМ, представленной на рисунке 1.2. Трехфазная обмотка находится на статоре, на роторе – замкнутая многосекционная обмотка, которая через коллектор и щетки может подключаться к трехфазной сети.

 

Рис. 1.2

При включении обмотки статора в трехфазную сеть возникает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует ЭДС в обмотке ротора, и машина будет работать как асинхронный двигатель. Частота индуктируемой ЭДС в обмотке ротора пропорциональна скольжению, и магнитное поле, созданное током ротора, вращается относительно ротора с частотой вращения, равной

С такой же скоростью вращается потенциальная волна на коллекторе относительно коллектора. Так как сам ротор вращается в пространстве с частотой

,

то частота вращения потенциальной волны относительно неподвижных щеток равна сумме частот ротора и потенциальной волны относительно ротора:

. (1.3)

В результате частота ЭДС на щетках, установленных на коллекторе, будет равна . Это означает, что независимо от скорости вращения ротора частота ЭДС на щетках остается постоянной и равной частоте первичного напряжения. Поэтому обмотку ротора через щетки можно питать напряжением той же частоты, что и обмотку статора, то есть вводить в обмотку ротора добавочную ЭДС. В этом случае коллектор с щетками выполняет роль преобразователя частоты, и частота ЭДС и тока в обмотке якоря изменяется, что приводит к изменению скорости вращения поля ротора относительно ротора и в соответствии с равенством (1.3) скорости ротора.

При регулировании частоты подводимого напряжения к обмотке статора пропорционально изменяется скорость поля статора и частота ЭДС на щетках. Если скорость поля статора будет равна нулю, то и на щетках частота ЭДС будет равна нулю, то есть ЭДС постоянного тока. Чтобы получить неподвижное магнитное поле со стороны статора, его обмотку нужно питать постоянным током. Для отвода или подвода постоянного тока к ротору на коллекторе нужно расположить две щетки. В итоге получим конструктивную схему б) на рисунке 1.2. Это и есть схема машины постоянного тока. По аналогии со схемой а) можно сказать, что в двигателях постоянного тока путем изменения напряжения якоря можно регулировать скорость ротора. При этом изменяется частота индуктируемой ЭДС в обмотке якоря, скорость вращающегося поля, созданного током обмотки якоря и скорость якоря. Вращающееся поле якоря перемещается с той же скоростью, что и якорь, но в противоположном ему направлении. Поэтому скорость поля якоря в пространстве равна нулю, в результате чего поле якоря неподвижно относительно поля возбуждения. Таким образом, создание электромагнитного момента в машинах постоянного тока можно также свести к взаимодействию двух неподвижных друг относительно друга взаимно притягивающихся магнитов.

Но подобным образом теория электрических машин в историческом плане не развивалась. Как известно, первыми источниками постоянного тока были гальванические элементы, которые давали постоянный ток. Когда после открытия закона электромагнитной индукции была показана возможность преобразования энергии с помощью электрической машины, то от нее стремились получить тоже постоянный ток. Поэтому для получения постоянного тока первоначально электрические машины выполнялись с различными коммутаторами. Их теория на основе электрических цепей постоянного тока сложилась раньше, чем теория машин переменного тока, которые позже получили распространение. Поэтому в классической теории машин постоянного тока они не рассматриваются как совмещенные машины переменного тока с коллекторным преобразователем частоты.

Представляет интерес аналитическая теория электромеханического преобразования энергии в машинах постоянного тока, в основе которой лежит теория автоматических систем с неголономной связью, обусловленной коллектором [ 8 ].