Машина постоянного тока

Реферат

Машина постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока.

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.

Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Рис. 1. Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Устройство простейшей машины

На рис. 1.1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рис. 1.2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис. 1-1 простейшей машины имеет два полюса / (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 1-1 и 1-2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рис. 1-1. Простейшая машина постоянного тока

Рис. 1-2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки

enp = Blv,

где В -- величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; / -- активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v -- линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Э. д. с. Еа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 1-4, а).

Частота э. д. с. / в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной й оборотах в секунду:

f = n,

а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью,

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рис. 1-4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 1-1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой -- пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 1-4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 1-4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей.

Рис. 1-4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор (см. гл. 3). Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря га:

Ua = Ea-lara. (1-3)

Проводники обмотки якоря с током 1а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 1-2, а)

Fnp = BlIa, (1-4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1-3, б). Эти силы создают механический вращающий момент М9м, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен

Md» = FapDa = BlDaIa, (1-5)

где Da -- диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fnp и возникнет электромагнитный момент МЬ№. Величины Fnp и Л49Я, как и для генератора, определяются равенствами (1-4) и (1-5). При достаточной величине М3№ якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент МЭи при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 1-2, а) и двигателя (рис. 1-2, б) были одинаковы, то направление действия УИЭм, а следовательно, и направление тока 1а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 1-2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Еа, величина которой определяется равенством (1-1)- Направление этой э. д. с. в двигателе (рис. 1-2, б) такое же, как и в генераторе (рис. 1-2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Еа направлена против тока /в и приложенного к зажимам якоря напряжения Ua. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Еа и падением напряжения в обмотке якоря:

U =Ј 4- / г (\-f\\

Из сравнения равенств (1-3) и (1-6) видно, что в генераторе Ua < Еа, а в двигателе Ua > Ea.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рис. 1-5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Рис. 1-5. Направления э. д. с. тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

M8M = MB-MTp-Mc, (l-7a)

где Мв -- момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Мтр -- момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Мс -- тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Мдм = Мв + Мтр + Мс, (1-76)

где MR -- тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе УИЭМ является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях Мв и МЬя противоположны по направлению.

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей --* электромагнитную мощность якоря и последние члены -- электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рис. 1-1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя -- в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применительно к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока,

Устройство машины постоянного тока

Рассмотрим несколько подробнее устройство машины постоянного тока и приведем краткое описание ее главных конструктивных элементов.

На рис. 1-6 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5--1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали- толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются.

Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная, часть сердечника называется полюсным наконечником или башмаком. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2--4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех полюсов соединяются обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5-- 3°о от номинальной мощности машины. Первая цифра относится к машинам мощностью в тысячи киловатт, а вторая -- к машинам мощностью около 5 квт.

Для улучшения условий токосъема с коллектора (см. гл. 6) в машинах мощностью более 0,5 квт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготовляются из конструкционной стали.

Рис. 1-6. Главный полюс машины постоянного тока

Рис. 1-7. Диск (о) и сегмент (б) стали якоря

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно также станиной, т. е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рис. 1-7, а) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при Da ^ 75 см), либо набираются на якорную втулку (Da 3= 40 см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штампованных сегментов (рис. 1-7, б) электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом. Для крепления к корпусу якоря сегменты отштамповываются с гнездами для ласточкиных хвостов либо с выступающими ласточкиными хвостами (рис. 1-8).

Рис. 1-8. Крепление сегментов стали якоря с помощью ласточкиных хвостов 1 -- вентиляционные распорки; 2 -- лист стали якоря; 3 -- стяжной болт; 4 -- ребро ступицы якоря; 5 -- лист ступицы якоря

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы вентиляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. Аксиальные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью дистанционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря (рис. 1-9) подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40--70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5--10 мм. Ветреницы приклепываются или привариваются к крайним листам пакетов. Сердечник якоря крепится с помощью нажимных плит или фланцев 6.

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря (см. гл. 3). Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рис. 1-9) лобовые части обмотки 3 имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Величина воздушного зазора между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных до 1 см.

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рис. 1-10. Он состоит из медных пластин / толщиной 3--15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7.

Рис. 1-9. Сердечник якоря

От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники -- «петушки» 3 -- от обмотки якоря.

Подобное в принципе устройство имеют коллекторы подавляющего большинства машин. В последнее время в малых машинах коллекторные пластины с миканитовыми прокладками часто запрессовываются в пластмассу.

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин. Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на рис. 1-11. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно, Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рис. 1-12) и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности -- к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах -- к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение (см. гл. 3). Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами.

Рис. 1-11. Щеткодержатель со щеткой 1 -- обойма щеткодержателя; 2 -- щетка; 3 -- нажимная пружина; 4 -- токоведущий кабель; 5 -- колодки для крепления к пальцу

Рис. 1-12. Крепление щеточного пальца к траверсе 1 -- палец; 2 -- траверса; 3 -- изоляция; 4 -- токособирательная шина

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

На рис. 1-13 приведен чертеж, а на рис. 1-14 -- фотография машины постоянного тока в разобранном виде.

Одноякорные машины постоянного тока строятся мощностью до 10 000 mm и напряжением преимущественно до 1000 в. Для электрифицированных- железных дорог выпускаются также машины напряжением до 1500 в. На напряжения свыше 1500 в машины постоянного тока изготовляются редко, так как с увеличением напряжения условия токосъема с коллектора ухудшаются.

Рис. 1-13. Общий вид электродвигателя постоянного тока 14 кет, 220 в, 1500 об/мин

I -- люковая крышка; 2 -- коллекторная пластина; 3 -- крепление коллектора пластмассой; 4 -- кольцо для размещения балансировочных грузов; 5 -- траверса; 6 -- передний подшипниковый щит; 7 -- вал; 8 -- обмоткодержатель; 9 -- бандаж лобовых частей обмотки якоря; 10 -- катушка добавочного полюса; 11 -- сердечник добавочного полюса; 12 -- станина; 13 -- рым; 14 -- сердечник якоря; 15 -- сердечник главного полюса; 16 -- катушка главного полюса; 17 -- вентилятор; 18 -- задний подшипниковый щит; 19 -- задняя крышка подшипника; 20 -- шариковый подшипник; 21 -- передняя крышка подшипника; 22 -- свободный конец вала; 23 -- паз якоря; 24 -- соединительные провода (выводы) от обмоток к доске выводов; 25 -- коробка выводов

В отдельных случаях (мощные ледоколы, приводы аэродинамических труб и пр.) требуются двигатели постоянного тока мощностью 15 000--30 000 кет. В машинах с одним якорем получение таких мощностей невозможно, и поэтому строятся двух-, трех- и четырехякорные машины, которые представляют собой многомашинные агрегаты с общим валом.

Рис. 1-14. Электродвигатель постоянного тока типа П52, 8 кет, 220 в, 43 а, 1500 об/мин

Роль и значение машин постоянного тока

В настоящее время преимущественное распространение имеют сети переменного тока, поэтому в промышленности находят применение главным образом машины переменного тока. Вместе с тем широко используются и машины постоянного тока, несмотря на то, что стоимость их выше, чем машин переменного тока. Это объясняется тем, что они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, реверса и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока.

Широкое применение машин постоянного тока требует большого разнообразия их номинальных данных (мощности, частоты вращения, напряжения) и различных конструктивных исполнений соответственно условиям их установки и эксплуатации.

В настоящее время машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В и только иногда для крупных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах -- от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором -- коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

Принцип работы машин постоянного тока

На неподвижной части машины (статоре) размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается так, как показано на рис. 1 штриховыми линиями.

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуцируется основная ЭДС, поэтому - в машинах постоянного токавращающуюся часть называют якорем.

Обмотка располагается на стальном сердечнике, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединяются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии показывают соединения проводников с переднего торца сердечника, а штрих пунктирные - с заднего.

Изображенные на рис. 1 сердечник и обмотка называются кольцевыми. В настоящее время они не имеют практического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора. Коллектор располагается на валу якоря и представляёт собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рис. 1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуцироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника, являются активными, а на внутренней - пассивными.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максимальна, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, изображенного на рис. 1, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность.

При вращении якоря расположение проводников и коллекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в проводниках. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щетки всегда будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим точкам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока. Для определенного момента времени такому распределению тока в якоре соответствует рис. 1, если принять на нем, что крестиками и точками обозначены направления тока. При таком распределении тока электромагнитные силы всех проводников будут направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель будет создавать наибольший вращающий момент.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви. Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 1-15. ЭДС на выводах машины будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети равен сумме токов параллельных ветвей.

Рис. 1-15. Параллельные ветви обмотки якоря

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю, поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

Характеристики генератора смешанного возбуждения

Параллельная обмотка возбуждения может быть подключена к цепи якоря до последовательной обмотки или после нее. Характеристики генератора при той и другой схеме будут практически одинаковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока Iв также ничтожно из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока.

Самовозбуждение генератора протекает так же, как и у генератора параллельного возбуждения. Ток якоря

Iа=I+ Iв.

Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. В этом случае последовательная обмотка не только скомпенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом тока I будет возрастать, как это видно по внешней характеристике

U=f(I) при Rв=const,

изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки. Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на значение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автоматически будет поддерживаться примерно постоянным.

При слабой последовательной обмотке внешняя характеристика имеет падающий характер. Отметим, что эффективность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. МДС последовательной обмотки при сильном насыщении будет давать небольшое увеличение потока и ЭДС, поэтому даже при достаточно сильной обмотке или при больших нагрузках напряжение на выводах машины будет уменьшаться с ростом тока I.

Характеристику холостого хода генератора смешанного возбуждения снимают так же, как и генератора параллельного возбуждения, и она имеет такой же характер. Так же как и для генератора параллельного возбуждения, для генератора смешанного возбуждения снимают нагрузочную характеристику

U=f(I) при I=const.

В зависимости от соотношения МДС последовательной обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fqd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика 2 идет выше характеристики холостого хода 1. Если по этим характеристикам построить характеристический треугольник, то его горизонтальный катет будет пропорционален результирующей намагничивающей МДС, созданной током якоря по оси обмотки возбуждения. Длина этого катета в масштабе тока возбуждения равна (Fc-Fqd)/в. Полученный таким образом треугольник используют для построения характеристик.

Регулировочная характеристика

Iв=f(I) при U=const

у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики. Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающим действием результирующий поток возбуждения машины с ростом тока нагрузки будет уменьшаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер.