Электрические машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрические машины постоянного тока



План

1. Назначение и принцип действия машины постоянного тока

2. Устройство машины постоянного тока

3. Реакция якоря и ее виды

4. Искрение щеток на коллекторе

5. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока



1. Назначение и принцип действия машины постоянного тока

Несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока, электрические машины постоянного тока в настоящее время широко применяются в качестве двигателей и, в меньшей степени, в качестве генераторов. Это объясняется важным преимуществом двигателей постоянного тока перед другими электродвигателями. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать жесткие и мягкие механические характеристики. А именно:

1. Они допускают плавное регулирование частоты вращения ротора простыми способами;

2. Двигатели постоянного тока обладают большими пусковыми моментами при относительно малых пусковых токах.

Назначение. Такие машины широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др.

Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики в качестве исполнительных звеньев, а специальные генераторы используются как усилители электрических сигналов и как датчики частоты вращения.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Рис. 5-1. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 -- обмотка возбуждения; 2 --главные полюсы; 3 -- якорь; 4 --обмотка якоря; 5- щетки; 6 -- корпус (станина)

Недостаток машин постоянного тока -- наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины.

Электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения -- для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Устройство простейшей машины. На рис.5-2 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рис. 5-3 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 простейшей машины имеет два полюса (1).

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.5-2 и 5-3 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 создаются 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.

В данном случае основной магнитный поток создается постоянными магнитами, но в большинстве случаев используются электромагниты.



Рис.5-2. Простейшая машина постоянного тока

Рис.5-3. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис.5-2 и 5-3,а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуцируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис.5-4,а). Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС



е_пр=Blv,

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

Рис.5-4. Правила правой (а) и левой (б) руки

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

E_a=2e_пр=2Blv. (5-1)

Эта ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис5-5,а).

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду f=n, а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,



f=pn. (5-2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а так же в обмотке якоря возникает ток I_a. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рис.5-5,а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90⁰ и изменении направления ЭДС 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.

Рис.5-5. Кривые ЭДС и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Изменив знак второго полупериода кривой на рис.5-5, а, получим форму кривой тока и напряжения во внешней цепи (рис.5-5,б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_a:

U_a=E_a-I_ar_a.. _.(5-3)

Проводники обмотки якоря с током I_a находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис.5-3,а)

F_пр=BlI_a, (5-4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рис.5-4,б). Эти силы создают механический вращающий момент М_эм, который называется электромагнитным моментом:

М_эм=F_прD_a=BlD_aI_a, (5-5)

где D_a - диаметр якоря. Как видно из рисунка 5-3, 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 F_пр и возникнет электромагнитный момент М_эм. Величины F_пр и М_эм, как и для генератора, определяются равенствами (5-4) и (5-5). При достаточной величине М_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис.5-3,а) и двигателя (рис.5-3,б) были одинаковы, то направление действия М_эм, а следовательно и направление тока I_a у двигателя должны бать обратными по сравнению с генератором.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный 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 ЭДС Е_а, величина которой определяется равенством (5-1). Направление ЭДС в двигателе (рис.5-3,б) такое же, как и в генераторе (рис.5-3,а). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря Е_а направлена против тока I_a и приложенного к зажимам якоря напряжения U_а. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС Е_а и падением напряжения в обмотке якоря:

U_a=E_a+I_ar_a. (5-6)

Из сравнения равенств (5-3) и (5-6) видно, что в генераторе U_a<E_a, а в двигателе U_a>E_a.

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.5-6 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рис.5-6. Направления ЭДС, тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) 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

M_эм=М_в-М_тр-М_с, (5-7)

где М_в - момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, М_тр - момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, М_с - тормозящий момент, называемый 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

M_эм=М_в+М_тр+М_с, (5-8)

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

В генераторе M_эм является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях М_в и M_эм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом M_эм мощность Р_эм называется электромагнитной мощностью и равна

Р_эм= M_эмЩ, (5-9)

где

Щ=2рn (5-10)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (5-9) значения M_эм и Щ из равенств (5-5) и (5-10) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря



Тогда получим

Р_эм= 2BlD_aI_aрn=2BlvI_a

или на основании выражения (5-1)

Р_эм= Е_aI_a. (5-11)

В обмотке якоря под действием ЭДС Е_a и тока I_a развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Р_а= Е_aI_a. (5-12)

Согласно равенствам (5-11) и (5-12), Р_эм= Р_а, т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (5-3) и (5-6) на I_a. Тогда для генератора будем иметь

U_aI_a= Е_aI_a-I_a²r_a (5-13)

и для двигателя

U_aI_a= Е_aI_a+I_a²r_a. (5-14)

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.

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.

2. Устройство машины постоянного тока

На рис.5-7 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали, а иногда из листов конструкционной стали. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее охлаждения.

ток искрение коллектор электродвижущий



Рис.5-7. Главный полюс машины постоянного тока

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.

Для улучшения токосъема с коллектора 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.

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 так же из стального литья).

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 электротехнической стали. Диски насаживаются либо непосредственно на вал, либо набираются на якорную втулку, которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штампованных сегментов электротехнической стали. сегменты набираются на корпус якоря, который изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом.

Рис.5-8. Сердечник якоря с обмоткой

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рис.5-8) 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.

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна соответствовать следующим требованиям:

1. обмотка должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2. обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность;

3. конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;

4. расход материала при заданных эксплуатационных показателях должен быть минимальным;

5. технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяют на петлевые и волновые. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Коллектор состоит из медных пластин изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо. Коллектор крепится на валу с помощью шпонки. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники от обмотки якоря.

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.

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

На корпусе машины имеется коробка с зажимами, куда выведены концы обмотки якоря и обмотки возбуждения. Обычно на корпусе присутствует паспортный щиток, на котором указаны номинальные параметры машины (отдаваемая электрическая мощность генератора или механическая мощность двигателя, напряжение, ток, частота вращения, способ возбуждения, коэффициент полезного действия, масса, номер машины, данные производителя).

3. Реакция якоря и ее виды

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря.

Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого на основании рис.5-10,а и б показан на рис.5-11. Полярность полюсов и направления токов якоря на этом рисунке соответствует случаю, когда в режиме генератора (Г) якорь вращается по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) - против часовой стрелки.

Рис.5-10. Магнитное поле индуктора (а) и якоря (б)

Из рис.5-11 видно, что под влиянием поля якоря результирующее поле машины изменяется. Это явление и называется реакцией якоря.

Поперечная реакция якоря. При установке щеток на геометрической нейтрали 1-1 (рис.5-10,б) поле якоря направлено поперек оси полюсов, и в этом случае оно называется полем поперечной реакции якоря.

Как следует из рис.5-11, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе - в обратную сторону. Если условно, как иногда это делается, рассматривать линии магнитной индукции в качестве упругих нитей, то возникновение электромагнитного момента можно рассматривать как результат действия упругих сил этих нитей, стремящихся сократиться и повернуть якорь.

Под воздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой В=0, поворачивается из положения геометрической нейтрали 1-1 на некоторый угол в в положение 2-2 (рис.5-11), которое называется линией физической нейтрали ( линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю). В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе - в обратную.

При установке щеток на геометрической нейтрали суммарная ЭДС от поля реакции якоря в каждой параллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю.

Рис.5-11. Результирующее магнитное поле при установке щеток на геометрической нейтрали. Рис. 5-12. Поле продольное реакции якоря

Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90⁰ (рис.5-12), то поле якоря действует вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вращении якоря ЭДС на щетках будет в этом случае так же равна нулю.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол в, б) искажается кривая распределения индукции в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис.5-13). Две из них охватывают стороны секций в пределах угла 2 а и образуют продольную МДС F_ad = (2б/р)A, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (р -- 2б) и образуют поперечную МДС F =(р-2б)А/р.

Продольная МДС F_ad создает продольный поток Ц_бd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Ф_рез в зависимости от того, совпадает МДС F_ad с F_B или направлена против нее.

Рис. 5-13. Схемы возникновения продольной (а) и поперечной (б) МДС якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали



Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная МДС F_ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС F_ad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС F_ad изменять результирующий магнитный поток Ф_рез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС F_aq создает магнитный поток Ф_аq; она действует на поток Ф_рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

4. Искрение щеток на коллекторе

Причины искрения. Работа машины постоянного тока может сопровождаться искрением между краями щеток и коллекторными пластинами. При интенсивном искрении поверхности щеток и коллектора разрушаются. Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы -- механические и электромагнитные.

Механические причины следующие: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора -- примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе -- это результат совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации; вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

5. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Рассмотрим процесс индуцирования электродвижущей силы в обмотке якоря, проводники которой для простоты будем считать равномерно распределенными вдоль окружности якоря (рис.5-14,а).

Электродвижущая сила в обмотке якоря. При вращении якоря в проводниках, лежащих под полюсами N и S, индуцируются ЭДС противоположного направления. Проводники, в которых индуцируются эти ЭДС, расположены по обе стороны от геометрической нейтрали О -- О -- оси симметрии, разделяющей полюсы.

Рис. 5-14. Схема машины постоянного тока {а), упрощенная схема ее обмотки якоря (б) и векторная диаграмма индуцируемых в ней ЭДС (в):1-обмотка якоря; 2-коллектор

Чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми имеется наибольшая разность потенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки а и b (рис.5-14,б), расположенные на геометрической нейтрали, где и следует устанавливать щетки А и В. При вращении якоря точки а и b смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам подходят новые точки обмотки, между которыми будет действовать ЭДС Е, поэтому ЭДС во внешней цепи неизменна по величине и направлению.

Щетки А и В разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых индуцируются ЭДС Е и проходят токи i_a. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Мгновенное значение ЭДС, индуцируемой в каждом активном проводнике:

(5-15)

где В_х -- индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора; v_a=(D_a/2)w -- окружная скорость якоря; D_a - диаметр; 1_а -- длина проводника в магнитном поле.

Следовательно,

(5-16)

где N--общее число активных проводников обмотки якоря; N/(2a)-- число активных проводников, входящих в одну параллельную ветвь.

При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией ЭДС и считать, что

(5-17)

где В_ср-- среднее значение индукции в пределах полюсного деления ф = рD_б1(2с).

Учитывая, что В_ср1_аф = Ф и v_a =рD_an / 60 = 2фсn / 60, получаем

(5-18)

где c_e=pN/(60a) -- коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы.

По формуле (5-18) определяют среднее значение ЭДС. Мгновенное ее значение находится (пульсирует) между значениями Е_тах и E_min.

Электромагнитный момент. На якорь, по обмотке которого проходит ток Й_б, действует электромагнитный момент

(5-19)

где F_pe3 -- результирующая электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.

Сила F_рез представляет собой сумму усилий f_я, приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря. При достаточно большом числе коллекторных пластин силу F_peз можно считать постоянной:

(5-20)

где i_a -- ток в одной параллельной ветви). Электромагнитная сила F действует на проводник в поле .

С учетом значения В_ср электромагнитный момент

(5-21)

где c_M=pN/(2рa) = 60c_e/(2р)-- коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины. При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме -- тормозным.

Размещено на Allbest.ru