Устройство и принцип действия машины постоянного тока.
Работа машины постоянного тока в четырёх квадрантах плоскости механических характеристик: двигательный режим, реверсивный режим, генераторный режим, режим торможения противовключением, режим рекуперативного торможения и режим динамического торможения.
Если в уравнении механической характеристики ω=U/(KΦ)−Rя·M/(KΦ)2 изменять напряжение в интервале (+Uн,−Uн), то при различных значениях скорости и момента мы получим семейство механических характеристик, расположенных во всех четырех квадрантах плоскости параметров ω,M.
В квадрантах 1 и 3 имеем двигательный режим, так как здесь электромагнитная мощность двигателя положительна – P=Mω>0, а в квадрантах 2 и 4 реализуются тормозные (генераторные) режимы, так как здесь P<0. Причем, если двигательный режим один (область его существования отмечена горизонтальной штриховкой), то тормозных режимов несколько. Рассмотрим их.
Из теории электрических машин известно, что генераторный режим имеет место в том случае, если э.д.с. и ток двигателя одного знака. Согласно формуле U=RяIя+E имеем:
Iя=(U−E)/Rя.
Отсюда можно заключить, что ток и э.д.с. будут одного знака в трех случаях:
1. Если при одинаковых знаках, модуль э.д.с. больше модуля напряжения на якорной обмотке: |E|>|U|;
2. Если напряжение якорной обмотки равно нулю: U=0 (при ω≠0);
3. Если напряжение и э.д.с. имеют разные знаки: signU=−signE.
Режим, соответствующий первому условию, называют рекуперативным торможением. Он возникает в том случае, если скорость двигателя под действием внешнего момента, возникающего при торможении рабочего органа, превысит скорость холостого хода, т.е. рабочая точка привода по механической характеристике перейдет из квадранта 1 в квадрант 2, либо из квадранта 3 в квадрант 4. Область существования режима рекуперативного торможения отмечена вертикальной штриховкой. При этом двигатель работает как обычный генератор постоянного тока, его механическая и электромеханическая характеристики описываются теми же уравнениями ω=U/(KΦ)−RяIя/(KΦ) и ω=U/(KΦ)−Rя·M/(KΦ)2. Уравнение баланса мощностей имеет вид
Pэ=Pм−ΔP
где: Pм – механическая мощность, поступающая от рабочего органа,
Pэ – мощность, генерируемая двигателем,
ΔP – потери мощности в обмотке якоря.
В соответствии с этим механическая энергия торможения рабочего органа частично возвращается в сеть, а частично рассеивается в виде потерь в двигателе.
Режим, соответствующий второму условию называют динамическим торможением. Физически он реализуется путем отключения двигателя от сети и закорачивания обмотки якоря, либо включения ее на добавочное активное сопротивление. В первом случае рабочая точка привода оказывается на линии механической характеристики при U=0, которая является механической характеристикой режима динамического торможения при Rд=0. Во втором случае уравнение механической характеристики двигателя при динамическом торможении имеет вид
ω=−(Rя+Rд)·M/(KΦ)2
Следовательно, в обоих случаях механические характеристики проходят через начало координат и отличаются только жесткостью.
Уравнение баланса мощностей для динамического торможения имеет вид Pм=ΔP.
Согласно этому уравнению механическая энергия торможения рассеивается в виде электрических потерь на добавочном сопротивлении и в обмотке якоря.
Режим, соответствующий третьему условию, называют противовключением. Физически он реализуется, если под действием момента со стороны рабочего органа двигатель начнет вращаться в обратную сторону, т.е. рабочая точка перейдет по механической характеристике из квадранта 1 в квадрант 4 или из квадранта 3 в квадрант 2. Режим противовключения возникает также, если в работающем двигателе изменить полярность напряжения на якорной обмотке. Тогда за счет инерции вращающихся частей какое-то время якорь будет вращаться в сторону, противоположную направлению момента. Отсюда и название режима. Область существования режима противовключения отмечена наклонной штриховкой.
Уравнение механической характеристики имеет вид: ω=−(U/(KΦ)+Rя·M/(KΦ)2).
При переключении полярности напряжения в обмотке якоря может возникнуть большой ток, определяемый выражением Iя=−(U+E)/Rя, поэтому необходимо предусматривать меры по его ограничению, например, путем введения добавочного сопротивления в цепь якоря или используя устройства ограничения тока в преобразователях напряжения, от которых питается двигатель.
Уравнение баланса мощностей имеет вид: Pм+Pэ=ΔP.
В соответствии с этим уравнением при торможении противовключением механическая энергия торможения и электрическая энергия, потребляемая двигателем, преобразуются в электрические потери.
Реверсирование – это изменение направление вращения двигателя. Обычно оно выполняется в две стадии. Сначала двигатель останавливается торможением, а затем изменяется направление тока якоря или обмотки возбуждения и производится пуск. В микромощных (до 500 Вт) двигателях, если нагрузка допускает ударные моменты и требуется изменение направления вращения за минимальный отрезок времени, реверсирование вращающегося двигателя осуществляют переключением обмотки якоря.
Двигательный и генераторный режимы подробно рассмотрены в 9.1.
Устройство и принцип действия машины постоянного тока.
Электрическая машина - устройство, предназначенное для преобразования механической энергии вращения в электрическую (генератор) и наоборот, электрическую энергию в механическую (двигатель). Работа электрической машины основана на единстве закона электромагнитной индукции и закона электромагнитных сил.
Машина постоянного тока состоит из 2–х основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – якоря (ротора). Между ними всегда имеется воздушный зазор.
Статор, являющийся индуктором, т.е. такой частью машины, в котором наводится магнитное поле, состоит из станины, главных и добавочных полюсов. К статору относятся также подшипниковые щиты с подшипниками. На статоре крепятся щеточный аппарат и коробка выводов.
Якорь состоит из сердечника якоря и коллектора, насаженных на вал. В машинах с самовентиляцией на валу крепится вентилятор.
Возьмем устройство, состоящее из двух магнитных полюсов создающих постоянное магнитное поле, и якоря– стального цилиндра с уложенным на нем витком из электропроводного материала. Концы витка присоединены к двум металлическим полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. 
При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка ab и cd при пересечении ими магнитного поля будет индуктироваться ЭДС, которая при наличии стального цилиндра равна
e = BLV, где
V – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля;
B – индукция магнитного поля;
L – длина активной части витка.
Направления ЭДС в проводниках ab и cd определяется по правилу правой руки. По контуру abcd эти ЭДС складываются и, так как верхний и нижний проводники находятся в одинаковых магнитных условиях, то ЭДС витка будет
Таким образом, в данных условиях характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределения индукции в зазоре. Распределение ее по окружности якоря неравномерное, так как магнитное сопротивление Rμ потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в промежутке между полюсами индукция уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения
Линия dd, проходящая через центр якоря вдоль полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами, называется поперечной осью. Поперечную ось также называют геометрической нейтралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называет полюсным делением и обозначают τ.
При вращении якоря через каждые полоборота проводники ab и cd оказываются в поле противоположных полюсов. Поэтому направление ЭДС в них меняется на противоположное. Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС (рисунок 1.2,б). Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают специальный переключатель, называемый коллектором. Проводники ab и cd присоединяются к полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца (пластины коллектора) соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. При вращении якоря каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, который находится под полюсом данной полярности. Направление ЭДС в витке изменяется на линии геометрической нейтрали и в это же момент происходит переключение полуколец к щеткам А и В. В результате полярность щеток в процессе работы машины остается неизменной, а ЭДС и ток во внешней цепи становятся постоянными по направлению и переменным» по величине. Таким образом, коллектор играет роль механического переключателя сторон витка к щеткам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсацию ЭДС и тока во внешней цепи, на якоре располагают несколько витков, присоединенных к соответствующим парам коллекторных пластин и сдвинутых относительно друг друга на некоторый угол. Практически уже при 16 витках на якоре пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянными не только по направлению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор постоянного тока.
Рассмотрим работу данной системы в режиме двигателя. Если к щеткам приложить напряжение внешнего источника электроэнергии, то в витке потечёт ток. Согласно закону электромагнитных сил на каждую сторону витка будет действовать сила
Эти силы создадут вращающий момент
Под действием этого момента якорь начнет вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу. После прохождения сторонами витка линии геометрической нейтрали они попадают в зону полюса противоположной полярности. Но в это же время в них изменяется и направление тока, что осуществляется с помощью коллектора. В результате направление момента остается прежним, и якорь будет вращаться в том же направлении. В этом случае коллектор выполняет роль инвертора – преобразователя постоянного тока в переменный.