Устройство и принцип работы электрических машин

Раздел 2. Электромагнитные устройства, электрические аппараты и электрические

Л е к ц и я № 8

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель занятия: Изучить назначение, устройство, принцип работы, основные параметры и характеристики электрических машин постоянного тока, а также способы их возбуждения и регулирования частоты вращения

Устройство и принцип работы электрических машин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее преобразование механической энергии в электрическую (генераторный режим) или электрической энергии в механическую (двигательный режим).

Номинальный режим электрической машины - это режим работы, для которого она предназначена. Параметры номинального режима указываются заводом изготовителем на табличке, размещенной на корпусе электрической машины. Это, как правило, мощность, частота вращения ротора, напряжение, коэффициент мощности, для машин переменного тока и т.д.

Как известно, из закона электромагнитной индукции следует, что при движении проводника в магнитном поле, то в нем будет наводиться ЭДС. Если проводник замкнут, к примеру, на резистор, то в проводнике потечет ток, в направлении совпадающем с ЭДС.

ЭТО ВАЖНО. При равномерном движении проводника в магнитном поле механическая мощность, приложенная к проводнику, преобразуется в электрическую (за вычетом потерь мощности в проводнике I²R). Наличие магнитного поля и проводников с током является необходимым условием для работы любой электрической машины как преобразователя энергии, а постоянное взаимодействие между ними достигается вращательным движением.

Таким образом, преобразование энергии в электрических машинах возможно лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями вращающейся и не вращающейся части машины.

Рассмотрим назначение машин постоянного тока, принцип их работы и устройство.

Электрические машины постоянного тока используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. Наибольшее применение в настоящее время нашли двигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются для привода подъемных средств, в качестве крановых двигателей, и привода транспортных средств, в качестве тяговых двигателей, а также для привода различного технологического оборудования, кроме того, машины малой мощности применяются в системах автоматического регулирования в качестве привода исполнительных механизмов. Основное преимущество двигателей постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока – хорошие пусковые и регулировочные свойства. Основные недостатки обусловлены наличием щеточно-коллекторного узла – это низкая надежность работы, сложность в изготовлении и высокая стоимость.

Принцип работы генератора постоянного тока. Упрощенная схема магнитной системы машины постоянного тока показана на рис.8.1, а, где обозначено: N и S - полюса постоянного магнита; 1 – якорь, вращающаяся часть машины; 2 – вал; 3 – коллектор; 4 и 5 – коллекторные пластины; 6 и 7 – щетки; 8 и 9 – пазы, в которых находится один виток, соединенный с коллекторными пластинами; 10 и 11 - выводы машины, соединенные со щетками (неподвижная часть машины постоянного тока называется индуктором).

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС. В процессе работы якорь вращается, и виток занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Однако посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток, т.е. ток, неизменный по направлению.

При положении витка якоря, показанном на рис.8.1, а, ток генератора I_Г направлен от щетки 6 через нагрузку, подключаемой к выводам 10, 11, к щетке 7, следовательно, на щетке 6 положительный потенциал, а на щетке 7 – отрицательный. После поворота якоря на 180^о направление тока в витке изменится на обратное, однако, полярность щеток, а, следовательно, и направление тока I_Г в нагрузке останется неизменным (рис.8.1, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками.

Таким образом, под щеткой 6 всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой 7 – пластина, соединенная с проводником, расположенным над южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи (рис.8.1, б), то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

В реальной машине постоянного тока коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из изолированных друг от друга и от корпуса медных пластин. Число пластин равно числу обмоток.

В соответствии с принципом обратимости электрической машины генератор может работать в двигательном режиме.

Принцип работы двигателя постоянного тока. Для этого необходимо к выводам 10 и 11 (рис.8.1, а) подключить напряжение источника постоянного тока. В этом случае в обмотке якоря потечет ток I_Д, направление которого показано на рис.8.1, а пунктирной стрелкой. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита появятся электромагнитные силы F_ЭМ, создающие на якоре электромагнитный момент и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

ЭТО ВАЖНО. Таким образом, назначение коллектора и щеток в машинах постоянного тока – изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.