Принцип работы машин постоянного тока

Машина постоянного тока включает три основных части: статор, якорь и коллектор. На статоре 1 расположены явно выраженные полюса 3 с обмоткой возбуждения 2 (рис. 6.3). По обмотке возбуждения проходит постоянный ток который создает магнитное поле возбуждения Ф_B . На якоре 4 расположена обмотка якоря 5, в которой при его вращении индуктируется переменная ЭДС, выпрямляемая в постоянную посредством коллектора и щеток 6. Поперечная ось _q-q , симметрично разделяющая полюса и якорь машины и проходящая перпендикулярно продольной оси _d-d , называется геометрической нейтралью машины.

Рис. 6.3. Магнитная система (а) и контур обмотки якоря (б) машины постоянного тока

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуктируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС Е одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. В проводниках, расположенных выше геометрической нейтрали, ЭДС Е всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС Е направлена в противоположную сторону (рис. 6.3,a).

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуктируемая в них, меняет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуктируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуктируемые в каждой половине обмотки, взаимно компенсируются. Таким образом, если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки на щетках будет иметь место напряжение U , равное ЭДС Е, индуктированной в каждой из половин обмоток.

Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки R_H , то через обмотку якоря будет проходить постоянный ток I_{a ,} направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток I_а разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (рис. 6.3,б).

Для обеспечения надежного токосъема используется коллектор, выполняемый в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

В генераторном режиме коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является механическим выпрямителем. В двигательном режиме коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

По типу возбуждения различают машины постоянного тока: с независимым, с параллельным, с последовательным, со смешанным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

В машинах постоянного тока независимого возбуждения обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного напряжения, независимому от источника питания обмотки якоря (рис. 6.4,а).

Рис. 6.4. Принципиальные схемы включения машин постоянного тока

В машинах постоянного тока с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключается параллельно к обмотке якоря (рис. 6.4,б). При этом, если мощность двигателя много меньше мощности питающей сети, то это все тот же случай независимого возбуждения. Такие машины называют также машинами постоянного тока с шунтовым возбуждением.

В машинах постоянного тока с последовательным или сериесным возбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря (рис. 6.4,в). Сериесная обмотка выполняется из провода того же сечения, что и обмотка якоря, а число ее витков невелико в сравнении с числом витков обмотки возбуждения независимого возбуждения.

При смешанном возбуждении МПТ имеет одну параллельную и одну последовательную обмотки.

Тип возбуждения определяет вид механической характеристики МПТ: двигатели с независимым и параллельным возбуждением имеют жесткие естественные характеристики, с последовательным и смешанным — мягкие.

Принята следующая маркировка выводов обмоток:

обмотка якоря — Я1 и Я2;

обмотка возбуждения независимая — М1 и М2;

обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) — Ш1 и Ш2;

обмотка возбуждения последовательная (сериесная) — С1 и С2.

Принципиальная схема двигателя с возбуждением постоянными магнитами показана на рис. 6.4,г. По эксплуатационным свойствам эти двигатели аналогичны двигателям с независимым возбуждением.

Если сравнить двигатели постоянного тока с бесколлекторными (асинхронными и синхронными), то следует отметить, что коллекторные двигатели выгодно отличаются возможностью получения различных частот вращения, в том числе и свыше 3000 об/мин, и простотой регулирования частоты вращения в широком диапазоне с высокой плавностью регулирования во всем диапазоне; возможностью создавать значительные пусковые и рабочие моменты.

Эти свойства двигателей постоянного тока, как уже отмечалось, способствуют широкому использованию их в промышленных электроприводах, в устройствах автоматики, при том, что машины постоянного тока имеют и существенные недостатки, обусловленные наличием щеточно-коллекторного узла, т. е. скользящих контактов, являющихся источником искрообразования: помехи радиоприему, требующие применения специальных мер для их подавления; износ, подгорание и загрязнение щеток и коллектора, приводящие к снижению надежности и сокращению срока службы двигателя, недопустимость применения этих двигателей в пожароопасных и взрывоопасных средах.