Принцип действия и устройство машин постоянного тока

Рис. 10.2

На рис. 10.1 представлена схема машины постоянного тока, а на рис. 10.2 она изображена в осевом направлении. Неподвижная часть машины состоит из станины (рис. 10.3), на которой укреплены основные (главные) по­люсы для возбуждения основного магнитного потока и дополнительные – для улучшения коммутации. На основных полюсах размещена обмотка возбужде­ния, на дополнительных – обмотка, которая соединяется последовательно с якорем. Станина (ярмо) и основные полюсы являются частью магнитной цепи основного потока. В целом неподвижная часть называется индуктором. Вра­щающаяся часть машины называется якорем. Он состоит из зубчатого сердеч­ника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря набирается из листов электро­технической стали (рис. 10.4 а), изолированных друг от друга. В пазы сердеч­ника уложена обмотка якоря (рис. 10.4 б). Кол­лектор представляет собой полый цилиндр из медных пластин 1 (рис. 10.4 в), которые при­соединены к выводам 2 секций обмотки. Пла­стины изолированы друг от друга и от вала ма­шин. Для отвода тока от коллектора служат щетки 1 (рис. 10.4 г), прижимаемые к коллек­тору пружиной 2. Щеткодержатели крепятся к щеточной траверсе (отверстие 3), с помощью которой можно изменять положение щеток от­носительно полюсов. Вал якоря опирается на подшипники, помещенные в подшипниковые щиты, обеспе­чивающие совпадение осей якоря и станины. В проводниках вращающегося якоря индуктируется ЭДС

,

направление которой определяется по правилу правой руки.

Рис. 10.4

Мгновенное значе­ние ЭДС пропорционально магнитной индукции, изменение которой на полюс­ном делении показано на рис. 10.5. Среднее значение ЭДС за половину периода

Рис. 10.5

где – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре; – маг­нитный поток одного полюса; – ско­рость вращения; – полюсное деление.

ЭДС каждой секции имеет свой знак и ее частота

,

где – число пар полюсов; – частота вращения якоря.

Несмотря на то, что ток в обмотке якоря переменный, во внешней цепи полярность ЭДС и направление тока неизменны, что обеспечивается коллектором, представляющим собой механический выпря­митель.

ЭДС якоря равна ЭДС одной параллельной ветви, поэтому если обмотка имеет проводников, то ее ЭДС

,

где – число параллельных ветвей.

Учитывая, что

где – диаметр якоря.

Получаем

(10.1)

или , (10.2)

где с_Е – постоянная машины, равная (10.3)

При угловой частоте можно записать

, (10.4)

где . (10.5)

ЭДС якоря определена в предположении, что шаг обмотки равен полюс­ному делению и щетки установлены на геометрической оси, называемой геометрической нейтралью, т.е. в середине между полюсами. В режиме генератора направления ЭДС и тока сов­падают, а напряжение на зажимах якоря

(10.6)

где – ток якоря; – сопротивление обмотки якоря.

На проводники обмотки якоря с током со стороны магнитного поля дейст­вуют силы

(10.7)

где – ток в проводнике, равный току в одной параллельной ветви.

Среднее значение этой силы за время прохождения проводника через зону одного полюса

Электромагнитный момент, создаваемый проводниками

.

Так как

,

получаем

(10.8)

где С_М– постоянная машины, равная . (10.9)

Конструктивный коэффициент момента (10.9) связан с конструктивным коэффициентом ЭДС (10.3) соотношением

или с учетом (10.5) .

Из рис. 10.2 а видно, что в режиме генератора электромагнитный момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

В режиме двигателя коллектор преобразует потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря. Направление ЭДС в двигателе такое же, как в генераторе (рис. 10.2 б), но в двигателе она направлена против тока якоря и по­этому называется электродвижущей силой самоиндукции.

Приложенное к якорю двигателя напряжение

(10.10)

Из сравнения (10.6) и (10.10) видно, что в генераторе , а в двига­теле .

Электромагнитный момент в режиме двигателя является вращающим.

Таким образом, машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство машин постоянного тока называется обратимостью. Переход из одного режима в другой осуществляется измене­нием направления тока в обмотке якоря.

Реакция якоря

Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, созда­ваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов. Картина маг­нитного поля при холостом ходе изображена на рис. 10.6 а. Оно симметрично относительно оси полюсов. При нагрузке машины обмотка якоря

Рис. 10.6

создает собственное магнитное поле, показанное на рис. 10.6 б при отсутст­вии тока возбуждения. Ось поля якоря направлена по оси щеток 1–1. Из рис. 10.6 можно убедиться, что в режиме генератора полярность якоря предшествует по ходу вращения полярности главных полюсов , а в режиме двигателя – наоборот.

Взаимодействие полей якоря и индуктора образует результирующее поле, характер которого показан на рис. 10.7.

Рис. 10.7

При установке щеток на геометрической нейтрали 1–1 поле якоря направ­лено поперек оси полюсов и реакция якоря называется поперечной. Как видно из рис. 10.7 а, поперечная реакция якоря ослабляет поле под одним краем по­люса и усиливает его под другим, вследствие чего ось 2–2 результирующего поля поворачивается в генераторе на некоторый угол в направлении враще­ния якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Новое положение линии 2–2, соответствующее переходу магнитной индукции на поверхности якоря через нулевое значение, называется линией физической нейтрали. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на некоторый угол (рис. 10.8 а) ось поля якоря также смещается на этот угол, и по отношению к главным полюсам реакцию якоря можно представить двумя составляющими: поперечной и продольной. Токи в проводниках якоря в секторах а–б и г–в (рис. 10.8 б) создают поле попе­речной реакции якоря, а токи в секторах а–г и б–в (рис. 10.8 в) – поле продоль­ной реакции якоря.

Рис. 10.8

Показанные на рис. 10.8 а полярности полюсов и направления токов якоря соответствуют вращению якоря по часовой стрелке в режиме генератора, а про­тив часовой стрелки – в режиме двигателя.

Таким образом, при смещении щеток генератора с геометрической ней­трали в направлении вращения и щеток двигателя против направления враще­ния возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Результирующий магнитный поток уменьшается. При смещении щеток в обратном направлении возникает намагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая увеличе­ние результирующего потока.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующий магнитный поток можно было бы считать нейтральным, так как ослабление поля под одним краем полюса и усиление под другим краем компенсируются. Однако это спра­ведливо лишь для ненасыщенного состояния магнитопровода полюсов. С уче­том насыщения поперечная реакция якоря всегда вызывает некоторое умень­шение магнитного потока полюсов, т.е. действует размагничивающим образом.

Для уменьшения влияния реакции якоря на работу машины применяют дополнительные полюсы. Ее размещают по геометрической нейтрали между главными полюсами. Их обмотка включается последовательно в цепь якоря и создает встречную МДС по отношению к обмотке якоря.

Эффективным средством борьбы с искажением поля является применение компенсационной обмотки. Ее размещают в пазах полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря. Магнитное поле компенсацион­ной обмотки направлено навстречу магнитному полю якоря. Влияние попереч­ной реакции якоря в пределах полюсного наконечника устраняется. Компенса­ционная обмотка применяется в машинах средней и большой мощности.