Простейшая модель МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (МПТ).

Принцип действия коллекторных машин постоянного тока.

Наиболее специфическим элементом машин постоянного тока (МПТ) является коллектор – механический коммутатор. Особенности его работы поясняет рис. 8.8, где показана наиболее простая модель МПТ. Между неподвижными полюсами, создаваемыми постоянными магнитами или обмоткой возбуждения 1, находится подвижный виток (обмотка якоря 2. Верхняя и нижняя части витка имеют электрический контакт с двумя медными цилиндрическими пластинами (3), называемыми коллекторными пластинами. Пластины не имеют электрического контакта между собой и вращаются вместе с якорем. К ним прижаты графитовые стержни (4) – щетки. Каждая щетка и соответствующая ей пластина образуют скользящий электрический контакт.

Режим генератора. Примем условно, что якорь на рис. 8.8 приводится во вращение от внешнего источника механической мощности в направлении по часовой стрелке. В соответствии с законом электромагнитной индукции в витке наводится ЭДС движения е. Она возникает вследствие изменения положения проводников якоря относительно неподвижного поля. Направление наводимой ЭДС для верхнего проводника указано на рисунке стрелкой. Оно определяется по правилу правой руки (индукция направлена в ладонь, большой палец расположен по направлению скорости, остальные пальцы – по направлению ЭДС).

где В – магнитная индукция; l– длина активной части проводника, расположенной под полюсом; v – линейная скорость.

ЭДС е является переменной, так как проводники проходят то под северным, то под южным полюсом. Ее изменение в функции углового положения рамки относительно полюсов Θ в упрошенном виде показано на рис. 8.9.

Частота ЭДС пропорциональна скорости вращения якоря ω,

а если машина имеет р – пар полюсов, то

В замкнутом через внешнюю цепь (за щетками) виткетечет переменный ток i_я, по форме совпадающий с ЭДС е (рис. 8.9). Во внешней же цепи ток I_я не изменяет направления из-за действия коллектора, так как при повороте якоря и коллектора на 180° и изменения направления ЭДС происходит смена пластин под щетками. Соответственно, как показано на рис. 8.9, характер изменения ЭДС Е, снимаемой со щеток, совпадает с изменением Iя. Это поясняют рис. 8.10 а,б,в, где показано три характерных поочередных положения якоря относительно полюсов при его вращении. На этих рисунках крестиками и точками условно показаны направления тока во вращающемся проводнике 8. Внешняя цепь через щетки замкнута на сопротивление нагрузки R, остальные обозначения аналогичны обозначениям, принятым на рис. 8.8.

Как видно, под верхней щеткой всегда находится коллекторная пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней – с южным. В генераторе коллектор является механическим выпрямителем – преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Если индукцию B в пределах полюсного деления τ = πD/2 рассматриваемой машины заменить ее средним значением В_ср (см. рис. 8.11), можно получить

где Ф – магнитный поток одного полюса; k – коэффициент пропорциональности, для рассматриваемой простейшей машины равный k=2/π ; D – диаметр ротора, ω – угловая скорость вращения ротора.

Напряжение между щетками U меньше наводимой ЭДС на величину падения напряжения на сопротивлении витка R

На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, в соответствии с законом Ампера действует сила F_эм, направление которой определяется по правилу левой руки (индукция – в ладонь, пальцы – по направлению тока, а большой палец – по направлению силы). Её модуль равен:

Эти силы создают электромагнитный момент:

который по аналогии с (8.10) определяется как

Электромагнитный момент направлен против направления вращения якоря, т.е. он уравновешивает момент внешних сил, приложенных к якорю.

Режим двигателя. Пусть теперь к якорю через коллектор подводится постоянный ток от внешнего источника электрической энергии, причем направление этого тока противоположно указанному на рис. 8.8. При этом на якорь также действуют электромагнитные силы F_эм и возникает момент М. Однако направление момента теперь совпадает с направлением вращения и он является движущим.

В режиме двигателя коллектор преобразует постоянный ток, потребляемый из сети, в переменный ток в обмотке якоря, т.е. работает механическим инвертором.

При вращении якоря в нем также наводится ЭДС, направление которой такое же, как и в режиме генератора, а направление i_я изменилось, следовательно в режиме двигателя направления I_я и E противоположны. Поэтому в данном случае

Таким образом. для перехода МПТ из генераторного режима в режим двигателя и обратно при неизменном расположении щеток необходимо изменить направление тока в якоре.