Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

(1)

32. Уравнения моментов. Уравнения напряжения генераторов постоянного тока.

При неизменной частоте вращения n = const вра­щающий момент приводного двигателя M1 уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х. M0 и электромагнитным моментом М, т. е.

. (28.3)

Выражение (28.3) —называется уравнением моментов для генераторапри постоянной частоте нагрузки. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:

, (28.4)

где P1 = M1ω — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); P0 = M0ω мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке); PЭМ= Mω— электромагнитная мощность генератора.

Независимо от способа возбуждения уравнение для напряжения якоря генератора может быть записано в следующем виде:
,где U - напряжение на зажимах якоря; Е - ЭДС якоря; - ток якоря; - сопротивление якоря; - падение напряжения на щетках.
С целью упрощения анализа часто падение напряжения на активном сопротивлении якоря и падение напряжения на щетках объединяют, полагая .
Тогда
, (6.4)
где .

33. Потери и КПД электрических машин постоянного тока.

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из следующих потерь:

1. Потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На перемагничивание стали затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис. Одновременно, при вращении якоря в магнитном поле в сердеч­нике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.

Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.

Магнитная индукция зависит от э. д. с. машины или, иначе, от напряжения, а частота перемагничивания — от скорости вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме ге­нератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не за­висящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и ско­рость его вращения постоянны.

2. Потери энергии на нагревание проводов обмоток возбужде­ния и якоря протекающими по ним токами, называемые потерями в меди,— Роб.

Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными — меняются при изменениях нагрузки.

3. Механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от скорости вра­щения якоря машины. Поэтому механические потери также являются постоянными, не зависящими от нагрузки.

К. п. д. машины в процентах

где Р2 — полезная мощность,

Р1- потребляемая машиной мощность.

При работе машины генератором полезная мощность ее равна:

где U — напряжение на зажимах генератора,

I— ток в нагрузке, потребляемая мощность

и к. п. д.

При работе машины двигателем потребляемая мощность

где U — напряжение питающей сети,

I— ток в , потребляемый двигателем из сети;

полезная мощность

и к. п. д.

 

34. Характеристики генераторов постоянного тока последовательного возбуждения.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 4.12а) ток возбуждения I_в=I_а=I_н.

а)

б)

Рис. 4.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Внешняя характеристика (кривая 1) и характеристика холостого хода (кривая 2) изображены на рис. 4.12б. Ввиду того, что в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, такие генераторы практически не применяются. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

 

35. ЭДС в машинах постоянного тока.

ЭДС между щетками равно сумме средних значений ЭДС проводников, входящих в параллельную ветвь. Число параллельных ветвей 2а зависит от количества полюсов и строения обмоток. Если в обмотке якоря N проводников то, - число проводников одной параллельной ветви.

ЭДС одной параллельной ветви.

(4.3)

но

(4.4)

Ф - магнитный поток одного полюса.

Д_Я - диаметр якоря,

l - длина рабочей части проводника,

Р - число пар плюсов,

- поверхность сердечника якоря приходящийся на один полюс.

Скорость проводника , где n - скорость вращения якоря.

Подставив значение В_ср и v в формулу для ЭДС. Получим

(4.5)

- постоянная для данной машины величина,

Таким образом, ЭДС машин постоянного тока зависит от магнитного потока и скорости вращения якоря.