Теоретичні положення

Електричною машиною постійного струму (МПС)|току| називається такий електромеханічний перетворювач, який перетворює механічну енергію в електричну постійного струму|току| (генератор), або електричну енергію постійного струму|току| в механічну (двигун).

Відмітною особливістю машин постійного струму|току| є|з'являється,являється| наявність щітково-колекторного вузла, який в генераторах виконує функції механічного випрямляча, а в двигунах – перетворювача постійного струму|току| в змінний з|із| частотою, яка визначаються швидкістю обертання ротора.

Колекторні машини постійного струму|току| оборотні|, тобто можуть використовуватися як генераторами, так і двигунами.

Принцип дії генератора заснований на законі електромагнітної індукції, коли при обертанні якоря в нерухомому магнітному полі індуктора в провідниках якірної обмотки наводиться ЕРС e_прi=В_{d i}lv, де В_{d i} – магнітна індукція в повітряному зазорі в тому місці, де в даний момент часу розташований|схильний| i-й провідник якірної обмотки,
l – осьова довжина магнітопровода якоря, v – лінійна швидкість переміщення провідників якірної обмотки відносно нерухомого індуктора. Оскільки|тому що| якірна обмотка обертається в магнітному полі полюсів індуктора різнойменної полярності, то в ній наводиться змінна ЕРС з|із| частотою, яка визначається швидкістю обертання якоря f = рw/2p.

Нерухомі щітки, які притискуються до обертового колектора, до пластин якого припаяні провідники секцій якірної обмотки, розділяють в кожен момент часу якірну обмотку на паралельні вітки таким чином, що кожна зі щіток з’єднана з|із| секціями якірної обмотки, розташованими|схильними| в зоні однойменних полюсів, а отже, мають однаковий напрям|направлення| ЕРС|.

ЕРС| паралельних віток якірної обмотки рівні між собою і дорівнюють ЕРС| якоря між щітками різнойменної полярності

,

де N – кількість провідників якірної обмотки; 2а – кількість паралель­них віток обмотки; р – кількість пар полюсів індуктора;
с|із|=pN/(2pa) – електромашинна постійна (конструктивний параметр).

При підключенні до щіток приймачів електричної енергії під дією різниці потенціалів на різнойменних щітках до них підводитиметься постійний струм|тік|.

Величина напруги|напруження| на щітках генератора визначається співвідношенням U = E – Ir_я, де r_я – внутрішній опір якірного кола|цепу| генератора, а отже, Ir_я – падіння напруги|напруження| на генераторі під навантаженням. У генераторі, що працює під навантаженням, в результаті|унаслідок,внаслідок| взаємодії струму|току| якоря з|із| магнітним полем індуктора створюється електромагнітний момент, спрямований проти|супроти| напряму|направлення| обертання якоря .

Електромагнітний момент машини постійного струму|току| є|з'являється,являється| результатом взаємодії намагнічуючих сил обмоток збудження і якоря. Під впливом поля якоря характер|вдача| результуючого магнітного поля в робочому зазорі машини спотворюється. Це явище прийнято називати реакцією якоря. Якщо магнітне коло|цеп| машини ненасичене|, то поперечна реакція якоря лише спотворює картину поля в робочому зазорі, однак величина магнітного потоку залишається практично незмінною. В деяких випадках, коли магнітний потік головних полюсів ослаблений розмагнічувальна дія поперечної реакції якоря може привести до зміни напряму|направлення| («перекиданню») поля під одним краєм полюса. Тому, в машинах постійного струму|току| з|із| потужністю більшою 50 кВт, величину робочого зазору вибирають такою, щоб при максимальному навантаженні не відбувалося|походило| «перекидання» поля. З цією ж метою в потужних машинах величину зазору на краю головних полюсів роблять|чинять| більшою, ніж в центрі.

Якщо магнітна система машини постійного струму|току| насичена|, то магнітне поле струмів|токів| якоря не тільки|не лише| спотворює розподіл магнітного поля в повітряному зазорі під полюсами, але і призводить до деякого зменшення величини магнітного потоку. В цьому випадку говорять про розмагнічувальну дію реакції якоря.

Ефективним засобом|коштом| боротьби з|із| шкідливим впливом реакції якоря є|з'являється,являється| використання компенсаційної обмотки. Ця обмотка розміщується в пазах полюсних наконечників головних полюсів. Величина і напрям|направлення| струму|току| в цій обмотці вибираються із умови нейтралізації спотворення форми в робочому зазорі під полюсами від дії реакції якоря. Компенсаційна обмотка не може подавити магнітне поле струмів|токів| якоря в міжполюсному просторі.

Реакція якоря робить істотний|суттєвий| вплив на процес комутації в машинах постійного струму|току|, оскільки|тому що| спотворення магнітного поля в міжполюсному просторі призводить до зсуву|зміщення| фізичної нейтралі (в точках повітряного зазору, де індукція магнітного поля дорівнює нулю) відносно геометричної нейтралі.

Процес комутації пов’язаний з переходом секції обмотки якоря з|із| однієї паралельної вітки в іншу і із|із| зміною напряму|направлення| струму в цій секції |току|, яка відбувається|походить| при цьому. В процесі комутації секція якірної обмотки замикається накоротко| щіткою, а після|потім| завершення процесу вона включається в коло|цеп| іншої вітки якірної обмотки. Якість процесу комутації значною мірою|значною мірою| визначає працездатність машини і її експлуатаційну надійність. Несприятлива комутація викликає|спричиняє| підвищене іскріння під щітками. Особливо несприятливо протікає процес комутації при підсумовуванні ЕРС| самоіндукції, обумовленої зміною струмів|токів| в комутованій секції і ЕРС| обертання від спотвореного поля машини по поперечній осі. В цьому випадку має місце сповільнена|уповільнена| комутація, що супроводжується|супроводиться| підвищеним іскрінням під збігаючим краєм щітки. При сильно сповільненій|уповільненій| комутації може відбутися іскрова іонізація повітряного зазору між щітками різної полярності і призвести до виникнення «кругового вогню» на колекторі.

Якщо за рахунок зовнішнього магнітного поля, що створюється додатковими полюсами в зоні комутації, забезпечити наведення в комутованій секції ЕРС| обертання, рівної по величині і протилежної по знаку ЕРС| самоіндукції, то додатковий струм|тік| в процесі комутації буде дорівнювати нулю і комутація називається прямолінійною. При прямолінійній комутації щільність струму|току| під всією площею|майданом| постійна і іскріння відсутнє (темна комутація). Якщо ЕРС| обертання по величині перевищить величину ЕРС| самоіндукції, то має місце прискорена комутація, при якій збільшується щільність струму|току| під набігаючим краєм щітки і обумовлює| іскріння під цим краєм. Сприятливими видами комутації є|з'являються,являються| або прямолінійна, або дещо прискорена комутації.

В МПС| невеликої потужності, де немає можливості|спроможності| застосовувати додаткові полюси, настройка комутації здійснюється зсувом траверс із щітками відносно осі полюсів у напрямі фізичної нейтралі і за фізичну нейтраль на певний кут|ріг,куток| (за напрямом|направленню| обертання якоря для генератора і проти|супроти| – для двигуна).

Властивості генераторів постійного струму оцінюються їх характеристиками: холостого ходу, короткого замикання, зовнішньою, навантажувальною та регулювальною.

Характеристикою холостого ходу є залежність ЕРС обмотки якоря від струму збудження при розімкненому колі якоря і постійній швидкості обертання.

Характеристикою короткого замикання є залежність струму якоря при закороченій якірній обмотці і постійній швидкості обертання від струму збудження.

Зовнішньою характеристикою є залежність напруги генератора від струму якоря при незмінній величині опору кола збудження та постійній швидкості обертання.

Навантажувальною характеристикою є залежність напруги генератора від струму збудження при постійних величинах струму якоря і швидкості обертання.

Регулювальною характеристикою є залежність струму збудження від струму якоря при постійних напрузі генератора і швидкості його обертання.