Лекция 17. Машины постоянного тока

Вентильный генератор постоянного тока

 

Принцип действия. При вращении индуктора в проводниках обмотки якоря по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС индукции. Для положения обмотки якоря и индуктора, указанных на рис. (16.1), ток течет по пути D₂,В,Z_Н,А,D₃. Через некоторое время, когда полюс S индуктора расположится под верхним проводником, ток пойдет по пути I_Я,D₄,В,Z_Н,А,D₁. Таким образом, через нагрузку ток не меняет своего направления, а характер изменения тока аналогичен изменениям в генераторе постоянного тока коллекторного типа. Ток получается пульсирующим. Для получения постоянного тока конструкция коммутатора усложняется, в результате чего уровень пульсации тока снижается.

 

Рис. 16.1 - Вентильный генератор постоянного тока:

1) индуктор; 2) пазы; 3) обмотка; 4) якорь; 5) корпус (статор).

 

Электрическая схема двигателя постоянного тока независимого
возбуждения

 

Рис. 16.2. Электрическая схема цепи якоря

Рис. 16.3. Электрическая схема обмотки возбуждения

 

ε_с – ЭДС сети;

R_д – добавочные сопротивления в цепи якоря;

R_я – сопротивление якоря;

R_п – пусковое сопротивление;

ε_я – ЭДС, возникающая в обмотке якоря (противо ЭДС);

ε_в – ЭДС (напряжение) цепи возбуждения;

О_в – обмотка возбуждения;

R_р – регулировочное сопротивление.

Обмотка якоря и обмотка возбуждения электрически между собой не связаны, то есть обмотка возбуждения имеет независимый от обмотки якоря источник питания ( отсюда название «с независимым возбуждением»).

Принцип действия простейшего двигателя постоянного тока

Рис. 16.4. Простейший двигатель постоянного тока:

1) ток якоря I_я; 2) ЭДС якоря Е_я; 3) обмотка возбуждения;

При подключении обмотки якоря к цепи постоянного тока, в ней возникает ток якоря. По закону Ампера на проводник с током в магнитном поле индуктора будет действовать сила, направление которой определяется по правилу левой руки. За счет момента сил F_А якорь начнет вращаться со скоростью ω. В проводниках якоря, движущихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки.

Вывод. В обмотке якоря I_я(1) и Е_я(2) направлены в противоположные стороны, поэтому Е_я называется противоЭДС (рис. 16.4).

ЭДС обмотки якоря

 

Представим, что в постоянном магнитном поле (то есть В = const), перпендикулярно полю со скоростью V движется проводник длиной l_пр. Найдем ЭДС проводника, которая наводится в этом поле (рис. 16.5).

 

Рис. 16.5. Проводник в постоянном магнитном поле

 

Через время dt проводник, пройдя расстояние dx, займет положение А'B'.

– закон Фарадея; (16.1)

, (16.2)

где – нормаль к поверхности, через которую проходит магнитный поток;

S – площадь, которую пересекает проводник при движении.

Из рис. (16.5) следует: , поэтому для Е_пр можем записать:

; (16.3)

; (16.4)

; (16.5)

; (16.6)

где - активная длина проводника (та часть, которая находится в магнитном поле).

В реальной электрической машине имеется не один проводник в обмотках якоря, а N проводников, которые в общем случае соединяются последовательно и параллельно. Проводники эквивалентны друг другу, поэтому в каждом будет наводиться одна и та же ЭДС.

Схема замещения при последовательном соединении проводников обмотки якоря изображена на рис. 16.6.

 

Рис. 16.6. Схема замещения

 

I_Я = I_ПР.

По второму закону Кирхгофа:

Е_пр1+ Е_пр2 +…+ Е_прn = R_я·I_я; (16.7)

N·E_пр = R_я·I_я = E_я; (16.8)

Для уменьшения тока в отдельных проводниках обмотки якоря, а главным образом для удобства изготовления обмотки якоря, эту обмотку часто выполняют в виде параллельных ветвей (рис. 16.7).

 

Рис. 16.7. Обмотка якоря

 

Введем величину а – число пар параллельных ветвей, 2а – число параллельных ветвей.

2а·х = N, (16.9)

где х – число проводников в одной параллельной ветви:

. (16.10)

Тогда I_я = I_пр·2a; (16.11)

; (16.12)

, (16.13)

где , (16.14)

(D_я – диаметр якоря).