2.4.2 Устройство электрических машин постоянного тока

По назначению электрические машины постоян­ного тока делятся на генераторы и двигатели. Генераторы вырабатывают электрическую энергию, поступающую в энергосистему; двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и транспортных средств.

Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генера­тор, и как двигатель. В любой машине постоянного тока четко выделя­ются подвижная и неподвижная части. Подвижную (вращающуюся) часть машины называют ротором, неподвижную – статором. Часть машины, в которой индуцируется электро­движущая сила, принято называть якорем, а часть машины, в которой создается магнитное поле воз­буждения, – индуктором. Как правило, в машине постоянного тока статор служит индуктором, а ро­тор – якорем.

Обмотка вращающегося якоря соединяется с по­мощью коллектора и щеток с неподвижными клем­мами, через которые машина включается в электрическую сеть. Сердечник якоря и коллектор крепятся на одном валу. Стальной вал якоря опирается на подшипники, закрепленные в боковых щитках машины. Для уменьшения вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолирован­ных друг от друга лаковым покрытием. В пазы сердечника якоря укладывают проводники обмотки якоря, соединенные с коллекторными пластинами. Коллектор набирают из медных пластин, разде­ленных миканитовыми прокладками.

Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины осуществляется с помощью щеток, скользящих по коллектору. Щетки вставляются в специальные обоймы щетко­держателя и прижимаются к коллектору спиральными или пластинчатыми пружинами. В качестве основы для изготовления щетки исполь­зуют графит. Чтобы получить заданные свойства (определенную электропроводность, повышенную со­противляемость к истиранию), в щетку добавляют порошки металлов (медь, свинец).

2.4.2.1 Принцип работы машины постоянного тока

Работа любой электрической машины (генератора или двигателя постоянного и переменного тока) ха­рактеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создается механическими, а другой – электромагнитными силами. Кроме того, работа двига­теля и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке яко­ря.

Генератор постоянного тока. В генераторе энергия механического движения преобразуется в электричес­кую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используют турбину, или двигатель внутреннего сгорания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. В реальном генераторе постоянного тока магнит­ный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, периодически изменяется. Соответственно из­меняется и ЭДС в каждом витке обмотки по значению и направлению.

Для получения постоянной ЭДС используют раз­личные выпрямители, в частности генератор по­стоянного тока снаб­жается механическим выпрямителем – кол­лектором. Коллектор автоматически переклю­чает концы витков об­мотки при изменении направления ЭДС. На рисунке 2.19 изображена синусоидальная ЭДС, ко­торая индуцируется в одном витке обмотки якоря. С помощью коллектора эта ЭДС преобразуется в пуль­сирующую ЭДС е₁.

Рисунок 2.19 - Виток обмотки якоря

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в обмотке якоря равен нулю. При этом генератор работает вхолостую, а приводной двигатель преодоле­вает только моменты трения. При подключении к генерато­ру электрической нагрузки по обмотке якоря начинает проходить ток. Проводники обмотки находятся в магнитном поле. Возникают механи­ческие силы (направление которых определяется прави­лом левой руки), создающие вращающий момент, направленный противопо­ложно моменту приводного двигателя.

Чем больше мощность потребителей электрической энергии, подключенных к генератору, тем больше ток в обмотке якоря и больше силы, препятствующие его вращению. Соответственно увеличиваются и затраты механической энергии на вращение якоря генератора.

Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. На проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.

Обмотка якоря двигателя вра­щается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Именно противо-ЭДС яв­ляется фактором, регулирующим потребление электри­ческой мощности из сети. Противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения маг­нитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо-ЭДС.

При подключении механической нагрузки частота вращения якоря уменьшается, а следовательно, умень­шится и значение противо-ЭДС. Ток и электрическая мощность, потребляемые двигателем из сети, возрастут.