4. Машина постоянного тока

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором – генератором.

Схема замещения машины постоянного тока в соответствии с уравнением E = U  IR_я показана на рис.50.

В режиме генератора электромагнитный момент М_эм противодействует вращению. Он уравновешивается моментом приводного двигателя М_дв (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя момент действует по направлению вращения. При равномерном вращении ему противодействует момент сопротивления М_с приводимого в движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.).

Основное магнитное поле в электрических машинах называется полем возбуждения и создается с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источников постоянного тока. Преобразование электрической энергии (рис.51) возможно в электрических машинах лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора, последние должны быть неподвижны относительно друг друга при любой частоте вращения ротора. Это достигается с помощью коллекторно-щеточного механизма. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и корпуса медных пластин, по которым скользят угольные щетки. Число пластин равно числу секций обмотки, которая укладывается в пазы.

В машинах постоянного тока ЭДС

Е = С_еФn,

где С_е = рN / 60а – конструктивная постоянная; р – число пар полюсов; N – число проводников; а – число параллельных ветвей соединенных проводников (обмотки бывают двух и трехслойные).

В режиме генератора на холостом ходу поток Ф и соответствующая ему эдс зависят только от тока возбуждения. Зависимость Е = f(I_в) (рис.52) называется характеристикой холостого хода. Если характеристику снимать, сначала увеличивая ток возбуждения, а затем уменьшая его, то получится петля гистерезиса. Обычно в каталогах дается средняя линия.

При отсутствии тока возбуждения в якоре наводится эдс, равная примерно 2-3 % от напряжения якоря.

В режиме нагрузки якорь нагружается на внешнее сопротивление проводника, ток в котором совпадает по направлению с ЭДС. Ток обмотки якоря создает свое поле, воздействующее на поле собственно машины. Данное явление называется реакцией якоря. Результирующий магнитный поток машины Ф равен сумме магнитного потока цепи возбуждения Ф_в и цепи якоря Ф_я. При больших значениях тока якоря вследствие насыщения части полюсов результирующий магнитный поток несколько уменьшается. В этом случае реакция якоря называется поперечной.

Электромагнитный момент определяется из выражения

М = 0,5D(pNIФ/а) = С_мФI, ,

где D – диаметр якоря; С_м – постоянная по моменту.

Внешняя характеристика генератора U_я = f(I_я) приведена на рис.53.

У генератора различают два режима: независимое возбуждение (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (питание обмотки возбуждения от напряжения якоря).

Основной рабочей характеристикой двигателя постоянного тока является зависимость частоты вращения от момента на валу.

Подставим в уравнение двигателя U_я = Е + R_яI_я значения эдс и момента и получим зависимость:

.

При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря или нагрузки характеристика n = f(M) называется естественной, а с сопротивлением – искусственной.

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряжения, магнитного потока и добавочного сопротивления в цепи якоря (рис.54). Наиболее экономичный способ – регулирование напряжения на зажимах якоря.

В момент пуска эдс якоря равна нулю и I_п = U_я/R_я, что в 10-30 раз больше номинального тока. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление, называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней.

Направление вращения двигателя можно поменять переключением полярности якоря или обмотки возбуждения.

Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирования ограничивается возрастанием тока возбуждения.

Совместное регулирование частоты вращения двигателя напряжением на якоре и током возбуждения позволяет получить режим работы при постоянной мощности.

Кроме рассмотренных машин переменного и постоянного тока существует ряд электрических машин специального назначения, такие как преобразователи частоты и числа фаз переменного тока, переменного тока в постоянный и т.д. Такие машины называют электромашинными преобразователями.