1. Электрические машины постоянного тока.

Назначение:

Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот. Генераторы служат источниками электрической энергии двигатели – механической. Первой электрической машиной был двигатель постоянного тока изобретённый в 1838 году Б. С. Якоби. Генераторы постоянного тока (ГПТ) применяют для питания двигателей, зарядки аккумуляторов, электросварки и др. Преимуществом ДТП является возможность с помощью относительно простых устройств обеспечивать плавное регулирование частоты вращения при большом пусковом моменте. Главным недостаткам является наличие щёточно-коллекторного узла, искрение которого ограничивает области их применения, особенно в космосе, химической промышленности и так далее.

Устройство:

Статор: станина , полюсы, подшипниковые щиты, щёткодержатели со щётками, паспортная табличка, вводное устройство. Станина выполняется из ферромагнита и является частью магнитной системы. Полюс состоит из ферромагнитного сердечника и катушки (количество полюсов 2, 4, 6, 8). Подшипниковые щиты изготовляются из чугуна. Паспортная табличка крепиться к станине. Вводное устройство крепиться с боку станины или сверху и закрепляется крышкой. Основа изоляционная панель в виде шпилек к которым присоединяются выводы обмоток. Щёткодержатели крепятся к одному из подшипников, количество щеткодержателей равно количеству полюсов. Если щёток больше двух, то они соединяются параллельно образуя два зажима. Полюс является частью магнитной системы катушки всех полюсов, соединённых между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения, выводы от этой обмотки, присоединяются к выводам вводного устройства.

Якорь: вал, сердечник ферромагнитный, обмотка, коллектор, вентилятор. Сердечник выполнен в виде цилиндра имеет пазы для обмотки, сердечник является частью магнитной системы, коллектор выполняется в виде цилиндра и состоит из большого числа медных изолированных друг от друга и от вала пластин, обмотка якоря выполняется из отдельных секций (катушек), начало и конец которых присоединяются к коллекторным пластинам, в результате обмотка якоря образует замкнутый контур с отпайками соединенными коллекторными пластинами. На коллектор накладываются и прижимаются к нему пружинами щётки, образуя зажимы от якоря. С помощью щёток осуществляется съём или подвод тока к вращающимся проводникам якоря. На принципиальных схемах двигатель обозначают следующим образом.

Принцип действия генератора:

Исходное состояние: обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока (таким источником может быть и обмотка якоря самого генератора). К зажимам якоря подключён приёмник постоянного тока. Вал якоря сочленён с каким-то первичным двигателем и вращается с постоянной частотой вращения n.

Ток в обмотке возбуждения создаёт неподвижное в пространстве магнитное поле с магнитным потоком Ф. При своём движении провода обмотки якоря пересекают линии магнитной индукции поля статора и в них, проводах индуцируется ЭДС (направление ЭДС можно определить по правилу правой руки). ЭДС отдельных проводов определённым образом складывается и образуют результирующею ЭДС якоря Е, эта ЭДС создаёт в приёмнике и в проводах обмотки якоря электрический ток. Ток в якоре взаимодействует с магнитным полем статора результатом чего является электромагнитный момент М, направленный встречно вращению якоря, который преодолевает первичный двигатель (направление момента можно определить по правилу правой руки). Таким образом механическая энергия первичного двигателя преобразуется в электрическую энергию потребляемую приёмником, при этом часть (5-20…30%), энергии теряется безвозвратно (идёт на нагрев генератора). Ток в проводах обмотки якоря переменный, а в приёмнике постоянный, выпрямителем является коллекторно-щёточный узел.

Принцип действия двигателя:

Исходное состояние: обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока, обмотка якоря так же подключена к источнику постоянного тока этого же или другого; статор неподвижно закреплён, вал сочленён с исполнительным органом рабочей машины. Ток в обмотке возбуждения I_В создаёт магнитное поле с магнитным потоком Ф. Ток в обмотке якоря (ток I_Я якоря) создается источником питания, I_Я взаимодействует с магнитным полем статора, результатом чего является электромагнитный вращающийся момент М (правило левой руки) под действием которого якорь вращается, преодолевая противодействующий момент со стороны исполнительного органа рабочей машины. В проводах вращающегося якоря индуцируется ЭДС (суммарный ЭДС), и следовательно ток якоря обусловлен совместным действием источника питания и ЭДС якоря, таким образом электрическая энергия поступающего от источника питания преобразуется в механическую энергию, при этом часть электрической энергии идёт на нагрев двигателя.

Назначение основных конструкционных элементов машины:

Станины выполняется из ферромагнетика и является частью магнитной системы и корпусом двигателя;

Полюс состоит из ферромагнитного сердечника и катушки. Он является частью магнитной системы;

Обмотка полюса создаёт основной магнитный поток (постоянное магнитное поле), выполняется из меди;

Сердечник якоря набирается из стальных штампованных листов (электротехнической стали);

Обмотка якоря – обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется ЭДС (медная проволока);

Коллектор состоит из медных изолированных друг от друга пластин. Служит для преобразования переменной ЭДС на щётках генератора.;

Щёточный узел – с помощью щеток осуществляется съём или подвод тока к вращающимся проводникам якоря.

Обратимость электрической машины:

МПТ имеют три основные режима работы. В качестве источника постоянного тока – генераторный режим. В качестве привода – двигательный режим. В качестве изменения направления движения механизма противовключения.

Формулы ЭДС якоря и электромагнитного момента и их физический смысл:

При анализе электрических машин ЭДС и электромагнитный момент определяют по формулам:

Обоснование:

При работе электрические машины в режиме хх до номинального ЭДС и напряжения отличаются друг от друга не значительно (всего на несколько %). В генераторе E>U; в двигателе E<U.

Схема замещения и уравнение электрического состояния цепей якоря и возбуждения:

Обмотка возбуждения является пассивным приёмником постоянного тока, поэтому замещается одним резистивным элементом R_В

Якорь генератора является источником постоянного тока, схема замещения

R_Я – сопротивление якоря, сюда входит сопротивления проводов обмотки якоря, а так же сопротивление щёток, коллекторных пластин и переходное сопротивление скользящих контактов.

Якорь двигателя является активным приёмником, поэтому на схеме замещения представляется двумя элементами.