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).