Машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. В этом проявляется принцип обратимости электрических машин: если на зажимы подать напряжение от постороннего источника тока, то машина работает как двигатель; если же ее якорь привести во вращение от постороннего механического первичного двигателя, то с зажимов машины снимается напряжение, т. е. она работает как генератор. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. По своей конструкции генератор постоянного тока ничем не отличается от двигателя.

Дополнительно по теме

Асинхронный двигатель

Синхронные машины

Трансформаторы

Принцип работы генератора

В рамке, вращающейся в постоянном магнитном поле, возбуждается переменный ток; следовательно, переменный ток возбуждается и в обмотке якоря. Его преобразуют в постоянный ток с помощью коллектора. Принципиальная схема этого процесса показана на рисунке. Как видно, при повороте рамки на 180° э. д. с. индукции внутри рамки изменит знак. Но при этом и полукольца повернутся на 180°, вследствие чего полярность щеток не изменится. В цепи возникает пульсирующий ток одного направления i(t). Если на якоре разместить еще одну обмотку, как показано на рисунке пунктиром, то пульсации напряжения во внешней цепи сгладятся и ток будет почти постоянным. В реальном генераторе обмотка якоря содержит несколько десятков витков, присоединенных по определенной схеме к многопластинчатому коллектору, состоящему из такого же числа пластин. В этом случае пульсации тока совершенно ничтожны и во внешней цепи течет постоянный ток.

Принцип работы электродвигателя

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера. , из-за наличия силы Ампера вращающий момент, действующий на рамку, пропорционален силе тока в рамке, ее размерам, индукции магнитного поля, в котором она вращается, и зависит от угла поворота рамки.

Это свойство рамки используют в электродвигателях, преобразующих энергию электрического тока в механическую. В технических машинах постоянного тока рамки укладывают в пазах цилиндра, набранного из пластин листовой стали, называемого якорем 3 машины. Начала и концы рамок припаивают к изолированным друг от друга пластинам разрезанного на части широкого медного кольца, названного коллектором 1. Коллектор укрепляют на общей оси с якорем. С помощью угольных стержней - "щеток" 2, которые касаются коллекторных пластин, концы рамок соединяются с внешней цепью. Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается током, протекающим по обмотке возбуждения индуктора, состоящего из сердечника 4 и обмотки возбуждения 5. Индуктор закреплен на станине машины 6.

Режимы работы генератора

У генератора различают три режима работы: при независимом возбуждении (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (обмотка возбуждения включается параллельно якорю); смешанное возбуждение ( при наличии двух обмоток возбуждения - последовательной и параллельной). На рисунке приведены характеристики зависимостей напряжения якоря от тока, соответствующие этим режимам работы генератора.

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряжения; магнитного потока (применимо только к двигателям параллельного и смешанного возбуждения) и добавочного сопротивления в цепи якоря.

Наиболее экономичный способ - регулирование напряжения на зажимах якоря.

В момент пуска ЭДС якоря равна нулю Iп=Uя/Rя, 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.

Реостатный пуск двигателя

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.

Системы возбуждения

Свойства и характеристики двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как меняется магнитный поток при изменении механической нагрузки двигателей. Характер магнитного потока определяется способом возбуждения.

В машинах постоянного тока различают четыре системы возбуждения:

  • параллельное или шунтовое;
  • последовательное или сериесное;
  • смешанное или компаундное;
  • независимое.

Двигатели с последовательным возбуждением обладают большим пусковым моментом, т. е. вращающим моментом в момент пуска, когда скорость вращения якоря равна нулю. Это делает их незаменимыми во всех видах электротранспорта, где необходимо большое тяговое усилие при трогании с места. Однако частота вращения якоря двигателя с последовательным возбуждением резко меняется при изменении нагрузки, что в ряде случаев нежелательно.

У двигателей с параллельным возбуждением скорость вращения якоря в широких пределах не зависит от нагрузки и может плавно регулироваться за счёт изменения силы тока в обмотке возбуждения, что достигается регулирующим реостатом. Это свойство двигателей с параллельным возбуждением определяет область их применения в качестве электропривода всевозможных станков и агрегатов, где требуется плавная регулировка скорости вращения и не нужен большой пусковой момент.

Виды потерь

В машинах постоянного тока различают следующие основные виды потерь:

  • потери мощности в цепи якоря или переменные потери, зависящие от нагрузки;
  • потери мощности в стали;
  • механические потери;
  • потери мощности в цепях возбуждения.

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность и соответственно КПД равны нулю.

Внешняя характеристика генератора Uя=f(Iя)