Принцип действия машины

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принцип действия генератора. Работа генератора ос­нована на использовании закона электромагнитной ин­дукции.

На рис. 11.9 показана электромагнитная схема про­стейшего генератора постоянного тока. Обмотка якоря состоит из одного витка (секции), концы которого присо­единены к различным полукольцам (коллекторным пла­стинам), изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с обмот­кой якоря. По коллектору скользят неподвижные щет­ки. Магнитное поле создается постоянными магнитами (главными полюсами).

При вращении витка в магнитном поле с помощью приводного двигателя в проводниках витка согласно за­кону электромагнитной индукции индуцируется ЭДС

Пр

Blv,

где В — магнитная индукция; I v — его линейная скорость.

длина проводника;

Рис. 11.9 Простейший генератор постоянного тока а — принцип действия; в — электрическая схема якорной цепи; в — возникновение электромагнит­ного момента.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), в про­водниках индуцируется максимальное значение ЭДС. Когда виток занимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

Направление ЭДС в проводнике определяют по пра­вилу правой руки (на рис. 11.9 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под дру­гой полюс, направление ЭДС в нем меняется на противо­положное, т. е. в секции индуцируется переменная ЭДС. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щет­ки неподвижны, то с верхней щеткой всегда будет соеди­нен проводник, находящийся под северным полюсом, ЭДС в котором направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменным направление ЭДС на щетках е_щ (рис. 11.10, кривая 1). Это происходит благодаря наличию коллек­тора. Следовательно, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем. ЭДС на щетках равна е_щ = 2е_пр = 2Blv, так как по контуру секции ЭДС провод­ников складываются. Хотя ЭДС простейшего генератора не изменяется по направлению, значение ее изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. ЭДС с такой большой пульса­цией является непригодной для большинства приемни-302

kgb постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсации обмотку якоря выпол­няют из большого числа витков (секций), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин. Так, на рис. 11.8 показана машина с четырьмя секциями в об­мотке якоря. В момент времени, для которого изобра­жено положение обмотки якоря, это секции, сторонами которых являются проводники (1-6), (3-8), (4-7) и (2-5). Обмотка якоря имеет две параллельные ветви, первая образована проводниками пазов 1, 6, 3, 8 (секции (1-6) и (3-8)), вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5 (сек­ции (4—7) и (2-5)). При вращении якоря сочетание па­зов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками пазов, занимающих постоян­ное положение в пространстве.

В каждой секции индуцируется такая же ЭДС, как и в генераторе, показанном на рис. 11.9. ЭДС на щетках равна сумме ЭДС во всех проводниках параллельной вет­ви обмотки якоря, так как все проводники в параллель­ной ветви включены последовательно:

е_щ = ei + е₆ + e_s + е& = е₄ + е₇ + е₂ + е₅.

Изменение во времени ЭДС на щетках для такого генератора показано на рис. 11.10 (кривая 2). Видно, что пульсации ЭДС обмотки якоря заметно уменьшаются. При увеличении числа вит­ков и коллекторных пластин можно получить практиче­ски постоянную ЭДС обмотки якоря. Эту ЭДС называют ЭДС якоря и обозначают Е_я.

Если к щеткам генера­тора подключить приемник электрической энергии, то под действием ЭДС якоря в приемнике и в обмотке якоря появится ток. Изменение тока во времени будет аналогично изменению ЭДС: в обмотке якоря он будет изменяться

Рис. 11.10

Изменение во времени ЭДС >

простейших генераторах

постоянного тока

1 — для генератора рис. 11.9; 2 -для генератора рис. 11.8.

как по значению, так и по направлению, т. е. будет пере­менным, а в приемнике — только по значению, анало­гично кривым 1 и 2 на рис. 11.10. Направление тока в проводниках обмотки якоря будет совпадать с направле­нием индуцированной в них ЭДС.

Для цепи обмотки якоря (рис. 11.96) по второму за­кону Кирхгофа получаем уравнение, называемое уравне­нием напряжения генератора:

V + RJ_a = Е„ или и = Е_я- RJx, (11.1)

где R_H — суммарное сопротивление обмоток якоря, доба­вочных полюсов, компенсационной обмотки, если она есть, и щеточного контакта (на схеме не показано), далее называемое сопротивлением якоря.

При наличии тока в проводниках якоря на них будут действовать силы, пропорциональные току i_s в провод­никах, магнитной индукции В в месте расположения проводника и его активной длине I, а именно F = BiJ. Направление силы, действующей на проводник, можно определить по правилу левой руки (рис. 10.9в). При этом момент М = NFDJ2, создаваемый всеми N проводниками обмотки якоря и называемый электромагнитным, ока­зывается направленным встречно внешнему моменту М_вн, создаваемому приводным двигателем, т. е. является мо­ментом сопротивления. Чем больше ток в обмотке яко­ря, тем больше момент сопротивления и тем больший внешний момент и, следовательно, механическую энер­гию необходимо подвести к валу при постоянной частоте вращения якоря.

Принцип действия двигателя. Конструктивно двига­тель постоянного тока имеет такое же устройство, как и генератор. Если к обмотке возбуждения и щеткам непо­движного якоря подвести постоянное напряжение от внешнего источника, то в проводниках обмотки якоря появится ток.

При вращении якоря благодаря коллектору подводи­мый постоянный ток меняет направление в проводниках обмотки якоря, когда они переходят из одной параллель­ной ветви в другую, т. е. попадают в пространство под другим полюсом. Таким образом, направление тока в про­водниках обмотки якоря, находящихся под данным по­люсом, остается все время неизменным (рис. 11.11а).