Принцип работы машин постоянного тока
На рис. 1.1 схематично изображен поперечный разрез
машины постоянного тока. На неподвижной части машины
(статоре) размещаются стальные полюсы П с
надетыми
на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между
собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали
чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Поток Ф, создаваемый обмоткой
возбуждения, неизменен во времени и замыкается, как показано на рис.
1.1 штриховыми линиями.
Рис.1.1. Принципиальная схема машины постоянного тока с
кольцевым якорем
На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуктируется основная ЭДС, поэтому в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.
Обмотка укладывается на стальном сердечнике М, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединяются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии на рисунке показывают соединения проводников с переднего торца, а штрихпунктирные — с заднего.
Изображенный на рисунке якорь называется кольцевым. В настоящее время
кольцевой якорь не имеет широкого практического применения. Однако в дальнейшем
при изложении некоторых физических процессов, происходящих в машине, будем
рассматривать такой якорь, чтобы получить более наглядную картину.
От обмотки
якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора (К). Коллектор
располагается на валу якоря и представляет собой цилиндрическое тело, состоящее
из электрически изолированных между собой медных пластин, Часть обмотки,
заключенная между следующими Друг за другом ответвлениями к коллекторным
пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из
которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин
равно числу секций. Показанная на рисунке обмотка состоит из 12 одновитковых
секций, а коллектор имеет 12 пластин.
При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рис. 1.1 стрелкой показано направление вращения якоря. Там же показаны и направления ЭДС в проводниках обмотки якоря. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуктироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника якоря, являются активными, а на внутренней — неактивными.
В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины имела максимальное значение, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей разно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.
Для момента времени, к которому относится картина, изображенная на рисунке, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную на рисунке полярность.
При вращении якоря расположение секций в пространстве будет меняться. При этом будет изменяться направление ЭДС, индуктируемой в проводниках соответствующих секций. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС и щетки будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными. Направление тока в проводниках будет совпадать с направлением ЭДС.
В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока но обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока.
Например, для определенного момента времени такому распределению тока по проводникам обмотки якоря может соответствовать картина, показанная па рис. 1.1. При показанном на рисунке распределении тока электромагнитные силы всех проводников имеют одинаковые направления, в чем можно убедиться, применяя правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель создает наибольший вращающий момент, под действием которого якорь придет во вращение в направлении, противоположном указанному на рис. 1.1 для генераторного режима.
По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви.
Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников,
включенных между щетками разной полярности. В данной
машине обмотка имеет
четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на
рис. 1.2. Электродвижущая сила на выводах машины при холостом
коде (без нагрузки) будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети при
нагрузке будет равен сумме токов параллельных ветвей.
Рис. 1.2. Параллельные ветви обмотки якоря
В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС
равна нулю (рис. 1.1), поэтому при разомкнутой внешней цепи ток
в обмотке возникать не будет.
