ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

РАЗДЕЛ 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ЛЕКЦИЯ 32. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

К ним относятся генераторы постоянного тока (ГПТ) и двигатели постоянного тока (ДПТ). Электрические машины постоянного тока – машины обратимые, т.е. им присущ принцип обратимости, смысл которого заключается в том, что любая из этих машин может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции и явление возникновения электромагнитных сил, действующих на проводники с током, помещенные в магнитное поле.

Любая машина постоянного тока содержит:

· устройство для создания магнитного поля;

· обмотку, в которой наводится ЭДС и на которую действует момент электромагнитных сил (электромагнитный момент);

· устройство для изменения направления тока.

В соответствии с вышесказанным, любая машина постоянного тока, независимо от того двигатель это или генератор, имеет три основные конструктивные части: статор, ротор и щеточно-коллекторный узел.

Устройство электрической машины постоянного тока:

1. – корпус (литой из чугуна или стали);

2. – полюса магнитов;

3. – обмотка полюсов (обмотка возбуждения);

4. – ротор;

5. – проводники обмотки ротора;

6. – коллектор;

7. – щетки.

Неподвижная часть машины, образованная корпусом и полюсами, прикручиваемыми к корпусу, называется статором. На полюсах находится обмотка, по которой протекает постоянный ток; тем самым система корпус-полюса-обмотка образует электромагнит, служащий для создания магнитного поля в этой системе. Силовые линии магнитного поля схематически указаны на рисунке. Таким образом, статор служит для создания постоянного магнитного поля, вкотором будет находиться вращающаяся часть машины – ротор.

В отличие от статора, у которого все части литые, т.е. сплошные, ротор представляет собой цилиндрический сердечник, набранный из отдельных листов электротехнической стали. Это делают для того, чтобы уменьшить потери на вихревые токи (токи Фуко). На боковой поверхности цилиндрического ротора образуются пазы, в которые вложены проводники обмотки.

Обмотка представляет собой большое число прямоугольных рамок, лежащих в разных плоскостях, и замыкаются они на пластины коллектора.

Коллектор представляет собой медный цилиндр, разрезанный на отдельные части, которые через прокладку из изолятора одеваются на вал машины, на котором находится и ротор. Эти отдельные части образуют пластины, между собой они проложены изолятором, и на каждые две диаметрально противоположные пластины выводятся проводники от одной или нескольких рамок, уложенных на роторе, т.е. рамки могут соединяться как последовательно, так и параллельно.

Щетки в электрических машинах выполняют из графита или угля, и с помощью специальных щеткодержателей они прижимаются ко вращающемуся коллектору и обеспечивают либо снятие напряжения с машины, если это генератор, либо подведение его от внешнего источника, если это двигатель. Т.к. контакт щеток и коллектора не прочный, а скользящий, то при переходе щетки с одной пластины коллектора на другую возникает нестационарный режим, сопровождающийся резким возрастанием ЭДС, и в этот момент между щетками и коллектором проскакивает искра. Это искрение происходит в постоянном режиме, что приводит к достаточно быстрому выгоранию щеток. Это явление называется коммутацией в машинах постоянного тока. В результате чего щеточно-колекторный узел является наиболее слабым местом электрических машин постоянного тока.

Назначение щеточно-коллекторного узла состоит в том, что в режиме генератора он представляет собой выпрямитель механического типа: в обмотке якоря ток переменный, а на выходе он выпрямленный. А в режиме двигателя, где питание осуществляется постоянным током, щеточно-коллекторный узел преобразует его в переменный ток, протекающий по обмотке якоря. Если этого не сделать, то не будет происходить непрерывное вращение.

Понятия статор и ротор – чисто механические. В литературе можно встретить понятия индуктор и якорь. Это чисто электротехнические понятия, и очень часто считают, что, например, якорь и ротор – это слова-синонимы. Статор – это то, что неподвижно, а ротор – то, что вращается. Под электротехническими понятиями «индуктор» и «якорь» понимают следующее: «индуктор» - это устройство, которое создает магнитное поле, а в якоре под действием этого электромагнитного поля наводится ЭДС, на которую со стороны магнитного поля действуют силы.

Явление реакции якоря: в результате реакции якоря происходит искажение магнитного поля в пространстве между полюсами за счет влияния собственного магнитного поля якоря (см. рис.):

На рис.1 показана картина силовых линий магнитного поля, создаваемого обмоткой статора (обмоткой возбуждения – ОВ), причем эта картина отражает поле, имеющее место при отсутствии вращения ротора, т.е. это поле статора в чистом виде. При вращении ротора в проводниках его обмотки будет протекать ток, а любой проводник с током создает свое магнитное поле.

На рис. 2 приведена картина силовых линий магнитного поля, создаваемого проводниками ротора, т.е. это картина силовых линий только ротора. Вектор напряженности магнитного поля ротора в произвольной точке пространства можно представить в виде двух проекций: вертикальной и горизонтальной. Как следует из этого рисунка, в одних частях пространства вертикальная составляющая поля якоря сонаправлена с полем статора (точки 1 и 2), а в других частях пространства – напрвлена навстречу ему (точки 3 и 4). В первом случае будет происходить усиление общего результирующего поля (сгущение силовых линий в точках 1 и 2 на рис.3), а во втором случае – ослабление общего результирующего поля (разряжение силовых линий в точках 3 и 4 на рис.3).

Но на самом деле в системе одновременно присутствует и магнитное поле статора, и проводники ротора, и результирующая картина поля представлена на рис.3.

Однако применительно к реальной ситуации подобное рассмотрение выглядит формальным. Если следовать подобному рассмотрению, то в среднем с полем ничего не происходит: среднее значение магнитного потока остается постоянным. Но на самом деле это не так. Дело в том, что рабочий режим генератора и двигателя соответствует состоянию магнитного насыщения магнитной системы статора. А если система находится в состоянии насыщения, то усилить поле уже нельзя. И поэтому реально произойдет следующее: в тех частях пространства, где поле должно уменьшиться, согласно проведенному выше рассуждению, оно действительно уменьшится, и система выйдет из состояния насыщения. А в тех местах, где поле должно увеличиться, из-за насыщения этого в действительности не произойдет. А значит, среднее значение магнитного потока в системе уменьшится. Это явление и называется реакцией якоря: влияние якоря на магнитный поток.