Вопрос 2. Электрические машины постоянного тока. Принцип работы двигателя постоянного тока.

Для понимания сущности работы электрической машины необходимо вспомнить физические законы, которыми описываются основные электромагнитные явления: закон электромагнитной индукции, закон Био — Савара, закон Ампера. Эти законы вместе с законами Кирхгофа и Ома позволяют описать основные процессы, происходящие в электрических машинах.

Работа любой электрической машины (генератора или двигателя постоянного и переменного тока) характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создается механическими, а другой — электромагнитными силами. Кроме того, работа двигателя и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря.

Генератор постоянного тока.В генераторе энергия механического движения преобразуется в электрическую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используют турбину, или двигатель внутреннего сгорания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока: e = w , где w - число витков, пронизываемых изменяющимся магнитным потоком Ф; dФ/dt — производная магнитного потока по времени, или скорость изменения магнитного потока.

Приведенная формула, выражающая закон электромагнитной индукции, показывает, что для индуцирования постоянной ЭДС Е необходимо равномерно с (с постоянной скоростью) увеличивать или уменьшать магнитный поток Ф. Однако равномерное увеличение или уменьшение магнитного потока в течение длительного времени технически осуществить невозможно. Поэтому получение постоянной ЭДС в устройствах, основанных на законе электромагнитной индукции, невозможно.

В реальном генераторе постоянного тока магнитный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, периодически изменяется. Соответственно изменяется и ЭДС в каждом витке обмотки по значению и направлению.

Для получения постоянной ЭДС используют различные выпрямители, в частности генератор постоянного тока снабжается механическим выпрямителем — коллектором. Коллектор автоматически переключает концы витков обмотки при изменении направления ЭДС.

На рис. 13 изображена синусоидальная ЭДС, которая индуцируется в одном витке обмотки якоря. С помощью коллектора эта ЭДС преобразуется в пульсирующую ЭДС e₁.

N

S

Рис.13. ЭДС Якоря

Рассмотрим второй виток обмотки генератора, сдвинутый относительно первого на угол 90°. Индуцируемая но втором витке ЭДС е'₂ опережает по фазе на 90° ЭДС е¹₁. Форма е'₁, е'₂ а также выпрямленных ЭДС е₁ и e₂ показана на рис. 14.

Рис. 14. Уменьшение пульсаций при сложении ЭДС, сдвинутых по фазе

К выходным зажимам генератора подводится ЭДС, равная сумме ЭДС е₁ и е₂. Из рис. 9.6 видно, что результирующая ЭДС е имеет значительно меньшие пульсации, чем ЭДС е₁ и е₂. При большом числе витков, сдвинутых по окружности якоря на небольшие углы, пульсации результирующей ЭДС на зажимах генератора становятся пренебрежимо малыми. В этом случае машина вырабатывает напряжение, практически постоянное по значению и направлению.

Для повышения уровня вырабатываемой ЭДС поверх первого ряда витков обмотки могут быть уложены без смещения (в те же самые пазы якоря) второй и последующие ряды витков.

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в обмотке якоря равен нулю. При этом генератор работает вхолостую, а приводной двигатель преодолевает только моменты трения, затрачивая минимальную механическую энергию. При подключении к генератору электрической нагрузки по обмотке якоря начинает проходить ток.

Проводники обмотки находятся в магнитном поле. В соответствии с законом Ампера возникают механические силы, направление которых определяется правилом левой руки. Нетрудно убедиться, что эти силы создают вращающий момент, направленный противоположно моменту приводного двигателя.

Чем больше мощность потребителей электрической энергии, подключенных к генератору, тем больше ток в обмотке якоря и больше силы, препятствующие его вращению. Соответственно увеличиваются и затраты механической энергии на вращение якоря генератора.

Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечет ток. В соответствии с законом Ампера на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.

Вращающийся вал якоря используют для привода в действие различных механизмов: подъемных и транспортных средств, станков, швейных машин и т.д.

Исходя из закона сохранения энергии можно считать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем.

Разберемся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что она направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому ее назвали противо-ЭДС. Именно противо-ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.

По закону электромагнитной индукции, противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо-ЭДС.

Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и частота вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря проходит минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна.

При подключении механической нагрузки частота вращения якоря уменьшается, а следовательно, уменьшится и значение противо-ЭДС. Ток и электрическая мощность, потребляемые двигателем из сети, возрастут.

Таким образом, противо-ЭДС в двигателе выполняет функции дросселя, регулирующего поступление мощности из сети.

Задачи

2.42. К источнику постоянного тока с ЭДС Е=1,5 В. И внутренним сопротивлением r=2,5 Ом подключен резистор сопротивлением R=10 Ом. Определить ток в цепи и падение напряжения на источнике.

Дано;

E=1,5 В

R=10 Ом

r=2,5 Ом

Найти I , U

Решение:

Закон Ома для полной цепи: I=E:(R+r)

где:

· Е — ЭДС источника напряжения,

· I — сила тока в цепи,

· U — сопротивление всех внешних элементов цепи,

· r — внутреннее сопротивление источника напряжения.

Отсюда:

I = 1,5:(10+2,5)=0,12 А

U= I : r = 0,12:2,5=0,048 В

Ответ: 0,12; 0,048 В

3.64. На зажимах катушки при линейном измерении тока ∆I=5 A появилась ЭДС E=1,6 В. Время изменения тока в катушке ∆t=0,02 с. Определить индуктивность и скорость изменения тока в ней.

Дано:

∆I=5 A

E=1,6 В

∆t=0,02 с

Найти: L-? -?