Принцип обратимости машины постоянного тока.

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э.д.с. e_np = Blv,,где В — величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; / — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины- Э. д. с. Е_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. Частота э. д. с. / в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной й оборотах в секунду: f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью, Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с.Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой-пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными. Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря г_а: U_a = E_a-l_ar_a.

Проводники обмотки якоря с током 1_а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы F_np = BlI_a направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент М_9м, который называется электромагнитным моментом равен M_эм = F_apD_a = BlD_aI_a где D_a — диаметр якоря. Как видно из рис. в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя. Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F_np и возникнет электромагнитный момент М_Ь№. Величины F_np и Мэм, как и для генератора, определяются равенствами F_np = BlI_a и M_эм = F_apD_a = BlD_aI_a. (D_a — диаметр якоря) При достаточной величине М_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент М_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения. Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия М_Эм, а следовательно, и направление тока 1_а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока. Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Е_а, величина которой определяется равенством - Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Е_а направлена против тока /_а и приложенного к зажимам якоря напряжения U_a. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой. Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Е_а и падением напряжения в обмотке якоря:U_a=E_a+I_ar_a. Из сравнения равенств U_a = E_a-l_ar_a и U_a=E_a+I_ar_a. видно, что в генераторе U_a < Е_а, а в двигателе U_a > E_a. Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью. Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

65.Генераторы постоянного тока. Классификация генераторов по способу возбуждения. Энергетическая диаграмма, уравнение ЭДС, электромагнитный момент.

Все генераторы постоянного тока делятся на две основные группы, а именно: на генераторы независимого возбуждения и самовозбуждающиеся. Основными частями генератора являются: ярмо, главные и дополнительные полюса с обмотками, якорь с обмоткой, коллектор и щетки.

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Е_а.

При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора уста­навливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора: . (1) Здесь (2) — сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря r _а, обмотки добавочных полюсов r_д, компенсационной обмотки r_ко, последовательной обмотки возбуждения г_с и переходного щеточного контакта г_щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указан­ных обмоток в (2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение при­водным двигателем, который создает на валу гене­ратора вращающий момент М. Если генератор работает в режиме х.х. (I_а=0), то для вращения его якоря нужен сравнительно' небольшой момент холостого хода Мо. Этот момент обусловлен тормоз­ными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимо­действуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

При неизменной частоте вращения (п= соnst) вращающий момент приводного двигателя М урав­новешивается суммой противодействующих моментов: моментом х. х. М₀ и электромагнитным моментом М, т. е М₁ = М₀ + М (3)

Выражение (3) — уравнение моментов для генератора при п = соnst. Умножив члены уравнения (3) на угловую скорость вращения якоря со, получим уравнение мощностей:Р₁ = Р₀ + Р_эм, (4) где Р₁ = М₁ω— подводимая от приводного двигателя к генера­тору мощность (механическая); Р₀ = М₀ω — мощность х. х., т. е. мощность, подводимая к гене­ратору в режиме х. х. (при от­ключенной нагрузке); Р_эм = Мω — электромагнитная мощность генератора. Р_эм=E_aI_a Р_эм=UI_a+I_a²Σr=Р₂+Рэа ,(.5) где Р₂ - полезная мощность генератора (электрическая) т.е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; Р_эа - мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря.

Учитывая потери на возбуждение генератора Р_эв, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока: Р₁=Р₂+Р₀+Р_эм+Р_эв. (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая привод­ным двигателем Р₁,преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р₂, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р₁+Р_эа+Р_эв).

Рис 2. Практическая диаграмма ЭДС

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии п = const. Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе, генератора в режиме х.х. U ₀ от тока возбуждения I_в: U₀= f(I_в) при I=0 и п = const.

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора Uпри работе с нагрузкой от тока возбуждения I_в: U =f(1_В) при I=0 и п = const.

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на вы­ходе генератора Uот тока нагрузки I: U= f(I) при r_рг = const и п = const, где r_pr — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуж­дения.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения I_в от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выхо­де генератора: I_в = f(I) при U = const и n = const.

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой­ства генераторов постоянного тока.

По способу возбуждения классифицируются на: независимого, параллельного, последовательного и смешанного.

Дата добавления: 2015-07-15