Устройство и принцип работы машины постоянного тока

Проводники обмотки якоря с током 1_а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис, 1-2, а) направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1З, б). Эти силы создают механический вращающий момент М_ЭМ, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен , где D_a — диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, а, 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_ЭМ. Величины F_np и М_ЭМ как и для генератора, определяются равенствами (1-4) и (1-5), При достаточной величине М_Эм якорь машины придет во вращение-и будет развивать механическую мощность. Момент М _ЭМмпри этом является движущим и действует в направлении вращения.

В режиме двигателя коллектор превращает потребл. из внешней цепи пост. ток в перемен. в обмотке якоря и работает, т.о. в качестве механич. инвертора тока.

Индуцируется э. д. с. Е_aвеличина которой определяется равенством (1-1). Направление этой э. д. с. в двигателе (рис. 1-2,б) такое же, как и в генераторе (рис. 1-2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Е_а направлена против тока 1_а и приложенного к зажимам якоря напряжения V_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:

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии. На рис, 1-5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент , где М_В – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, М_тр — момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, М_с — тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

где М_в — тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе М_эм является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях М_ви М_эм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом М_эм мощность Р_эм называется электромагнитной мощностью и равна , где представляет собой угловую скорость вращения.

Линейная скорость на окружности якоря ,

. В обмотке якоря под действием э.д.с. Е_а и тока I_а развивается внутренняя электрическая мощность якоря, Р_эм = Р_а, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора ; для двигателя

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитную мощность якоря и последние члены — электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рис. 1-1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во-внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя - в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.