Принцип действия машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах

Принцип действия генератора постоянного тока (ГПТ).

На рис. 2.3.1, а изображена упрощенная модель ГПТ (не указаны станина и катушки обмотки возбуждения).

Допустим, что якорь машины приведен во вращение двигателем в направлении движения часовой стрелки с постоянной угловой скоростью Q, обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного напряжения,.

Рис. 23.1. Простейшая модель генератора постоянного тока (а) и схема замещения обмотки якоря (б).

а внешняя цепь отключена от якоря. Постоянный ток в обмотке возбуждения создает магнитное поле полюса. При вращении якорной обмотки ее проводники будут пересекать магнитные линии поля полюса и в них по закону электромагнитной индукции наведется ЭДС е = B_nlv, где В_п — нормальная составляющая магнитной индукции в воздушном зазоре; / — активная длина проводника; v — линейная скорость. Направление ЭДС в проводниках может быть определено по правилу правой руки. Применяя это правило в рассматриваемом случае, можно убедиться, что направление ЭДС е_{ — е₃ во всех проводниках, движущихся в зоне северного полюса, будет одинаковым — от переднего торца якоря к заднему (обозначено знаком креста). В проводниках, движущихся в зоне южного полюса, ЭДС будет направлена от заднего торца якоря к переднему (е₄ — е₆) (обозначено знаком точки, см. рис. 2.3.1 у а). В момент перехода активных проводников через геометрическую нейтраль ЭДС в них наводиться не будет, так как здесь нормальная составляющая магнитной индукции равна нулю (рис. 2.2.3). Следовательно, при вращении якоря в его проводниках, перемещающихся из зоны одного полюса в зону другого полюса, наводятся переменные ЭДС.

Обмотка якоря представляет собой замкнутый контур. Однако ток в контуре не возникает, так как алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных проводников обмотки равна нулю: обмотка выполняется с равным количеством проводников под каждым полюсом, магнитные потоки полюсов одинаковы, полярность полюсов чередуется. Если установить неподвижные щетки для осуществления скользящего контакта с коллекторными пластинами, которые соединены с проводниками, проходящими геометрические нейтрали, то между щетками всегда будут находиться проводники обмотки с одинаково направленными ЭДС, сумма которых максимальна и постоянна.

Прижатые к пластинам коллектора щетки делят обмотку якоря на две части с одинаковым числом последовательно соединенных проводников. Эти части обмотки называются параллельными ветвями. Направление ЭДС в проводниках, образующих параллельную ветвь, сохраняется неизменным. Из схемы замещения обмотки якоря, изображенной на рис. 2.3.1, б

(без учета сопротивления обмотки), следует, что ЭДС якоря Е равна сумме мгновенных значений ЭДС любой из параллельно соединенных ветвей. Если к зажимам якоря подключить приемник R_Ht то ЭДС якоря вызовет в цепи ток /_я, направленный так же, как и вызвавшая его ЭДС. С учетом сопротивления обмотки якоря R_H, которое равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных ветвей обмотки, схема замещения цепи якоря ГПТ имеет вид, изображенный на рис. 2.3.2.

Рис. 23.2. Схема замещения цени якоря ГПТ.

Проводники обмотки якоря, в которых возник ток, находятся в магнитном поле, поэтому в соответствии с законом Ампера возникают электромагнитные силы, приложенные к якорю. По правилу левой руки найдем, что электромагнитные силы создают момент, противодействующий вращению якоря (см. рис. 2.3.1, а). При постоянной скорости якоря Q вращающий момент приводного двигателя равен противодействующему электромагнитному моменту генератора: М_вр = М_эм. Из этого следует, что для производства электрической энергии необходимо затрачивать механическую энергию.

В соответствии со схемой замещения цепи якоря генератора (см. рис. 2.3.2) запишем уравнение электрического состояния для цепи якоря:

Умножив это выражение на /_я, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря генератора:

Мощность приемника Р = Ш_я и мощность электрических потерь в обмотке якоря АР_эя = RJI составляют электромагнитную мощность Р_эы = Е1_Я, развиваемую генератором и равную механической мощности приводного двигателя (если не учитывать механические и магнитные потери).