Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т. е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Принцип действия машин постоянного тока. Законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил

  Автор: admin Генераторы постоянного тока, Двигатели постоянного тока, Машины постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока основан на 2-х законах:
1. Закон электромагнитной индукции: при перемещении проводника длиною l в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, в нем возникает ЭДС (электродвижущая сила).

e=Blv

2. Закон электромагнитных сил: если проводник длиною l и с током i поместить в магнитное поле с индукцией B, на него будет действовать электромагнитная сила f.

f=Bli

Если рамку длиной l вращать в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, на основании закона электромагнитной индукции в сторонах рамки будет наводиться ЭДС.

Чтобы определить направление действия ЭДС пользуются правилом правой руки.

Правило правой (а) и левой (б) руки.

τ=(πD)/(2p),

где p – число пар полюсов;
D — диаметр якоря;
τ – полюсное деление, показывающее какая часть длины окружности, которую описывает рамка, приходится на 1 полюс.
Число пар полюсов машины постоянного тока всегда кратно двум.

Ток всегда имеет то же направление, что и ЭДС.

Если рамку через кольцо соединить с внешней цепью, то по внешней цепи будет течь ток, совпадающий по форме и направлению с ЭДС.

Для того, чтобы во внешней цепи протекал постоянный ток, разрезаем кольцо на два полукольца и к каждому полукольцу подсоединяем по одному концу рамки. Замена кольца на два полукольца обеспечивает во внешней цепи однонаправленный ток.

Полукольца являются прообразом коллектора машины постоянного тока. Для того, чтобы ЭДС и ток на выходе машины был постоянным, надо увеличить число рамок и число полуколец.

Таким образом, коллектор в машине постоянного тока является механическим выпрямителем, если машина работает в генераторном режиме и механическим инвертором, если машина работает в двигательном режиме.

Внутри машины постоянного тока всегда действует переменное ЭДС и по обмотке якоря протекает переменный ток.

Если к рамке подвести ток, совпадающий по направлению с ЭДС, то на каждую сторону рамки на основании закона электромагнитных сил будет действовать сила, направление действия которой определяется правилом левой руки.

Для того чтобы рамка под действием сил начала вращаться, нужно иметь две силы и плечо. Чтобы выполнить это действие, все электрические машины изготавливаются круглой формы.

Для того чтобы на зажимах генератора постоянного тока появилось напряжение, его нужно привести во вращение от постороннего источника механической энергии и подать напряжение на обмотку возбуждения, и тогда на основании закона ЭМИ (электромагнитной индукции) на выходе генератора появится ЭДС.

Если к генератору подключить нагрузку, то по якорю генератора начнет протекать ток. И как только по якорю начнет протекать ток, в якоре генератора начнет действовать закон электромагнитных сил и будет создаваться момент, приложенный на встречу механической энергии, в результате чего якорь генератора будет притормаживаться.

Таким образом, в генераторе постоянного тока, работающем под нагрузкой, действуют оба закона: закон электромагнитных сил, который ухудшает работу машины, и закон ЭМИ, являющийся основным законом, на котором основан принцип действия генератора.

Для того чтобы якорь двигателя постоянного тока начал вращаться, необходимо создать магнитный поток с помощью обмотки возбуждения и подвести к якорю напряжение, тогда по обмотке якоря начнет протекать ток и в машине начнет действовать закон электромагнитных сил, который приведет якорь во вращение.

Как только якорь начнет вращаться, начнет действовать закон ЭМИ и будет создаваться ЭДС, направленная навстречу подводимому напряжению.

Так как в машине постоянного тока независимо от режима работы действуют оба закона, одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором.

Машина постоянного тока обратима, т.е. одна и та же машина может работать в разных режимах, в зависимости от того, какой вид энергии к ней подводится: электрический или механический.

свадебный торт с мастикой

Машины постоянного тока – конструкция, работа, типы и применение

В зависимости от источника поставки электрические машины подразделяются на два типа; Машина переменного тока и машина постоянного тока. Например, двигатели постоянного тока, генератор постоянного тока и т. д.

Содержание

Что такое машина постоянного тока?

Машина постоянного тока представляет собой электромеханическое устройство, которое используется для преобразования электрической энергии в механическую или наоборот.

Машина постоянного тока, используемая для преобразования электрической энергии в механическую, известная как двигатель постоянного тока и машина постоянного тока, используемая для преобразования механической энергии в электрическую, известная как генератор постоянного тока . Одна и та же машина может использоваться как двигатель или генератор. Конструкция одинакова для двигателя постоянного тока и генератора постоянного тока.

Работа машины постоянного тока

Принцип работы и работа машины постоянного тока основаны на эффекте, когда проводник с током скручивается в магнитном поле, магнитное поле создает на нем механическую силу, известную как крутящий момент, который вращает проводник сворачивается в магнитном поле. Направление этого произведенного крутящего момента можно найти по Правило левой руки Флеминга (большой палец — сила). Создаваемая сила может быть рассчитана следующим образом.

F = BIL

Где:

• F = Величина создаваемой силы
• B = плотность потока
• I = ток
• L = длина провода

Конструкция машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из ярма, полюса и полюсного башмака, сердечника якоря, обмотки возбуждения, обмотки якоря, коммутатора, щеток, вала и подшипников. Давайте подробно объясним каждую часть с приложениями.

• Хомут или рама

Хомут также известен как рама. Он закрывает внутренние части машины. Ярмо изготовлено из магнитного материала с низким магнитным сопротивлением, такого как железо и кремнистая сталь. Как правило, ярмо состоит из железа, потому что железо является более экономичным материалом, чем сталь.

Хомут служит для механической защиты машины. Второе применение ярма заключается в том, что оно обеспечивает путь потока с низким сопротивлением. Итак, флюс завершает свой путь через ярмо.

• Палка и башмак для палки

Обмотка возбуждения размещена на полюсе. Когда ток проходит через обмотку возбуждения, он создает электрическое магнитное поле и ведет себя как электромагнит. Полюсные башмаки расширяют поток во всей машине.

Для уменьшения потерь на вихревые токи полюс и полюсные башмаки ламинированы. Для маленькой машины столб ламинировать не надо. Он изготовлен из тонкой литой стали.

Полюс используется для размещения обмотки возбуждения и создания магнитного потока внутри машины. Полюсные башмаки используются для поддержки обмотки возбуждения и предотвращения соскальзывания с полюса.

• Обмотка возбуждения

Обмотка, намотанная на полюс, известна как обмотка возбуждения. Внешний источник постоянного тока или выход машины используется для возбуждения обмотки возбуждения.

Состоит из меди и алюминия. В большинстве случаев обмотка изготовлена ​​из меди, но когда цена имеет значение, используется алюминий.

Когда постоянный ток проходит через катушку, он генерирует электромагнитное поле (ЭМП). И он намагнитит полюс и создаст магнитный поток. Поток, создаваемый полюсом, прямо пропорционален току возбуждения. И потока более чем достаточно, чтобы пересечь воздушный зазор между якорем и опорными башмаками.

• Сердечник арматуры

Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и соединен шпонкой с валом. Итак, это вращающаяся часть машины постоянного тока.

Сердечник якоря состоит из нескольких пазов на внешней периферии. Он состоит из материала с низким сопротивлением и высокой проницаемостью, такого как чугун или литая сталь. Сердечник якоря ламинирован для уменьшения вихревых токов.

На сердечнике якоря предусмотрены отверстия для отвода тепла машины. Прорези якоря используются для размещения обмотки якоря.

• Обмотка якоря

Обмотка якоря размещается на пазах сердечника якоря. Он состоит из меди. Обмотка якоря связана с магнитным потоком и индуцирует вращающийся магнитный поток.

По способу соединения обмотки бывают двух типов; Намотка внахлест и волновая обмотка

• Намотка внахлестку

В нахлестной обмотке проводники якоря разделены на группы по числу полюсов Р. Все группы проводников соединены параллельно и в одной группе все проводники соединены последовательно.

При намотке внахлест количество параллельных дорожек (A) совпадает с количеством полюсов (P). Поэтому при намотке внахлест количество параллельных дорожек больше. И за счет этого он способен отдавать больший ток нагрузки.

Таким образом, круговая обмотка используется для низковольтных сильноточных приложений.

• Волновая обмотка

В волновой обмотке все проводники соединены последовательно и образуют единый контур. Для волновой обмотки, независимо от количества полюсов, количество параллельных путей всегда равно двум.

Таким образом, при волновой намотке имеется меньшее количество параллельных путей по сравнению с намоткой внахлестку. Волновая обмотка используется для высоковольтной машины постоянного тока с малым током.

• Коллектор

Коллектор устанавливается на вал машины. Проводники якоря вращаются. Коммутатор используется для соединения вращающегося проводника якоря со стационарной внешней цепью.

Преобразует переменный крутящий момент, создаваемый якорем, в однонаправленный крутящий момент. Другими словами, он преобразует крутящий момент переменного тока в крутящий момент постоянного тока. Таким образом, он работает аналогично выпрямителю.

Он состоит из нескольких сегментов твердотянутой меди для уменьшения разрыва и деформации. Потому что он соединяет вращающуюся часть с неподвижной частью. Все сегменты изолированы друг от друга тонким слоем слюдяных, бумажных или пластиковых изоляторов.

• Щетки

Коллектор подключил внешнюю цепь через щетки. Щетки используются для отвода тока от проводников якоря.

В большинстве случаев щетки состоят из углерода для небольших машин и электрографитовые щетки для больших машин.

Щетки удерживаются на поверхности коллектора пружинами и имеют прямоугольную форму.

• Вал

Вал для передачи механической энергии. Если машина используется в качестве двигателя постоянного тока, механическая мощность передается от двигателя к нагрузке. А если машина используется в качестве генератора постоянного тока, механическая мощность передается от первичного двигателя к машине.

• Подшипник

Подшипники используются на конце вала. Трение между вращающейся частью и неподвижной частью уменьшается с помощью подшипников.

Подшипник изготовлен из любого твердого материала, такого как углеродистая сталь. В машине постоянного тока используется вал шарового или валкового типа.

Классификация машин постоянного тока

Существуют различные типы машин постоянного тока , такие как последовательные, шунтирующие, короткие шунтирующие соединения и длинные шунтирующие соединения.

По способу возбуждения поля машины постоянного тока классифицируются как;

• Машина постоянного тока с независимым возбуждением
• Машина постоянного тока с самовозбуждением

Машина постоянного тока с независимым возбуждением

В машине этого типа обмотка возбуждения электрически отделена от обмотки якоря. Физической связи между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря нет.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника питания.

Машина постоянного тока с самовозбуждением

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены друг с другом. Рабочие характеристики машины зависят от соединения между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря.

В зависимости от соединения между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря машины постоянного тока классифицируются как;

• Серия Машина постоянного тока для намотки ран
• Машина постоянного тока с шунтирующим ранением
• Машина постоянного тока с комбинированной обмоткой

Машина постоянного тока серии

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Из-за последовательного соединения весь ток нагрузки (ток якоря) будет проходить от обмотки возбуждения. И этот ток высок.

Итак, серийная обмотка возбуждения выполнена с меньшим числом витков толстого провода для уменьшения сопротивления.

Машина постоянного тока с шунтирующей обмоткой

В машине постоянного тока этого типа обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря. Из-за параллельного соединения на обмотку возбуждения подается полное напряжение. Поэтому шунтирующая обмотка конструируется с большим количеством витков с большим сопротивлением.

Ток, протекающий через обмотку возбуждения, очень мал. Он составляет всего 5% от номинального тока якоря.

Машина постоянного тока с комбинированной обмоткой

В этом типе машины постоянного тока используются две обмотки возбуждения. Одна обмотка соединена последовательно, а вторая обмотка параллельно обмотке якоря.

Машина постоянного тока с комбинированной раной также подразделяется на два типа;

• Короткий шунт
• Длинный шунт

Короткий шунт

Если обмотка возбуждения соединена параллельно только с обмоткой якоря, машина называется машиной постоянного тока с короткой шунтирующей обмоткой.

Длинный шунт

Если обмотка возбуждения соединена параллельно с комбинацией последовательной обмотки возбуждения и обмотки якоря, машина называется машиной постоянного тока с составной обмоткой и длинным шунтом.

Применение машин постоянного тока

Использование электроэнергии увеличивается день ото дня. И из-за этого также увеличивается использование электрических машин.

Как правило, машины постоянного тока используются для обеспечения возбуждения генератора переменного тока, а также во многих приложениях, таких как сварочный процесс, приводы двигателей с регулируемой скоростью, электролитические и гальванические процессы.

Небольшие машины постоянного тока используются в качестве управляющего устройства, например, для измерения скорости, позиционирования и отслеживания.

Применение машины постоянного тока в качестве двигателя

Двигатели постоянного тока делятся на три типа; Серийный двигатель, шунтирующий двигатель и комбинированный двигатель.

• Двигатель серии

Серийные двигатели используются в приложениях, где необходим высокий пусковой момент и возможно изменение скорости.

Пример — пылесос, воздушный компрессор, краны, тяговая система и т. д.

• Шунтирующий двигатель

Шунтовой двигатель используется в тех случаях, когда пусковой момент больше не требуется и работает на постоянной скорости.

Пример: конвейер, подъемник, вентиляторы, токарный станок, прядильная машина, центробежный насос и т. д.

• Составной двигатель

Составные двигатели используются в приложениях, где требуется более высокий пуск с постоянной скоростью.

Примеры – прокатные станы, элеваторы, конвейеры, прессы и т. д.

Применение машины постоянного тока в качестве генератора

Генераторы постоянного тока подразделяются на генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, генераторы с параллельной обмоткой и генераторы с последовательной обмоткой.

• Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Этот тип генератора постоянного тока используется для испытаний в лабораториях. Потому что он имеет широкий диапазон входного напряжения. Он также используется в качестве источника питания для двигателя постоянного тока.

• Генератор с параллельным возбуждением

Этот тип генератора используется для зарядки аккумулятора и обеспечения возбуждения генератора переменного тока. Этот тип генератора также используется для целей освещения.

• Генератор с последовательной обмоткой

Генераторы с последовательной обмоткой используются в локомотивах для обеспечения тока возбуждения возбуждения, а также для рекуперативного торможения. В системе распределения электроэнергии он используется в качестве усилителя.

Связанные сообщения об электродвигателях

• Серводвигатель – типы, конструкция, работа, управление и применение
• Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) – конструкция, принцип работы и применение

Шаговый двигатель

• – типы, конструкция, работа и применение
• Пускатель двигателя – типы пускателей и методы пуска двигателя
• Проводка стартера трехфазного двигателя по схеме ЗВЕЗДА/ТРЕУГОЛЬНИК
• Пускатель прямого действия — схема подключения пускателя DOL для двигателей
• Зачем нам устанавливать стартер с двигателем?
• Что такое КПД двигателя и как его повысить?
• Расчет размера кабеля для двигателей LT и HT
• Уравнения напряжения и мощности двигателя постоянного тока
• Привод переменного тока – Работа и типы электрических приводов и ЧРП
• Привод постоянного тока – Работа и типы приводов постоянного тока
• Управление скоростью двигателя постоянного тока – методы контроля напряжения, реостата и потока
• Символы электродвигателей

URL Скопировано

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться как двигатель или генератор. Следовательно, конструкция двигателя постоянного тока такая же, как у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель представляет собой электрическую машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Базовый Принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует механическая сила». Направление этой силы определяется правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется формулой F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы растянем указательный, указательный и большой пальцы левой руки так, чтобы они были перпендикулярны друг другу, а направление магнитного поля представлено указательным пальцем, направление тока будет представлено вторым пальцем, тогда большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация выше помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае на токонесущие проводники якоря действует сила магнитного поля по принципу, изложенному выше.

Коллектор выполнен сегментным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника меняется на противоположное в магнитном поле. Вот как работает двигатель постоянного тока !

Обратное ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы никакое преобразование энергии невозможно, пока этому преобразованию не будет противодействовать. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а в случае двигателей постоянного тока обратная ЭДС .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также пересекают линии магнитного потока и, следовательно, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой ЭДС индукции таково, что она противодействует току якоря (I _a ). Принципиальная схема ниже иллюстрирует направление противо-ЭДС и тока якоря . Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение противо-ЭДС:

Величина противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Предположим, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно уменьшилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за избыточного крутящего момента.