ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Электрические машины.

 Электрические машины разделяются на генераторы и электродвигатели. Принцип действия генераторов основан на возникновении ЭДС при относительном перемещении проводника в перпендикулярном ему магнитном поле. Двигатели основаны на возникновении силы, действующей на проводник с током, находящимся в поперечном магнитном поле. Оба принципа действия основаны на одном фундаментальном свойстве возникновения силы, действующей на свободные заряды (электроны) в проводнике, находящемся в электрическом или магнитном поле.

  (3.1).

В случае генератора проводник движется со скоростью  в поперечном магнитном поле, на электроны проводника действует сила , направленная вдоль проводника, на одном конце проводника возникает избыток электронов на другом недостаток, возникает продольное электрическое поле , тормозящее движение электронов с силой . При равенстве этих сил  на концах проводника длиной общ возникает ЭДС  (2). Иногда эту ЭДС трактуют как проявления закона электромагнитной индукции , где изменение магнитного потока трактуется как пересечение проводником магнитного поля со скоростью . На самом деле второе объяснение является следствием преобразования Лоренца для электромагнитного поля в инерциальных системах отсчета, двигающихся относительно друг друга со скоростью .  (3.2).

 В случае двигателя формула (3.1) работает непосредственно, где скорость  есть токовая скорость электронов,   где n – концентрация электронов, S – площадь поперечного сечения проводника. Полная сила , что соответствует закону Ампера.

3. 1. Электрические машины постоянного тока.

3.1.1. Устройство машины постоянного тока.

  Машина состоит из неподвижной части статора и вращающейся части – якоря (ротора) (риc.3.1). Статор – кольцевой сплошной магнитопровод (станина), на внутренней стороне которого расположена одна или несколько пар магнитных полюсов из стальных пластин и намотанные на них обмотки возбуждения. В машинах малой мощности иногда обмотки возбуждения отсутствуют, а статор представляет собой постоянный магнит с полюсами. В машинах большой мощности для уменьшения искрения на коллекторе якоря между главными полюсами устанавливают дополнительные полюса.

Устройство машины постоянного тока

Рис.3.1. Устройство электрической машины постоянного тока.

 l-коллектор: 2-щетки; 3-сердечиик якоря; 4 -сердечник главного полюса; 5 - полюсная катушка; 6 - станина; 7 – подшипниковый щит; 8 - вентилятор; 9- обмотка якоря.

Якорь сердечника состоит из сердечника с пазами, в которых уложена обмотка коллектора, и вала. Сердечник набирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5мм, покрытых изолирующим лаком.

 Обмотка якоря состоит из секций в виде многовитковой рамки с током. Концы секций прикрепляются к медным пластинам коллектора, укрепленных на изоляторе, сидящем на валу, как и сердечник якоря. К коллектору подсоединяется внешняя цепь с помощью неподвижных меднографитовых щеток, укрепленных в щеткодержателях и прижимаемых к коллектору с помощью пружин.

  Вал коллектора закрепляется в боковых крышках статора с помощью подшипников, так что между полюсами статора и вращающимся сердечником якоря имеется равномерный зазор порядка или меньше 1 мм.

3.1.2. Режим – генератора.

 Рассмотрим односекционную обмотку якоря при работе в режиме генератора. Якорь вращается внешним устройством (двигатель внутреннего сгорания, паровая, газовая, гидравлическая или ветряная турбина) так что проводники имеют тангенциальную скорость  (рис.3.2). В результате на отпайке секции на паре коллекторных пластин возникает ЭДС , где  - общая длина продольной части обмотки секции. Эта ЭДС снимается с помощью щеток и подается в внешнюю цепь с нагрузкой RH.

Односекционная обмотка якоря при работе в режиме генератора

Рис. 3.2. Односекционная обмотка якоря при работе в режиме генератора.

При замыкании внешней цепи в нагрузке протекает ток , где Ri – внутреннее сопротивление обмотки секции. Как только в обмотке возникает ток, т.е. движение электронов, на обмотку начинает действовать тормозящая сила . Для преодоления этой силы от механического приводного двигателя требуется мощность , т.е. равная вырабатываемой электрической мощности.

  Реальная мощность двигателя за счет трения должна быть больше. За счет этих механических потерь, электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в сердечнике якоря на гистерезис и вихревые токи КПД генератора снижается до 80-95%, причем более высокий КПД соответствует машинам большей мощности.

 Кроме тормозящей силы ток в якоре создает дополнительное магнитное поле перпендикулярное магнитному полю обмотки возбуждения, что сдвигает результирующее поле для генераторов по ходу вращения, для двигателей – против вращения. Это явление называют реакцией якоря и требует сдвига плоскости щеток на коллекторе, что при изменении нагрузки невозможно. Кроме того, под полюсным наконечником магнитное поле становится неоднородным, усиливающимся в сторону вращения и ослабляющим с другой стороны. Это также приводит к дополнительному искрению на коллекторе.

 Для борьбы с реакцией якоря в мощных машинах в продольные пазы полюсов укладывают проводники, последовательно соединенные с якорем, создающие магнитное поле, противоположное магнитному полю якоря.

3.1.3. Режим двигателя.

Рассмотрим работу секции якоря в режиме двигателя (рис.3.3). При подключении коллектора к источнику напряжения в секции протекает ток  и возникает вращающая сила . Из-за малого сопротивления обмотки секции Ri ток в момент пуска большая (и большая сила) и при отсутствии вращения (заклинивание двигателя) обмотка якоря может сгореть. Однако при вращении якоря в нем возникает противо ЭДС . Ток в якоре существенно уменьшается . При этом , а скорость вращения  и при постоянном магнитном поле В мало зависит от нагрузки.

Односекционная обмотка якоря при работе в режиме двигателя

Рис. 3.3. Односекционная обмотка якоря при работе в режиме двигателя.

 Если скорость вращения принудительно увеличить, например, при съезде транспорта с горки, так что , то ток в якоре изменит направление, двигатель перейдет в режим генератора и будет отдавать мощность во внешнюю цепь. При этом механическая сила  станет тормозящей (рекуперативное торможение).

3.1.4. Внешние характеристики генераторов и двигателей.

  Внешними характеристиками генератора является зависимость напряжения генерации от нагрузочного тока. Для двигателя – это зависимость числа оборотов двигателя от крутящего момента.

 Внешние характеристики зависят от типа подключения обмотки возбуждения (рис.3.4):

Независимое возбуждение, когда обмотка возбуждения подключается от независимого источника питания, либо используются постоянные магниты.

Параллельное возбуждение, когда обмотка возбуждения подключена параллельно якорю (шунтовое возбуждение).

Последовательное возбуждение – при последовательном подключении обмотки возбуждения и якоря (сериесное возбуждение).

 Смешанное (компаундное) возбуждение, когда часть обмотки возбуждения подключена последовательно, а часть параллельно якорю.

Смешанное встречное, когда основным является параллельное возбуждение, а последовательная часть катушки возбуждения создает противоположный магнитный поток.

Внешние характеристики при разных подключениях обмотки возбуждения

Рис.3.4. Внешние характеристики при разных подключениях обмотки возбуждения:

а) генератора; б) двигателя.

 Для генератора важно независимость напряжения от нагрузки, поэтому чаще всего применяют смешанное (компаундное) возбуждение. Встречное возбуждение применяется в сварочных генераторах, когда ограничивается ток короткого замыкания.

 Для двигателей при требовании постоянства числа оборотов применяют параллельное возбуждение, а при требовании преодоления больших нагрузок (транспорт) применяют последовательное или смешанное возбуждение.

  Общим недостатком электрических машин постоянного тока является искрение и износ коллектора. Преимуществом является легкая регулировка напряжения генератора и числа оборотов двигателя изменением тока в слаботочной обмотке возбуждения.

Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах