Назначение коллектора в генераторах постоянного тока

56. Назначение коллектора в машине постоянного тока.

Проводники обмотки якоря, по которым проходит ток, нахо­дясь в магнитном поле, созданном полюсами, испытывают силу, под действием которой они выталкиваются из магнитного поля. Для того чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо опреде­ленную сторону, необходимо, чтобы направление тока в провод­нике изменялось на обратное, как только проводник выйдет из зоны действия одного полюса, пересечет нейтральную линию и войдет в зону действия соседне­го, разноименного полюса. Для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря дви­гателя в момент, когда провод­ники проходят нейтральную ли­нию, служит коллектор.

Назначение коллектора пояс­няется на рис. 316. Проводник, свернутый витком, помещен в магнитное поле. Концы витка припаяны к коллекторным пла­стинам а и б, к которым прижаты щетки, причем к левой щетке подключен плюс сети, к правой — минус сети.

В положе­нии I ток сети попадает на коллекторную пластину а, от нее протекает по верхнему проводнику 1 витка, имея направление «от нас», возвращается по нижнему проводнику 2 витка, проте­кая «к нам» (заднее соединение рамки на схеме не показано), посту­пает на коллекторную пластину б и отсюда через щетку уходит в сеть. Применяя правило «левой руки», находим, что виток будет стремиться повернуться в сторону, противоположную вращению стрелки часов.

В положении II сторона витка I расположилась под другим по­люсом, и направление тока в проводнике изменилось. То же самое случилось со стороной 2 витка. Сейчас под положительной щеткой оказалась коллекторная пластина б, под отрицательной щеткой — пластина а. Применяя правило «левой руки», убеждаемся, что направление вращения витка остается прежним, т. е. против вра­щения стрелки часов.

Следовательно, как только проводник в своем движении пере­секает нейтральную линию, коллекторная пластина, соединенная с этим проводником, выходит из соприкосновения со щеткой, имею­щей одну полярность, и подходит под щетку, обладающую другой полярностью

57. Виды возбуждения в машине постоянного тока.

Все рабочие характеристики двигателя постоянного тока, как и генератора, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга.

Двигатели с параллельным возбуждением.

Здесь обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно. Обмотка возбуждения имеет большее количество витков, чем обмотка якоря, поэтому ток обмотки возбуждения в большинстве случаев составляет несколько процентов от тока якоря. В цепь обмотки возбуждения может включаться регулировочный реостат. В цепь якоря включается пусковой реостат ПР.

Двигатель с независимым возбуждением.

Если обмотку возбуждения подключить к другому источнику постоянного напряжения, то получим двигатель с независимым возбуждением. Такими же свойствами обладают электродвигатели с постоянным магнитом.

Скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением – это зависимость n = f ( Iя ) при U = const и Iе = const, где

Iе — ток возбуждения.

Рис.8.5.4. Скоростная характеристика.

Изменение скорости вращения может происходить за счёт изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малого сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется очень мало. Скорость вращения двигателя определяется формулой:

n = (U – IяRя) / c∙Φ, где

c – коэффициент, зависящий от устройства машины.

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать либо изменением сопротивления в цепи якоря, либо изменением магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и, особенно, случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, т.к. ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что станет опасной для целостности двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением.

У такого двигателя ток якоря является одновременно и током возбуждения, т.к. обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. По этой причине магнитный поток двигателя изменяется с изменением нагрузки. Скорость двигателя :

n =[ U – Iя (Rя + Rв)] / c∙Φ, где

Rя – сопротивление якоря

Rв – сопротивление обмотки возбуждения.

Скоростная характеристика двигателя посл. возбуждения.

На этом графике представлена скоростная характеристика двигателя последовательного возбуждения.

Из этой характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Поэтому такие двигатели не следует пускать вхолостую или с малой нагрузкой. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки. Они используются в качестве тяговых двигателей в трамваях, троллейбусах, метро и электровозах, а также на подъёмных кранах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры).

Двигатель со смешанным возбуждением.

На каждом полюсе такого двигателя имеются две обмотки – параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение). Формулы для скорости вращения и вращающего момента для такого двигателя:

n = (U – Iя ∙ Rя ) / c∙( Φпарал. +/- Φпосл.)

М = c ∙ Iя ∙ (Φпарал. +/- Φпосл.)

Работа якоря и коллектора в генераторе постоянного тока

Динамо схожи с устройствами, производящими переменный ток, в том, что для преобразования механической энергии в электрическую требуются те же компоненты: статор (неподвижная часть) и якорь генератора (вращающийся элемент). Эти же конструктивные элементы применимы также и для создания двигателя постоянного тока. Поэтому из-за полной обратимости без каких-либо изменений такие генераторы называют машинами постоянного тока.

История и эволюция

Динамо были первыми электрическими машинами, способными производить энергию для промышленности, а также тем фундаментом, на базе которого были сконструированы многие другие роторные устройства преобразования механической и электрической мощности, в том числе и электродвигатель. Теория работы электромагнитных генераторов была создана Майклом Фарадеем в 1832 году.

Он же и построил первое устройство, известное как диск Фарадея. Этот прибор создавал невысокое напряжение постоянного тока, для производства которого использовалось вращение медного диска между полюсами подковообразного магнита. Униполярный генератор, созданный Фарадеем в демонстрационных целях, был совершенно непригоден для практического применения, так как обладал двумя серьёзными недостатками:

1. Индуцированный непосредственно в зоне действия магнита ток самозамыкался на остальных участках диска, в связи с чем сгенерированное электричество в основном совершало работу по нагреву вращающегося медного полотна.
2. Напряжение, создаваемое устройством, было крайне низким из-за единичности проводника, проходящего через магнитный поток.

Решить эти проблемы можно было с помощью увеличения количества магнитов по периметру и использования вместо диска катушек с обмотками. Подобная схема стала характерной для всех последующих конструкций динамо-машин. Из дальнейшей истории развития генераторов можно выделить такие даты:

• 1832 г. — французский производитель инструмента Пикси построил первое динамо на основе принципов Фарадея;
• 1860 г. — итальянский профессор физики Пачинотти создал генератор практически современного типа;
• 1866−1867 гг. — независимо друг от друга Уитсон, Сименс и Варли получили патенты на динамо-машины с самовозбуждением;
• 1871 г. — бельгиец Грамм на основе конструкции Пачинотти создал первый коммерческий генератор для промышленности.

Простейшая электрическая машина

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока на витке провода будет производить магнитную силу, заставляющую двигаться электроны в проводнике. Таким образом в катушке создаётся электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, оно служит фундаментом устройства электрических машин. Кратко принципы действия генератора постоянного тока выглядят так:

1. Магнитная сила, приложенная к электронам, создаёт электродвижущую силу, что приводит в движение электроны в цепи.
2. Сила и направление этой ЭДС определяется силой и направлением магнитного поля, а также скоростью подвижной части, которой может быть как проводник, так и магнит.

По сути, все электрические генераторы работают по одному и тому же принципу, независимо от того, производят они переменный или постоянный ток. В обмотках якоря динамо-машин, на самом деле, индуцируется переменный ток, который с помощью коллектора и щёточного узла преобразуется в постоянный.

Работу этого класса устройств удобно рассматривать на примере простейшего генератора, дополнительно оборудованного коммутатором для выпрямления тока. Хорошей иллюстративной моделью для понимания процессов, происходящих в динамо, может быть вращающийся виток проводника прямоугольной формы, помещённый между двумя противоположными полюсами магнита.

При полном обороте такой рамы в ней будет индуцироваться электрический ток, циркулирующий через петлю. Направление его можно определить с помощью правила правой руки Флеминга, гласящего о том, что, если расположить руку так, чтобы в ладонь входил магнитный поток, а отогнутый большой палец направить в сторону движения проводника, то указательный обозначит направление тока. В этом случае для понимания процессов в простейшем генераторе удобно будет выделить четыре положения петли относительно магнита:

• 0° — виток движется параллельно направлению магнитного тока, поэтому никакой разницы потенциалов не индуцируется;
• 90° — разность потенциалов максимальна;
• 180° — виток снова находится параллельно магнитному полю;
• 270° — индуцируется максимальная ЭДС, но в обратном направлении;
• 360° — возвращение в исходную точку.

Форму переменного выходного электрического сигнала можно рассматривать как синусоиду. С помощью коллектора соединение щёток с витком меняется на противоположное каждые полцикла. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора движется в одном направлении.

Обмотки возбуждения

Устройство генератора постоянного тока имеет потенциал применения только в небольших электрических машинах. Прежде всего потому, что для устройств малой мощности допустимо применение постоянных магнитов. В остальных случаях магнитный поток достаточной силы способны создать только соленоиды — катушки с сердечником — или обмотки возбуждения. По типу их питания генераторы можно разделить на следующие классы:

• с независимым возбуждением;
• с самовозбуждением.

Для работы первых необходим вспомогательный источник тока. Это главный недостаток такого типа машин, поэтому их применение ограничено. В генераторах с независимым возбуждением обмотки запитываются от якоря. Электрические машины, устроенные по такой схеме, делятся в свою очередь на три вида:

• шунтовые (с параллельным возбуждением);
• сериесные (с последовательным);
• компаунд-генераторы (с параллельными и последовательными катушками возбуждения).

Современные динамо-машины

Одной из особенностей коллекторных генераторов является ограничение их применения по напряжению. Это связано с необходимостью избегать искрения между щётками и коллектором. Поэтому в некоторых машинах обращение переменного тока в постоянный осуществляется с помощью электронных устройств, например, диодных выпрямителей.

В отличие от простейшей конструкции, в современных генераторах используют барабанные якоря, которые, как правило, состоят из большого числа витков, размещённых в продольных прорезях сердечника и соединённых с соответствующими сегментами кратного коммутатора.

Коллектор из множества сегментов, используемый с барабанным якорем, всегда соединяет внешнюю цепь только с витками провода, движущимися через зону максимальной интенсивности магнитного поля. В результате такой работы ток, генерируемый в обмотках якоря, практически близок к постоянному. Подобные генераторы, как правило, оснащены четырьмя или более электромагнитными полюсами для того, чтобы увеличить размеры и силу магнитного поля.

Большие динамо-машины нашли своё применение в современном мире как компоненты ветряков или гидротурбин, в качестве обращаемой машины на электротранспорте и в тех сферах промышленности, где технологически их использование безальтернативно. Их сравнительно сложное устройство, а также пригодность переменного тока к транспортировке привели к тому, что генераторы постоянного тока с момента изобретения были вытеснены более экономичными асинхронными устройствами.

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

вопрос 4. каково назначение и устройство коллектора электродвигателя постоянного тока.

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо, из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей) , расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Рис. 4 Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый) .

Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором положения щёток относительно статора (снижая ток коммутации) .

При больших токах, в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего, искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь» . Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе) , развиваемые двигателем.

Источник: википедия — элекродвигатель постоянного тока
Остальные ответы

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).