Работа простейшей (одновитковой) машины постоянного тока

1. Работа простейшей (одновитковой) машины постоянного тока. Процесс преобразования переменного тока в постоянный в коллекторной машине.
Работа простейшей (одновитковой) машины постоянного тока
Машина постоянного тока – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую (генератор) или электрическую энергию в механическую (двигатель). Рассмотрим работу простейшей одновитковой машины постоянного тока в режиме генератора.
Конструкция одновитковой машины
Простейшая машина состоит из следующих основных элементов:
1. Якорь – вращающийся элемент, который представляет собой проводник в виде рамки (одного витка), закрепленной на роторе.
2. Коллектор – устройство, состоящее из двух полуцилиндрических пластин, подключенных к концам рамки.
3. Щётки – неподвижные токопроводящие элементы, обеспечивающие электрический контакт с коллектором.
4. Магнитная система – неподвижные магниты (постоянные или электромагниты), создающие магнитное поле, в котором вращается якорь.

Принцип работы
1. Вращение якоря в магнитном поле:
o При вращении рамки в магнитном поле, согласно закону электромагнитной индукции, в проводнике возникает ЭДС (электродвижущая сила), величина и направление которой зависят от положения рамки относительно магнитного поля.
o Направление ЭДС определяется правилом правой руки: если большой палец показывает направление движения проводника, указательный – направление магнитного поля, то средний палец указывает направление индукционного тока.
2. Изменение полярности ЭДС:
o При движении рамки одна её сторона пересекает линии магнитного поля в одном направлении, а противоположная сторона – в обратном. Это вызывает изменение полярности ЭДС в каждом из проводников рамки.
3. Роль коллектора:
o Коллектор в данной системе выполняет функцию механического выпрямителя. При смене полярности ЭДС в рамке коллектор изменяет точки подключения рамки к внешней цепи.
o В результате ток, выходящий через щетки, имеет постоянное направление во внешней цепи, несмотря на переменный характер ЭДС в рамке.
Выходной ток
В одновитковой машине постоянного тока ток на выходе будет пульсирующим, но однонаправленным. Для сглаживания пульсаций на практике применяются машины с многовитковыми обмотками и большим количеством коллекторных пластин.
________________________________________
2. Процесс преобразования переменного тока в постоянный в коллекторной машине
Коллекторная машина постоянного тока обеспечивает преобразование переменного тока, индуцируемого в якорной обмотке, в постоянный ток на выходе. Рассмотрим этот процесс более детально.
Этапы преобразования переменного тока в постоянный
1. Индукция переменной ЭДС:
o При вращении якоря в магнитном поле в его проводниках возникает ЭДС, меняющаяся по величине и направлению в зависимости от угла поворота рамки относительно магнитного поля.
2. Распределение тока в якорной обмотке:
o В каждый момент времени ток через рамку течёт в одном направлении в одной половине рамки и в противоположном – в другой половине.
3. Действие коллектора:
o Коллектор разделяет концы проводников якоря и направляет ток из рамки таким образом, что на выходе (через щётки) ток имеет постоянное направление.
o Каждая пластина коллектора подключена к определённой части рамки. При вращении якоря контакты щёток переключаются на новые пластины, обеспечивая постоянное направление тока во внешней цепи.
4. Форма выходного сигнала:
o На выходе получается пульсирующий постоянный ток, то есть его величина меняется, но направление остаётся неизменным. Для устранения пульсаций могут применяться фильтры (конденсаторы, дроссели).
______________________________________
Заключение
Простейшая одновитковая машина постоянного тока – это пример устройства, которое демонстрирует принцип работы более сложных электрических машин. Основным элементом, обеспечивающим преобразование переменного тока в постоянный, является коллектор. Он позволяет получать постоянный ток во внешней цепи при переменной ЭДС, возникающей в якорной обмотке.
Коллекторные машины широко применяются в технике благодаря своей способности работать как в режиме генерации, так и в режиме двигателя, а также благодаря простоте управления.