1.7.4 Электрические двигатели постоянного тока

Электрические машины, служащие для преобразования элек­трической энергии постоянного тока в механическую энергию вра­щательного движения, называются электродвигателями постоян­ного тока.

Первый электродвигатель постоянного тока был изобретен в 1834 г. русским академиком Б. С. Якоби.

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на выталкивании проводника с током из магнитного поля. По сво­ему устройству двигатель постоянного тока ничем не отличается от генератора постоянного тока. Он имеет все те же элементы кон­струкции, что и генератор.

Коллектор в двигателе служит для изменения направления тока в витках обмотки якоря и обеспечения тем самым непрерыв­ного вращения якоря. Благодаря коллектору ток в проводниках обмотки якоря, находящихся под северным полюсом, всегда имеет одно, направление, а в проводниках, находящихся под южным.по­люсом, — противоположное. Этим обеспечивается вращение якоря в определенную сторону.

Произведение общей силы, действующей на обмотку якоря при работе двигателя, на радиус якоря называется вращающим мо­ментом двигателя. Вращающий момент двигателя постоянного тока М_вр' тем больше, чем больший ток /_я протекает по обмотке якоря и чем больший магнитный поток Ф_я создается током обмот­ки возбуждения, находящейся на полюсах:

Для изменения направления вращения якоря двигателя надо изменить направление сил, действующих на проводники обмотки якоря. Это достигается изменением направления тока в обмотке якоря или направления магнитного потока Ф (т. е. направления тока в обмотке возбуждения). При одновременном изменении на­правления тока и в якоре и в обмотке возбуждения якорь будет вращаться в прежнюю сторону. Следовательно, невозможно, по­меняв полярность подключения к сети, изменить направление вра­щения двигателя, у которого обмотки якоря и возбуждения соеди­нены внутри его корпуса и выведены на две клеммы.

Так как при вращении якоря двигателя его обмотки пересе­кает магнитное поле полюсов, то в ней наводится электродвижу­щая сила. Эта ЭДС направлена навстречу току в проводниках обмотки и называется противоэлектродвижущей силой. Следова­тельно, величина тока, протекающего по обмотке якоря, будет за­висеть не только от величины приложенного к ней напряжения и сопротивления Rn, но и от величины наводимой в этой обмотке противо-ЭДС:

Чем больше частота вращения якоря двигателя, тем больше противо-ЭДС и тем меньше ток, потребляемый обмоткой якоря.

При пуске двигателя его якорь неподвижен и противоэлектродвижущая сила равна нулю. В якоре протекает самый большой по величине ток, который в десять и более раз превышает нормальный рабочий ток двигателя. Поэтому для уменьшения тока, потребляемого двигателем, ­ рабочий ток двигателя. Поэтому для уменьшения тока, потребляемого двигателем, на время пуска последовательно с об­моткой якоря включается сопротивление пускового реостата R_n (рис. 1.37).

Частоту вращения двигателей постоянного тока можно регу­лировать одним из следующих способов:

а) изменением напряжения сети;

б) изменением падения напряжения в цепи обмотки якоря ре­остатом, включаемым последовательно с обмоткой якоря;

в) изменением магнитного потока полюсов реостатом R_p, включаемым последовательно с обмоткой возбуждения.

Наибольшее применение нашел третий способ, позволяющий экономично в широких пределах изменять частоту вращения дви­гателя. Возможность плавного, удобного и экономичного регули­рования частоты вращения является важным преимуществом дви­гателей постоянного тока перед двигателями переменного тока.

В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения двигателя с обмоткой якоря различают три типа двигателей по­стоянного тока: двигатели с параллельным возбуждением, двига­тели с последовательным возбуждением и двигатели со смешан­ным возбуждением.

Обмотка возбуждения двигателя с параллельным возбужде­нием (рис. 1.37, а) подсоединяется параллельно к обмотке якоря.

Поскольку обмотка возбуждения подключена к зажимам сети, то независимо от тока в обмотке якоря по обмотке возбуждения протекает постоянный по величине ток, создавая почти постоян­ный магнитный поток. Поэтому частота вращения двигателя мало зависит от изменений нагрузки на валу, что является большим его достоинством. Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением применяются в тех случаях, где требуется в широ­ких пределах регулировать частоту вращения, а также там, где необходимо, чтобы при всех изменениях нагрузки частота враще­ния механизма оставалась практически постоянной.

В двигателе с последовательным возбуждением обмотка воз­буждения соединена с обмоткой якоря последовательно (рис. 1.37,6). Так как в таком двигателе и по обмотке якоря, и по обмотке возбуждения протекает один и тот же ток, то его магнит­ный поток изменяется почти пропорционально току в обмотке якоря.

В момент пуска двигателя по обмотке якоря протекает самый большой по величине ток. Этот ток создает в двигателе наиболь­ший магнитный поток, и пусковой момент двигателя в десятки раз превосходит нормальный рабочий вращающий момент. Боль­шой пусковой момент является основным достоинством двигателя с последовательным возбуждением. Он позволяет использовать такие двигатели в тех случаях, когда необходимо брать с места большую нагрузку, например в качестве стартеров двигателей станций электропитания РЛС.

Недостатком двигателя с последовательным возбуждением яв­ляется то, что его частота вращения очень сильно зависит от на­грузки. При холостом ходе двигателя он потребляет наименьший ток, создавая очень малый магнитный поток полюсов. При этом за счет резкого уменьшения противоэлектродвижущей силы происходит скачкообразное увеличение тока в якоре, вращающего момента, а значит, и частоты вращения. Частота вращения может настолько возрасти, что станет опасной для механической проч­ности двигателя (двигатель может пойти «вразнос»). Поэтому двигатели с последовательным возбуждением устанавливаются на таких объектах, где исключена возможность их работы вхолостую.

В двигателе со смешанным возбуждением (рис. 1.37, б) одна обмотка возбуждения подключается к обмотке якоря параллель­но, а другая — последовательно. Обмотки включены так, что их магнитные потоки складываются, причем одна обмотка является основной и создает около 75% общего магнитного потока, а дру­гая — вспомогательной. Если основной обмоткой является парал­лельная, то двигатель по своим свойствам приближается к дви­гателю с параллельным возбуждением, но за счет небольшой по­следовательной обмотки имеет больший пусковой вращающий мо­мент.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроен двигатель с короткозамкнутым ротором?

2. Объяснить принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым контуром?

3. Как устроен генератор трёхфазного переменного тока?

4. Объяснить принцип работы генератора постоянного тока.

5. Каким образом можно изменить направление вращения якоря электродвигателя постоянного тока? Как можно изменять частоту вращения?

6. В каких случаях на практике применяются электродвига­тели с параллельным и последовательным возбуждением.