3.2.2 Режим двигателя

Если к обмотке якоря через щетки и пластины коллектора подвести электрическое напряжение от внешнего источника, ЭМ будет работать в режиме двигателя. Вследствие протекания тока I_a в проводниках обмотки якоря на каждый из них действует сила F_пp и возникает суммарный электромагнитный момент M_эм этих сил, приложенный к якорю ЭМ: M_эм =Bld_aI_a.

При достаточной величине M_эм якорь ЭМ придёт во вращение и будет развивать механическую мощность. Здесь M_эм является движущим и действует в направлении вращения.

Чтобы направление движения якоря осталось тем же, что и в режиме генератора (Г), нужно изменить направление тока I_a в якоре двигателя, т.е. приложить внешнее напряжение нужной полярности. Однако направление ЭДС электромагнитной индукции в проводниках обмотки Е_пр не изменяется (см. рис. 3.1, б)).

Таким образом, в режиме двигателя ЭДС якоря Е_а направлена против тока I_a и, соответственно, против приложенного к зажимам якоря напряжение U_a. Поэтому ЭДС якоря двигателя называют "противо-ЭДС".

Приложенное к якорю двигателя напряжение U_a уравновешивается ЭДС Е_а и падением напряжения на сопротивлении якоря R_a:

U_a = Е_а + I_a·R_a .

Таким образом, в генераторе Е_а > U_a, а в двигателе U_a > Е_а .

3.2.3. Принцип обратимости эм

Из материалов п. 3.2.1. и 3.2.2. следует, что каждая ЭМ постоянного тока (в дальнейшем будет использоваться аббревиатура ЭМ=Т) может работать как в режиме генератора (Г), так и в режиме двигателя (Д). Это свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ и называется обратимостью.

Для перевода ЭМ=Т из режима Г в режим Д и обратно без изменения полярности полюсов и щёток и при неизменном направлении вращения требуется только изменить направления тока якоря.

3.3 Преобразование энергии в ЭМ = Т.

Как гласит первый закон Ньютона (применительно к вращающимся телам), для равномерного (т.е. с постоянной скоростью) вращательного движения тела необходимо, чтобы действующие на это тело движущие и тормозящие моменты уравновешивали друг друга. Поэтому для генератора уравнение баланса моментов записывается как

М_в = М_эм + М_тр + М_с,

где М_в – движущий момент, создаваемый внешним источником механической энергии (первичным двигателем - турбиной, двигателем внутреннего сгорания и т.п.), приложенный к валу Г;

М_эм – электромагнитный момент, создаваемый в якоре при взаимодействии протекающего в его обмотках тока и пронизывающего его магнитного потока (тормозящий);

М_тр – момент сил трения в подшипниках, щеток о коллектор (тормозящий);

М_с – (отражает наличие т.наз. потерь в стали) - тормозящий момент, вызванный потерями на гистерезис и вихревые токи в материале сердечника якоря.

Рисунок 3.3 – Направление ЭДС, токов и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

На рисунке 3.3 схематически показаны направления моментов, скорости вращения, а также приведены электрические схемы включения ЭМ=Т в двигательном и генераторном режимах.

В двигателе соотношение для моментов выглядит иначе:

М_эм = М_в + М_тр + М_с,

где М_в – тормозящий момент, создаваемый рабочей машиной, которая соединена с валом двигателя и приводится им в движение. Остальные величины имеют тот же смысл, что и в уравнении баланса моментов для генератора, однако электромагнитный момент М_эм в случае двигателя является движущим.

Развиваемая электромагнитным моментом механическая мощность называется электромагнитной мощностью:

Р_эм = М_эмω,

где ω = 2πn – угловая скорость вращения.

Поскольку

M_эм =Bld_aI_a ,

то

Р_эм=Bld_aI_a·2πn,

а с учетом взаимосвязи линейной v и круговой n скоростей вращающейся по окружности диаметром d_a точки

v = πd_a n

Р_эм=Bld_aI_a·2πn =2BlI_av.

Поскольку (см. п. 1.2, д) Е_а = 2Вlv, то

Р_эм = Е_аI_a.

В правой части полученного соотношения находится не что иное, как электрическая мощность якоря Р_а= Е_аI_a. Следовательно, внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом. Это и есть смысл процесса преобразования электрической энергии в механическую в двигателе, и наоборот – в генераторе.

Напряжение на зажимах ЭМ=Т в режиме генератора

U_a= Е_а - I_a·R_a.

В режиме двигателя

U_a = Е_а + I_a·R_a .

Умножим эти равенства на I_a:

U_a I_a = Е_аI_a - I_a² R_a (Г);

U_a I_a = Е_аI_a+ I_a² R_a (Д).

Здесь U_aI_a – электрическая мощность на зажимах якоря ЭМ = Т (как в двигательном режиме, так и в генераторном);

Е_аI_a – электромагнитная мощность якоря (в обоих режимах);

I_a²R_a – электрические потери мощности в якоре (в обоих режимах).

Полученные соотношения представляют собой выражение закона сохранения энергии для электромеханических преобразователей. Механическая мощность, подводимая к валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а последняя за вычетом потерь в этой обмотке выдаётся во внешнюю цепь.

В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в механическую мощность, которая, за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря, передаётся рабочей машине.