§ 35. Общие сведения о двигателях постоянного тока
Принцип действия. Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме двигателя. Действие двигателя основано на явлении взаимодействия проводника, по которому течет ток, с магнитным полем. Подключим обмотки якоря и возбуждения машины постоянного тока к сети с постоянным напряжением U (рис. 154, а). В этих обмотках появятся токи 1Я и Iв, причем ток возбуждения создаст магнитный поток Ф. Проводники обмотки якоря с током Iя будут взаимодействовать с магнитным потоком Ф. В результате этого появятся электромагнитные силы F, создающие вращающий момент М, и якорь начнет вращаться. Направление сил F определяют по правилу левой руки.
Электромагнитный момент М прямо пропорционален току Iя обмотки якоря и магнитному потоку Ф полюсов, т. е. М = СМ ЯФ, где См — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины.
Электрическая машина постоянного тока может быть использована как генератор или двигатель в зависимости от того, какую энергию (механическую или электрическую) к ней подводят. При вращении якоря двигателя в его обмотке индуцируется э. д. с. Е = СФn. Пользуясь правилом правой руки, легко установить, что э. д. с. в обмотке якоря двигателя направлена навстречу току, а следовательно, навстречу напряжению источника U. Поэтому ток в обмотке якоря Iя =(U — Е)r, где rя — сопротивление обмотки якоря.
При постоянной нагрузке тормозной момент на валу уравновешивается вращающим моментом и двигатель имеет постоянную частоту вращения. С увеличением нагрузки, т. е. тормозного момента, частота вращения двигателя начнет падать. В результате этого будет снижаться противо-э. д. с. Е и увеличиваться ток в обмотке якоря до тех пор, пока вращающий момент не станет равным тормозному. После этого до нового изменения нагрузки установится равномерное движение якоря двигателя.
Рис. 154. Электродвигатель постоянного тока (а) и схема его включения (б)
Рис. 155. Направление вращения электродвигателя
Пуск в ход и направление вращения двигателя. В момент пуска якорь двигателя находится в покое и противо-э. д. с. в нем не возникает. В результате этого по обмотке якоря течет ток, который в 10—15 раз больше номинального тока двигателя. Такой большой ток может повредить двигатель и резко снизить напряжение питающей сети. Поэтому пусковой ток двигателя снижают. Для уменьшения пускового тока последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат (рис. 154, 6). Если сопротивление этого реостата максимально, то пусковой ток Iя = U|(rя + R) ограничивается до значения, равного (1,5-:-2)Iн (номинального тока двигателя). По мере нарастания частоты вращения сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают и доводят до нуля, когда двигатель разовьет полную скорость (противо-э. д. с. будет максимальной).
Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное включение. Направление вращения якоря двигателя определяют по правилу левой руки. Допустим, что якорь вращается против часовой стрелки (рис. 155, а). Если изменить направление тока в обмотке якоря (рис. 155, б) или обмотке возбуждения (рис. 155, в), то направление вращения двигателя изменится на противоположное. При одновременном изменении направления тока в обмотке якоря и обмотке возбуждения (рис. 155, г) направление вращения двигателя останется прежним.
Рис. 156. Схемы включения регулировочного реостата
При синусоидальном напряжении на зажимах коллекторного двигателя смена полярности приведет к одновременному изменению направления тока в обмотке возбуждения и обмотке якоря. Поэтому за оба полупериода вращающий момент двигателя будет направлен в одну сторону. Таким образом, один и тот же коллекторный двигатель может работать от постоянного и от переменного тока.
Регулирование частоты вращения двигателей. Противо-э. д. с. в обмотке якоря электродвигателя Е - СФп, а ток 1н = (U - Е)/rя.
Следовательно, частота вращения якоря двигателя п = Е/(СФ) — (U — IЯrи)/(СФ), т. е. частоту вращения двигателей можно регулировать изменением: напряжения U, подводимого к двигателю; сопротивления rя (реостатом в цепи якоря); магнитного потока Ф (реостатом в цепи возбуждения).
Наибольшее распространение получили более простые способы изменения магнитного потока. В первом случае регулировочный реостат R включают последовательно с обмоткой возбуждения ОВ (рис. 156, а), а во втором — параллельно ей (рис. 156, б).
Увеличение сопротивления регулировочного реостата в первом случае влечет за собой уменьшение магнитного потока Ф и увеличение частоты вращения, а во втором — увеличение магнитного потока и уменьшение частоты вращения. Для того чтобы после включения двигателя частота вращения была наименьшей, необходимо до включения рубильника установить сопротивление регулировочного реостата на нуль в первом случае и на максимум — во втором.