Коллекторные двигатели

Основные понятия

Коллекторные машины обладают свойством об­ратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбужде­ния и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаи­модействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который яв­ляется не тормозящим, как это имело место в гене­раторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента яко­ря машина начнет вращаться, т. е. машина будет ра­ботать в режиме двигателя, потребляя из сети элек­трическую энергию и преобразуя ее в механичес­кую. В процессе работы двигателя его якорь враща­ется в магнитном поле. В обмотке якоря индуциру­ется ЭДС Е_анаправление которой можно опреде­лить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока I_а и поэтому ее называют противо-электродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 20).

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения,

U = E_a+I_aSr. (29.1)

Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря

(29.2)

Умножив обе части уравнения (29.1) на ток яко­ря 1_а,получим уравнение мощности для цепи якоря:

(29.3)

где UI_a – мощность в цепи обмотки якоря; – мощность электрических потерь в цепи якоря.

Рис.20. Направление противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя

Для выяснения сущности выражения E_aI_aпроделаем следую­щее преобразование:

или

Но, согласно (25.24),

тогда

(29.4)

где – угловая частота вращения якоря; Р_эм – электромагнитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение E_aI_a представляет собой электромаг­нитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение (29.3) с учетом (29.4), получим

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением на­грузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UI_a, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличе­ние нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря I_а.

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждени­ем от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромаг­нитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включе­ния обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС Е_а = с_еФп частота вращения двигателя (об/мин)

n = Е_а/(с_еФ).

Подставив значение Е_аиз (29.1), получим (об/мин)

(29.5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна на­пряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку воз­буждения. Физически это объясняется тем, что повышение на­пряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U - Е_а); это, в свою очередь, ведет к росту тока 1_а. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизмен­ным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля можно изменением либо напряжения U, подводимого к дви­гателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрическо­го сопротивления в цепи якоря Sr.

Направление вращения якоря зависит от направлений магнит­ного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, из­менив направление какой-либо из указанных величин, можно из­менить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изме­нения направления вращения якоря, так как при этом одновремен­но изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой (29.2). Если при­нять U и Sr неизменными, то ток 1_азависит от противо-ЭДС Е_а.Наибольшего значения ток 1_адостигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (п = 0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е_а= 0). Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

I'_a=U/Sr. (29.6)

Обычно сопротивление Sr невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10–20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И, на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7–1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3–5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поста­вить на холостой контакт О (рис. 21). Затем включают рубиль­ник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наиболь­шее сопротивление реостата r_п.р = r₁ + r₂ + r₃ + r₄.

Рис. 21. Схема включения пускового реостата

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пус­ка не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление ши­ны по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренеб­режимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

(29.7)

С появлением тока в цепи якоря I_{п max} возникает пусковой мо­мент М_{п mах}, под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС Е_а = с_еФп, что ведет к уменьшению пускового тока и пуско­вого момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага рео­стата пуск двигателя заканчивается (r_п.р = 0). Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2–3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорциона­лен потоку Ф, то для облегчения пуска двигателя па­раллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения r_рг следует полностью вывести (r_рг = 0). Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при мень­шем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор–двигатель».