ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Первый электродвигатель постоянного тока, получивший практическое применение, был сконструирован в 1834 г, русским академиком Б. С. Якоби.

Если любую из рассмотренных нами электрических машин постоянного тока разобщить с приводившим ее в движение первичным двигателем и подключить к источнику постоянного тока, то электрическая машина постоянного тока начнет вращаться, работая как электродвигатель. В этом нетрудно убедиться
на примере простейшей электрической машины постоянного тока, имеющей вид рамки, выведенной на пару коллекторных пластин (рис. 223).

Рис. 223. Использование
простейшего генератора по-
стоянного тока;в качестве
электродвигателя

Из § 37 нам уже известно, что на стороны рамки с током действуют силы, направление которых определяется по правилу левой руки. Образовавшаяся при этом пара сил F₁ и F₂ будет стремиться повернуть рамку против часовой стрелки в положение, при котором ограниченный ею контур пронизывается наибольшим магнитным потоком. Такому положению рамки соответствует ее нахождение в нейтральной плоскости. В момент нахождения рамки в центральной плоскости действие сил F₁ и F₂ уравновешивается, но по инерции рамка выходит из нее и стороны, оказываются под действием полюсов изменившейся полярности. Если бы направление тока в сторонах рамки осталось неизменным, то направление сил F₁ и F₂ изменилось бы на обратное и рамка начала бы двигаться в обратную сторону. Однако благодаря коллектору переход рамки через нейтраль сопровождается одновременным изменением направления тока в ее сторонах, поэтому направление действия пары сил остается прежним.

Сказанное в отношении рамки относится ко .всем секциям, якоря, машины. Усилия, приложенные к ’отдельными секциям, складываются и обеспечивают
получение на балу машины значительной механической мощности. Следовательно, электрический двигатель превращает электрическую энергию в механическую. Способность генератора работать в качестве электродвигателя или, наоборот, электродвигателя в качестве генератора называется обратимостью
электрических машин.

Обратимость машин, постоянного тока приводит к тому, что электродвигатель постоянного тока имеет все те же части, что и генератор, т. е. станину, главные и дополнительные полюсы, якорь, коллектор, щетки со щеткодержателями и вспомогательные части.

Тем не менее по конструкции электродвигатели могут значительно отличаться от генераторов. Это вызвано тем, что электродвигатели в ряде случаев должны быть приспособлены для работы в атмосферных или других особых условиях или же предназначены для установки в том или ином положении, составляя одно целое
с соответствующими механизмами.

Возьмем, например, двигатель для электропривода централизованных стрелок. Он подвержен воздействию влаги, пыли и температурных изменений, поэтому такой электродвигатель изготовляют закрытого типа (рис. 224). Кроме того, вал электродвигателя должен иметь два свободных конца: один для размещения шестеренки, связывающей его с приводом, а другой для насадки рукоятки на
случай ручного перевода стрелки.

Несмотря на конструктивные особенности, каждый электродвигатель сохраняет обратимость и может быть переведен в генераторный режим.

ПРОИВОДВИЖУЩАЯ СИЛА И ТОК, ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Все электрические двигатели как потребители энергии выгодно отличаются от других типов двигателей своей способностью без каких-либо дополнительных приспособлений изменять потребление энергии в зависимости от нагрузки. Роль регулятора потребления тока в электродвигателе играет возникающая при его работе противо- э, д. с. E. Эта э, д. с. является следствием пересечения обмотки якоря магнитными силовыми линиями и действует навстречу напряжению как причине, вызвавшей вращение якоря. Следовательно, напряжение источника расходуется в электродвигателе на преодоление противо- э. д. с. и сопротивления обмотки
якоря:

U = Е + I_яR_я.

Отсюда, можно определить' потребляемый якорем ток

I_яR_я= U -Е, или I_я= (U –Е)/ R_я.

Из последнего выражения видно, что ток в якбре зависит от величины противо- э. д. с. Е, которая в свою очередь зависит от числа оборотов электродвигателя (как и у генератора Е = с·n·Ф), или, иначе, от нагрузки на валу якоря.

При отсутствии нагрузки число оборотов электродвигателя и соответственно противо- з. д. с. имеют наибольшую величину, поэтому ток потребляется наименьший. С ростом; нагрузки число, оборотов и противо- э. д. с. уменьшаются, а ток увеличивается. Наибольший ток электродвигатель потребляет при трогании с места, когда якорь неподвижен. В этот момент число оборотов равно нулю, противо- э. д. с. не индуктируется и ток в якоре, определяемый выражением

I_я=U / R_я.

будет во много раз больше номинального.

Особенно велики пусковые токи у электродвигателей большой мощности, так как сопротивление обмотки якоря — десятые или сотые доли ома. Большие пусковые токи приводят к порче коллектора, опасны. Для целости обмоток якоря и, создавая большое падение напряжения в сети, влияют на работу других потребителей. Для
ограничения пусковых токов в цепь якоря включают пусковой реостат. По мере увеличения скорости вращения электродвигателя, т. е. с возрастанием, его противо- э. д. с., пусковой реостат выводят. Пусковыми реостатами пользуются, обычно для электродвигателей мощностью более 0,25 кВт.

У электродвигателей для перевода, централизованных стрелок (мощность 0,1 кВт) ограничение пусковых токов производят за счет повышения внутреннего сопротивления. Это приводит к увеличению потерь электроэнергии, но в делом эти потери незначительны, так как такие электродвигатели работают, в течение коротких промежутков - времени перевода стрелок.

Опасное состояние для электродвигателя — затормаживание якоря. В этом случае протийо- э. д. с. отсутствует и ток равен пусковому, но с той разницей, что протекает длительное время. При этом электродвигатель может выйти из строя. Поэтому в электроприводах для централизованных стрелок связь между электродвигателем и остряками стрелки осуществляется через особое фрикционное
сцепление, которое позволяет вращаться якорю электродвигателя
даже при заклиниваний остряков стрелки. При этом электродвигатель потребляет повышенный, но, не опасный для его обмоток ток.

В большинстве случаев электродвигатели защищаются, от перегрузок плавкими предохранителями, которые подбирают так, чтобы они при кратковременных пусковых токах не перегорали, или же включают. Тепловые реле, отключающие электродвигатель при длительной перегрузке.

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ И ЧИСЛО ОБОРОТОВ ЭЛЕКТР ОДВИГАТЕЛЯ

В зависимости от величины и характера нагрузки электродвигатель должен развивать определенный вращающий момент и число оборотов. Вращающее усилие создается в электродвигателе парой сил, которая представляет собой результат действия магнитного поля полюсов на все проводники якоря (рис. 225)
и оценивается величиной так называемого вращающего момента, равного произведению силы на плечо

M=F·D,

где М — вращающий момент;

F — величина силы, образующей пару сил;

D — диаметр якоря (плечо пары сил).

Если учесть при этом, что, сила, действующая со стороны магнитного поля на проводники якоря, пропорциональна магнитному потоку полюсов, Ф и току, якоря I_я и что диаметр якоря - величина, постоянная, то можно выразить вращающий момент в следующем виде:

где k учитывает постоянные для данного двигателя величины, от которых зависит величина, вращающего момента.

Таким образом, вращающий момент электродвигателя пропорционален магнитному потоку полюсов и току якоря. Очевидно, что всякий электродвигатель развивает наибольший момент при пуске (пусковой момент), так как при этом по обмотке якоря протекает наибольший , ток.

Вращающий момент электродвигателя должен преодолевать, противодействие, которое оказывают силы трения вращающихся частей электродвигателя и нагрузка на его валу. Эти противодействующие силы создают так называемый тормозной момент М_Т, направленный против вращающего момента.

Вращение электродвигателя с установившейся скоростью означает, что его вращающий момент равен тормозному

M=M_Т .

При увеличении, нагрузки тормозной момент станет больше вращающего, поэтому скорость электродвигателя будет снижаться. Но это уменьшение скорости происходит только до тех пор, пока вызванное им увеличение тока якоря не станет достаточным для создания вращающего момента, уравновешивающего тормоз пой момент.

Аналогично протекает процесс и при уменьшении нагрузки, но в этом случае вращающий момент становится больше тормозного, вследствие чего скорость электродвигателя возрастает.

Далее определим, от каких величин зависит число оборотов электродвигателя. Мы знаем, что число оборотов отражается на величине противо- э. д. с., поэтому для их определения можно пользоваться выражением

Е = с·n·Ф,

откуда

n= Е/с·Ф,

а так как

U = Е + I_я·R_я или Е =U - I_я·R_я,

то

n=(U- I_я·R_я)/с·Ф.

Таким образом, число оборотов почти прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально магнитному потоку. Падение напряжения мало влияет на число оборотов, так как сопротивление якоря R_я незначительно.

Число оборотов электродвигателя, можно регулировать тремя различными способами: изменением напряжения питающей сети, изменением сопротивления в цепи, якоря и изменением величины магнитного потока полюсов. Наиболее экономичным и удобным способом регулирования числа оборотов является изменение магнитного потока полюсов.

В заключение отметим, что в электродвигателях, как и в генераторах, имеют место явления реакции якоря и процесс коммутации. Однако в электродвигателях нейтральная линия смещается не по направлению вращения, а против, поэтому и щетки в них при отсутствии дополнительных полюсов следует смещать против направления вращения.

ТИПЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
И ИХ СВОЙСТВА

В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с якорем, электродвигатели бывают с параллельным возбуждением (шунтовые), с последовательным возбуждением (сериесные) и со смешанным возбуждением (компаундные).

Схема электродвигателя с параллельным возбуждением приведена на рис. 226, а. Она отличается от схемы подобного же генератора наличием , пускового реостата. Обмотка возбуждения включается через дугу реостата и всегда получает полное напряжение сети. Параллельное подключение обмотки возбуждения приводит к тому, что ток возбуждения не зависит, от тока в цепи якоря, т. е, от нагрузки на вал электродвигателя, В результате магнитный поток электродвигателя с параллельным возбуждением имеет постоянную величину.

Из формулы M=k·Ф·I_к следует, что в электродвигателе с параллельным возбуждением рост вращающего момента при увеличении нагрузки происходит только за; счет увеличения, тока якоря I_я (Ф остается постоянным). Поэтому если, электродвигатель окажется перегруженным, то понадобится большой ток, чтобы электродвигатель, смог, развить вращающий момент, равный-тормозному. Отсюда следует, что электродвигатель с параллельным, возбуждением не может выдерживать, сильные перегрузки.

Пропорциональная зависимость между вращающим моментом и током нагрузки электродвигателя с параллельным возбуждением отражается графически характеристикой вращающего момента (рис, 226/б).

Формула для числа .оборотов

n=(U- I_я·R_я)/с·Ф.

показывает, что при постоянстве магнитного потока число оборотов при изменении нагрузки будет изменяться очень мало.

Действительно, с ростом нагрузки обороты уменьшайся только за счет увеличения падения напряжения которое имеет незначительную величину. Число оборотов у электродвигателя с параллельным возбуждением уменьшается при полной нагрузке всего лишь на 3÷5%.

Скоростная характеристика такого электродвигателя (рис. 226, в) называется жёсткой, так как отражает малое изменение числа оборотов. Число оборотов электродвигателя с параллельным возбуждением. при увеличении нагрузки снижается так, чтобы возросший ток обеспечил, равновесие между вращающим и тормозным
моментами.

Если требуется регулировать число оборотов, то для этого с помощью, регулировочного реостата изменяют ток возбуждения.

Следует учесть, что при сильном уменьшении магнитного потока электродвигатель может развить очень большое число оборотов.

Особенно опасен для электродвигателя с параллельным возбуждением обрыв обмотки возбуждения. При этом поток падает до, потока остаточного магнетизма и электродвигатель идет вразнос (если он не нагружен или нагружен, но мало), т. е. развивает очень большое число оборотов, при котором может наступить нарушение, механической целости, электродвигателя. Большое числе оборотов при ничтожно малом потоке физически объясняется тем, что электродвигатель стремится развить противо- э. д. с. E=сnФ, уравновешивающую приложенное к якорю напряжение (чем меньше Ф, тем большим должно быть n).

Электродвигатели с параллельным возбуждением применяют в тех случаях, когда при переменной нагрузке требуется постоянство числа оборотов и возможность их плавного регулирования. Электродвигатель с последовательным возбуждением (рис. 227, а) отличается тем, что по его обмотке возбуждения протекает ток якоря. Вследствие этого при изменении нагрузки пропорционально току якоря изменяется магнитный поток, т. е.

Ф=k₁·I_я,

где k₁ — коэффициент пропорциональности, ^:

Подставляя это значение, потока в выражение для вращающего момента, получим

M=k·Ф·I_к= k·k₁·I_я·I_к= k₂·I_я².

где k₂= k·k_{1 -} постоянное число.

Таким образом, в электродвигателе с последовательным возбуждением вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря. Благодаря этому электродвигатель с последовательным возбуждением может развивать большие вращающие моменты при сравнительно небольшом потреблении тока. Особенно большим получается пусковой момент, так как при пуске электродвигатель потребляет
большой ток и соответственно будет иметь большой магнитный поток. Электродвигатели с последовательным возбуждением способны выдерживать, большие перегрузки. Это очень ценно для электрической тяги, поэтому на электровозах, тепловозах, трамваях и т. д. применяют электродвигатели с последовательным возбуждением.

Для перевода централизованных стрелок также используются электродвигатели с последовательным возбуждением, так как при переводе стрелок механическое сопротивление остряков может стать весьма значительным (примерзание, попадание :на стрелку посторонних предметов и т. д), не соответствующим номинальной мощности электродвигателя. При другом типе электродвигателя для этого понадобился бы большой запас мощности. .

В устройствах связи электродвигатели с последовательным возбуждением широко используются в телеграфной аппаратуре (см. § 94). ,

Характеристика вращающего момента для двигателя с последовательным возбуждением показана; на рис. 227, б. Следует иметь в виду, что при очень больших нагрузках электродвигателя с последовательным возбуждением, когда начинает сказываться магнитное насыщение, рост магнитного потока с увеличением тока якоря замедляется и вращающий момент становится почти пропорциональным току, а не квадрату тока якоря.

Непостоянство магнитного потока электродвигателя с последовательным возбуждением отражается и на скоростной характеристике (рис. 227, в). Из нее видно, что с изменением тока якоря, т. е. нагрузки, число оборотов резко изменяется. Такая характеристика называется м я г к о й. Резкое изменение числа оборотов подтверждается формулой

n=(U- I_я·R_я)/с·Ф.

При увеличении нагрузки возрастает падение напряжения в якоре и увеличивается магнитный поток, поэтому число оборотов электродвигателя резко падает. Электродвигатель с последовательным возбуждением нельзя пускать вхолостую, так как при этом магнитный поток будет, очень мал и электродвигатель пойдет вразнос.

Регулирование скорости электродвигателей с последовательным возбуждением производится реостатом, включаемым параллельно обмотке возбуждения (шунтирование обмотки возбуждения). При этом ток якоря частично ответвляется в реостат и величина тока в обмотке возбуждения уменьшается. А связанное с.этим уменьшение магнитного потока возбуждения приводит к увеличению числа оборотов электродвигателя. Последовательное включение регулировочного реостата в цепь якоря было бы неэкономичным.

В схеме электродвигателя со смешанным возбуждением (рис. 228) параллельная и последовательная обмотки включены обычно согласованно. Свойства такого электродвигателя являются промежуточными между свойствами электродвигателя с параллельным и последовательным возбуждением. При этом они могут быть ближе к
тому, или другому в зависимости от того, какая из обмоток играет главную роль. Электродвигатель со смешанным возбуждением в отличие от электродвигателя с последовательным возбуждением может работать и вхолостую без опасности разноса, так как ограничивающий скорость магнитный поток сохраняется в этом случае за счет потока параллельной обмотки. Регулирований скорости электродвигателей со смешанным возбуждением производится изменением тока возбуждения в цепи, параллельной обмотки.

РЕВЕРСИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

В ряде случаев требуется изменять направление вращения электродвигателя. Этот процесс называется реверсированием. Для того чтобы электродвигатель вращался в обратную сторону нужно изменить направление тока в обмотке якоря или в обмотке
возбуждения. При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках электродвигатель продолжает вращаться в прежнем направлении, поэтому если поменять местами питающие провода на зажимах электродвигателя, то направление вращения не изменится.

При управлении электродвигателями с параллельным возбуждением реверсирование производится обычно переключением на обмотке якоря, так как изменение направления тока в обмотке возбуждения, обладающей большой индуктивностью, может привести к значительным э. д. с. самоиндукции, опасным для целости изоляции.

В электродвигателях с последовательным возбуждением реверсирование производят и изменением направления магнитного потока. Так, например, в электродвигателе стрелочного привода для этого предусмотрены, две самостоятельные обмотки, возбуждения (рис.229) которые работают раздельно и дают магнитные потоки разного направления.

Если на зажимы электродвигателя постоянного тока будет подано переменное напряжение, то вследствие одновременного изменения направления тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения электродвигатель будет вращаться, как и при постоянном токе. Это дает возможность использовать коллекторные электродвигатели для переменного тока. Электродвигатели, предназначенные для работы как от по-
стоянного, так и от переменного тока, называются универсальными электродвигателями.

Необходимость в таких электродвигателях (с последовательным возбуждением) возникает, например, в буквопечатающих телеграфных аппаратах.

К. П. Д. ГЕНЕРАТОРОВ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.
ОХЛАЖДЕНИЕ II УХОД ЗА МАШИНАМИ ПОСТОЯННОГО ГОКА

Процесс преобразования энергии в генераторах и электродвигателях постоянного тока сопровождается потерями энергии. К этим, потерям относятся потери в меди (на нагрев обмоток якоря и полюсов), потери в стали (на гистерезис и вихревые токи) и потери на трение (якоря в подшипниках, якоря о воздух, коллектора о щетки).

Вследствие потерь в генераторе затраченная механическая мощность Р_мех больше, полученной электрической Р_эл на величину мощности потерь в генераторе Р_пот, поэтому к; п. д. генератора,

η= Р_эл / Р_мех = Р_эл / (Р_эл +Р_пот).

Электрическая мощность генератора определяется по известной
формуле мощности Р_эл=U·I. Для определения потерь в генераторе, существуют специальные формулы. В электродвигателях полученная механическая мощность меньше затраченной электрической на величину мощности потерь, поэтому к._: п. д.. электродвигателя

η_эд= Р_мех/ Р_эл =(Р_эл -Р_пот) / Р_эл.

Наибольший к. п. д. генераторы и электродвигатели дают при нагрузке близкой к номинальной. Если машина недогружена, то полезная мощность мала, а ряд потерь (на трение и в стали) остается почти неизменным, поэтому потери составляют уже более значительную часть общей мощности и к. п. д. уменьшается. При перегрузке резко возрастают потери в меди, а также в стали и на трение, что ведет к снижению к, п. д.

К п. д. машин постоянного тока находится в пределах от 70 до 95%. Увеличение к. п. д, машин играет важную роль, так как уменьшается расход энергии. Так, например, повышение к. п. д. электродвигателя для перевода централизованных стрелок ведет к уменьшению потребной емкости, аккумуляторов, дает экономию кабеля и позволяет увеличить дальность управления стрелками.

В процессе работы электрическая машина нагревается. Допустимая температура нагрева в отдельных машинах доходит до 95°С. Для удлинения срока службы изоляций обмоток нужно, чтобы машина хорошо охлаждалась. Этому способствует вентилятор на валу машины. Перегрузка машин увеличивает их нагрев и сокращает, срок службы.

Для нормальной работы машин постоянного тока требуется тщательный уход за ними. Уход касается, прежде всего, таких элементов, как щетки, коллектор и подшипники. Нужно следить, чтобы щетки находились в правильном положении и плотно прилегали коллектору. В противном случае машина будет искрить. При слишком сильном нажатии щетки будут сильно изнашиваться. Износившиеся щетки нужно заменять. При этом новые щетки притирают к коллектору, закладывая между щеткой и коллектором стеклянную бумагу, обращенную рабочей поверхностью к щеткам. Коллектор нужно очищать от угольной или графитной пыли сухой или слегка смоченной, в бензине ветошью. В результате искрения поверхность коллектора может потускнеть и покрыться пятнами. При этом коллектор полируют специальной деревянной колодкой, на которой закрёплена бумага. Подшипники машины должны быть всегда смазаны, Периодически смазку удаляют и после промывки подшипников бензином заполняют их новой смазкой.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

1. Чем обеспечивается получение постоянного тока от генератора?

2. Из каких основных частей состоит генератор постоянного тока?

3. Каких видов бывают обмотки якоря?

4. В чем состоит явление реакции якоря и каковы меры борьбы с ней?

5. Что называется коммутацией и как ее улучшить?

6. Какие бывают виды возбуждения генераторов?

7. Как происходит самовозбуждение генераторов?

8. Как отражается на свойствах генераторов способ возбуждения?

9. В чем заключается обратимость электрических машин?

10. Какова роль противо- э. д. с. в электрических двигателях?

II. От чего зависит вращающий момент и число оборотов электродвигателей?

12. Каковы свойства электродвигателя с параллельным возбуждением?

13. Каковы свойства электродвигателя с последовательным возбуждением?

14. Для чего делают у электродвигателей смешанное возбуждение?

15. Как осуществляют реверсирование электродвигателей?