Вращение ротора машины объясняется возникновением под влиянием магнитного поля механических сил, действующих на проводники с током обмотки якоря.
Направление механических сил, действующих на проводники, определяется правилом левой руки. Механические силы, действующие на проводники с током в магнитном поле, создают вращающий момент М (поворачивающий ротор).
Этот вращающий момент пропорционален магнитному потоку одного полюса Ф и силе тока I в якоре. Если k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных данных машины, то М = kФI.
При работе электродвигателя его якорь вместе с проводниками обмотки вращается в магнитном поле. При этом проводники обмотки якоря пересекают магнитные линии. Согласно закону электромагнитной индукции в проводниках индуктируется э. д. с.
В соответствии с правилом правой руки индуктируемая в обмотке якоря при работе электродвигателя э. д. с. направлена навстречу току, а следовательно, и навстречу напряжению сети.
Поэтому э. д. с. электродвигателя называют обратной, или противо-э. д. с. — п. э. д. с. Величина п. э. д. с. двигателя определяется той же формулой, что и э. д. с. генератора,
Определим ток в якоре двигателя. Если двигатель питается током от сети, напряжение в которой равно U, и развивается п. э. д. с. Е, а сопротивление якоря двигателя равно rя, то ток в якоре
Обычно в момент пуска последовательно с якорем вводят дополнительное сопротивление — пусковой реостат (рис. 1), уменьшаемое по мере раскручивания двигателя, т. е. по мере увеличения п. э. д. с. Е. На рисунке справа показано условное обозначение реостата, слева цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5 обозначены клеммы. Начальное сопротивление rп пускового реостата выбирают таким, чтобы ток при пуске не превосходил значений, обеспечивающих целость якоря.
При включении пускового реостата ток в момент пуска
При отключении электродвигателя от сети он останавливается не сразу. В течение некоторого времени продолжается по инерции вращение двигателя и движение приводимого механизма. Для некоторых механизмов (грузовая лебедка, брашпиль и т. п.) задержка остановки является опасной. В этом случае, кроме механического торможения, осуществляемого тормозными колодками какого-либо тормоза, применяют также электрическое торможение — особый режим работы двигателя, при котором механические силы, действующие на его обмотки, препятствуют вращению ротора двигателя, т. е. останавливают двигатель.
Электрическое торможение производится:
а) включением реостата в цепь отключенного от сети электродвигателя (реостатное торможение, называемое также динамическим);
б) переменой направления тока в якоре, не отключаемого от сети электродвигателя (торможение обратным током-противотоком);
в) путем возврата двигателем электроэнергии в сеть, когда противоэлектродвижущая сила двигателя, остающегося приключенным к сети, но вращаемого не током, а внешней механической силой (например, весом опускаемого лебедкой груза), становится больше напряжения сети и электродвигатель начинает работать генератором, отдавая ток в сеть.
Реостатное торможение основано на том, что отключенный от сети электродвигатель, продолжая по инерции вращаться, работает в режиме генератора. Поэтому, если мы нагрузим этот генератор, замкнув его обмотку на какое-либо сопротивление, то запасенная в движущихся частях механизма энергия быстро израсходуется в нагрузке генератора, т. е. будет поглощена при нагреве сопротивления (реостата), и двигатель быстро остановится.
Применение торможения противотоком основано на том, что двигатель не отключается от сети, а лишь меняется направление приложенного напряжения сети. Двигатель переходит на режим работы генератора, и запасенная в движущихся частях механизма энергия превращается в тепловую. Для уменьшения величины тока, отдаваемого электродвигателем при торможении, в его цепь включают дополнительное сопротивление.
Особенность торможения с возвратом (рекуперацией) электроэнергии состоит в том, что при таком способе торможения электроэнергия, вырабатываемая двигателем, работающим в режиме генератора, поступает в сеть и может быть использована.
Поэтому такой способ торможения называют иногда полезным торможением.
Применимость того или иного способа торможения для различных типов двигателя будет разъяснена ниже.
В некоторых случаях условия работы приводного механизма требуют регулирования скорости вращения или изменения направления вращения (реверсирования) электродвигателя.
Обратимся к формуле для э. д. с. электродвигателя
При регулировке оборотов изменением напряжения сети для питания электродвигателя необходим специальный генератор с широким диапазоном регулирования напряжения. Такая система регулирования носит название системы генератор-электродвигатель (система Вард-Леонарда) и более подробно будет рассмотрена дальше. Пока отметим, что при этом способе возможна регулировка числа оборотов как вниз, так и вверх от номинальных (т. е. от оборотов, развиваемых электродвигателем при полной нагрузке и обозначаемых на щитке электродвигателя).
Включением в цепь якоря электродвигателя добавочного сопротивления (реостата) можно снизить число оборотов электродвигателя против номинальных. Такой способ регулирования требует громоздких реостатов, рассчитанных на полный ток якоря, и связан со значительными потерями мощности в последних. Эти обстоятельства обусловливают низкую экономичность регулирования оборотов методом добавочного сопротивления в цепи якоря.
Для уменьшения магнитного потока электродвигателя в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат. Вводя в цепь возбуждения необходимое число ступеней реостата, мы понижаем ток возбуждения и уменьшаем магнитный поток; при этом уменьшается противоэлектродвижущая сила, растет ток в якоре и якорь двигателя начинает вращаться быстрее.
Так как величина тока в цепи возбуждения невелика (2—3% от величины тока в якоре), то и регулировочный реостат, необходимый для ее изменения, получается небольшим и дешевым. Кроме того, незначительна и потеря в нем электроэнергии, превращающейся в тепло. Поэтому данный способ регулирования скорости является достаточно экономичным.
Чрезмерно уменьшать ток возбуждения нельзя, так как, с одной стороны, скорость вращения может увеличиться до значений, опасных для механической целости якоря, а с другой, с уменьшением потока уменьшается вращающий момент, развиваемый электродвигателем, и его работа становится неустойчивой.
Для изменения направления вращения электродвигателя надо изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.
При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках, что легко проверить по правилу левой руки, направление вращения не изменится.
Классификация и свойства двигателей постоянного тока
В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения различают двигатели возбуждения:
а) параллельного;
б) последовательного;
в) смешанного.
Свойства электродвигателя определяются взаимными зависимостями ряда величин (скорости вращения, вращающего момента, тока в якоре, тока в обмотке возбуждения и т. д.), которые обычно изображают графически. Основной характеристикой двигателя является механическая, представляющая зависимость числа оборотов двигателя от вращающего момента.
На рис. 2 показана принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения. Обмотка якоря и обмотка возбуждения В рассматриваемого двигателя образуют две параллельные ветви.
Рис. 2. Принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения
В цепь якоря включены пусковой реостат ПР и регулировочный реостат Rрг. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат rш, служащий для изменения тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и магнитного потока Ф.
Сила тока, потребляемая двигателем I, складывается из тока в обмотке якоря Iя и тока в обмотке возбуждения Iв.
В схеме: П — плавкие предохранители; Р — двухполюсный рубильник (выключатель).
Ток обмотки возбуждения определяется по закону Ома:
где rв — сопротивление обмотки возбуждения; rш — сопротивление регулировочного реостата.
Напряжение сети U и сопротивление цепи обмотки возбуждения rв + rш во время работы двигателя не изменяются (если мы во время работы не изменяем сопротивление регулировочного реостата), следовательно, ток Iв остается постоянным.
Постоянство тока обеспечивает постоянство магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения.
Сравнительная независимость магнитного потока от нагрузки является основным свойством двигателя параллельного возбуждения, которым определяются две главные его особенности, а именно:
1) вращающий момент изменяется прямо пропорционально силе тока, так как магнитный поток практически не зависит от тока якоря. Это следует из формулы М = кФI
2) число оборотов двигателя при увеличении нагрузки (момента сопротивления на валу) незначительно падает. Это следует из формулы
Таким образом, скорость вращения ротора двигателя параллельного возбуждения остается при изменениях нагрузки почти постоянной, т. е. двигатель обладает так называемой жесткой характеристикой.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для всех судовых вспомогательных механизмов, где требуется постоянство оборотов (насосы, станки и т. п.).
Для регулирования числа оборотов двигателя в схеме предусмотрены регулировочные реостаты Rрг в цепи якоря и rш в цепи возбуждения. Обычно применяют только регулировочный реостат rш.
Изменение направления вращения у двигателей параллельного возбуждения чаще всего осуществляется изменением направления тока в цепи якоря.
При реостатном торможении и при торможении с возвратом электроэнергии двигателя параллельного возбуждения никаких пересоединений его обмоток не требуется: достаточно по отключении его от сети замкнуть обмотку якоря на сопротивление. Чем меньше это сопротивление, тем скорее двигатель остановится; если допустимо замыкание обмотки якоря накоротко, остановка будет особенно быстрой.
На рис. 3 показана принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения (обозначения в схеме те же, что и на рис. 2).
Рис.3. Принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения
Обмотка возбуждения и обмотка якоря включены в цепь последовательно. По обмотке якоря и по обмотке возбуждения двигателя протекает один и тот же ток I, который определяется формулой
В отличие от двигателя параллельного возбуждения ток в обмотке возбуждения меняется с изменением нагрузки, так как обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно.
Поэтому магнитный поток двигателя последовательного возбуждения меняется при изменении нагрузки.
Этим обстоятельством объясняются все особенности двигателя последовательного возбуждения. Вращающий момент двигателя определяется формулой М = кФI, но в этой формуле Ф — величина не постоянная, а зависящая от тока I.
При малых значениях тока магнитная цепь не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току Ф = k1I. Тогда мы имеем М = kk1I2, т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Здесь k и k1 — коэффициенты пропорциональности.
При больших токах магнитная цепь насыщается и поток при изменении тока изменяется незначительно. Таким образом, при больших токах характеристики двигателя последовательного возбуждения аналогичны характеристикам двигателей параллельного возбуждения. Пусковой момент двигателя (момент при пуске) последовательного возбуждения будет больше пускового момента двигателя параллельного возбуждения, т. е. двигатель последовательного возбуждения возьмет «легче с места» под нагрузкой, чем двигатель параллельного возбуждения.
Обороты двигателя последовательного возбуждения резко уменьшаются с увеличением нагрузки (момента сопротивления на валу). Поэтому механическую характеристику этого двигателя называют мягкой.
При значительном уменьшении нагрузки и вместе с ней магнитного потока Ф двигатель начинает развивать очень большую скорость, или, как говорят, «идет в разнос». Разнос двигателя очень опасен, так как связан с разрушением обмотки якоря и другими механическими повреждениями. Поэтому двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки, т. е. вхолостую. Ременная передача от этих двигателей к приводимым механизмам недопустима, так как обрыв приводного ремня (идущего к механизму) влечет за собой разнос двигателя.
Двигатель последовательного возбуждения, имея хорошие пусковые свойства и мягкую характеристику, находит широкое применение для палубных вспомогательных механизмов (грузоподъемных устройств, шпиля, брашпиля).
Регулирование числа оборотов двигателя последовательного возбуждения осуществляется изменением сопротивления (Rрг на рис. 3), включенного последовательно обмотке якоря, т. е. изменением и тока якоря и тока возбуждения (т. е. потока) или изменением сопротивления, включенного параллельно обмотке возбуждения, т. е. изменением тока возбуждения (изменением потока).
Перемена направления вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется аналогично двигателю параллельного возбуждения обычно изменением направления тока в якоре.
При динамическом торможении обмотки двигателя последовательного возбуждения должны быть переключены. Если не переключить обмотки, то при переходе двигателя в режим генератора направление тока в обмотке якоря должно измениться на обратное первоначальному. В процессе такого изменения тока машина размагничивается, после чего ротор машины ведет себя как простая вращающаяся масса. Чаще вместо переключения обмотки возбуждения ее оставляют подключенной к сети, а якорь замыкают на тормозное сопротивление.
Торможение противотоком двигателей последовательного возбуждения возможно только при переключении внутренних цепей, так
Рис. 4. Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения
Рис. 5. Механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
как при изменении направления тока в якоре такого двигателя изменяется и направление тока возбуждения, следовательно, и потока возбуждения. При одновременном изменении направления тока в проводнике и магнитного потока поля, в котором находится проводник, направление механической силы, действующей на проводник, не изменяется.
Торможение с возвратом энергии возможно только, если обмотку последовательного возбуждения использовать как обмотку параллельного возбуждения.
Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения изображена на рис. 4.
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: одну последовательную Вс, другую параллельную Вш. Пускаются и управляются двигатели смешанного возбуждения при помощи пускового ПР и регулировочного rш реостатов. В этом двигателе совмещаются достоинства двигателей последовательного и параллельного возбуждения.
В зависимости от соотношения числа ампер-витков, создаваемого током в последовательной и параллельной обмотках возбуждения, характеристики этих двигателей приближаются соответственно к характеристикам двигателей последовательного или параллельного возбуждения.
На рис. 5 показаны механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
Коэффициент полезного действия машин постоянного тока
В каждой электрической машине постоянного тока происходят следующие потери энергии:
1) потери, связанные с нагревом током меди обмоток якоря и обмоток возбуждения (тепло Ленца);
2) потери в стали якоря; при вращении якоря в магнитном поле происходят: а) перемагничивание стали якоря, сопровождающееся его нагреванием; б) потери в стали якоря на нагревание, вызванные вихревыми токами;
3) потери, связанные с трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, трением вращающихся частей о воздух и т. д.
Обозначая потерю мощности в меди Рм, потерю мощности в стали Pст, потерю мощности от трения Рт, получим формулу для определения к. п. д. генератора
U — напряжение сети;
I — величина тока, питающего двигатель.
