Статьи
Двигатели постоянного тока. Классификация и свойства двигателей постоянного тока
05.12.2017
Если в обмотке якоря и обмотке возбуждения машины постоянного тока пропускать постоянный ток, то машина придет во вращение, т. е. будет работать как двигатель.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).
Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.
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.
Как работают двигатели постоянного и переменного тока (русские субтитры)
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, Обратная э. д. с. уравновешивает напряжение, приложенное к зажимам двигателя, следовательно, мощность, расходуемая на преобразование электрической энергии в механическую, равна произведению обратной э. д. с. на силу тока, т. е. Р = ЕI. 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 Так как сопротивление rя обмотки очень мало, а при пуске якорь еще не вращается и Е = 0, то ток при пуске двигателя Iя = U / rя может достигать чрезмерно больших значений, угрожающих целости якоря. 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 Сопротивление пускового реостата обычно выбирают таким, чтобы ток в момент пуска был равен 2,5—3 Iн, где Iн — ток в двигателе при полной нагрузке. 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 Из этой формулы следует, что число оборотов электродвигателя зависит от напряжения питающей сети, сопротивления в цепи якоря и величины магнитного потока электродвигателя.Эта зависимость определяет три возможных способа регулировки скорости вращения 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