5.3.10. Струм якоря й частота обертання двигуна постійного струму

Під час роботи двигуна його якір обертається в постійному магнітному полі. В обмотці якоря, як і в генераторах, буде індукуватися ЕРС Е, напрям якої можна визначити за правилом правої руки. Ця ЕРС напрямлена проти струму якоря І_я, тому її називають протиелектрорушійною силою (проти - ЕРС) якоря. Вона визначається, як і в генераторах, за формулою:

(2)

Із схеми (рис. 5.40) двигуна одержимо за другим законом Кірхгофа основне рівняння рівноваги напруг двигуна:

(3)

Помноживши ліву і праву частини рівняння (3) на струм І_я, отримаємо рівняння потужностей:

, (4)

із якого видно, що ЕРС зрівноважується тією часткою напруги зовнішнього джерела, яка відповідає механічному навантаженню двигуна. У рівнянні (4)

- потужність, яку двигун споживає з мережі; - потужність затрат в обмотці якоря; - електромагнітна потужність, яка в остаточному результаті перетворюється в механічну потужність на валу двигуна.

Із рівняння (3) значення струму якоря визначається співвідношенням:

. (5)

Розв'язавши разом рівняння (2) і (3) відносно n, одержимо частоту обертання, до якої розганяється двигун постійного струму:

. (6)

Як видно із (6), частота обертання двигунів постійного струму в

основному визначається прикладеною напругою та магнітним потоком Ф.

Спад напруги в обмотці якоря ( ) мало впливає на зміну обертів, тому що відносно U є малою значенням (приблизно 3-5 % від U). Збільшення напруги або зменшення магнітного потоку приводить до підвищення частоти обертання.

Фізично це пояснюється тим, що підвищення або зменшення Ф викликає збільшення різниці (U-Е), це, в свою чергу, приведе до збільшення струму І_я, внаслідок чого збільшиться обертовий момент, а якщо при цьому момент навантаження залишиться незмінним, то частота обертання двигуна збільшиться.

5.3.11. Пуск, зупинка й реверс двигунів постійного струму

У перший момент після вмикання двигуна в мережу, коли якір ще не встиг розкрутитись (n = 0), проти-ЕРС дорівнює нулю. Сила пускового струму обмежується тільки опором кола якоря і може в декілька разів (10-15 разів) перевищувати номінальне значення. Такий великий пусковий струм може пошкодити колектор, щітки і навіть обмотку якоря. Крім того, при такому струмі в двигуні розвивається надмірно великий пусковий момент, який викликає ударну дію на обертові частини й машину загалом, і може призвести до механічного пошкодження. Крім того, цей струм викликає різке падіння напруги в мережі, що негативно впливає на інші споживачі й на саму мережу.

Тому запуск двигуна безпосереднім вмиканням в мережу (безреостатний запуск) переважно проводять для двигунів малої потужності (не більше за 0,7-1,0 кВт). У цих двигунах внаслідок підвищеного опору обмотки якоря і невеликих обертових мас значення пускового струму лише в 3-5 разів перевищує номінальний, що не є небезпечним для двигуна. Що стосується двигунів середньої та великої потужності, то під час їх пуску для обмеження пускового струму послідовно в коло якоря на час пуску вмикається пусковий реостат - R_п .

Пусковий струм становитиме: . (7)

З появою струму в колі якоря І_{п max} виникає пусковий момент М_{п mах} , під дією якого якір починає обертатися. З наростанням частоти обертання n збільшується проти - ЕРС , що веде до зменшення пускового струму й моменту. По мірі розганяння якоря двигуна пусковий опір зменшують, при закінченні пуску двигуна пусковий опір повністю виводиться (R_п = 0). Опір пускового реостата вибирають переважно таким, щоб найбільший пусковий струм не перевищував номінальний більше ніж у 2-3 рази.

Для пуску двигунів великої потужності застосовувати пускові реостати недоцільно, тому що це викличе велику затрату енергії. Крім того, пускові реостати були б дуже громіздкими.

Реверс. Напрям обертання якоря двигуна залежить від напряму магнітного потоку Ф і струму в обмотці якоря І_я: . Тому, змінюючи напрям будь-якої із наведених величин, можна змінити напрям обертання якоря. Необхідно враховувати, що перемикання загальних затискачів на рубильнику не дасть зміни напряму обертання, тому що одночасно змінюються напрям струму якоря і напрям струму збудження.