Общие теоретические положения:

Устройство электрических двигателей постоянного тока такое же, как генератора. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого главным полюсом. Двигатели постоянного тока в отличии от генератора всегда возбуждаются от питательной сети. В зависимости от способа присоединении цепи возбуждения к цепи якоря их разделяют на двигатели параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

При вращении якоря электродвигателя обмотки его пересекает магнитное поле. Поэтому в ней, по закону электромагнитной индукции, возникает индукцированное ЭДС Е. Напряжение Uд, приложенное к якорю двигателя, должно уравновешивать противо-ЭДС и падение напряжения в обмотке якоря I1× R2. Так как сопротивление обмотки якоря мало , следовательно , мало и падение напряжения в якоре. Поэтому противо-ЭДС почти равна напряжению сети.

В момент пуска частота вращения двигателя равна нулю. В этом случае пусковой ток двигателя Iп=Uд-Е/R1. Ток якоря достигает значения , опасного для целостности обмотки якоря и коллектора. Во избежание этого на время пуска последовательно в цепь якоря двигателя постоянного тока включают пусковой реостат с сопротивлением Rн , тогда в момент включения ток снизится до значения 2Iн .

По мере этого как частота вращения двигателя будет увеличиваться, в обмотке якоря возникает противо-ЭДС и ток якоря Iя= Uд-Е/R2 станет быстро уменьшаться. В этом случае сопротивление пускового реостата будет не только бесполезно, но и вредно, так как уменьшение тока якоря приводит к уменьшению вращающего момента. Поэтому в начале пуска сопротивление пускового реостата должно быть полностью введено. По мере увеличения двигателя сопротивление реостата необходимо плавно выводить, и в конце пуска оно должно быть полностью выведено.

Для быстрейшего увеличения противо-ЭДС в пусковой период необходимо следить за тем, чтобы двигатель получил полное возбуждение, т.е. чтобы в цепи возбуждения не было включено какое либо сопротивление, и во всяком случае не допускает обрыва или выключения обмотки возбуждения.

Противо-ЭДС зависит от частоты вращения двигателя и магнитного потока ф. Эта зависимость выражается формулой E=Ce×Фп , где Се – постоянная машины, откуда Uд=IяRя+Сe×n×Ф

n=(U1-I1R2/)CeФ.

Из последнего выражения следует, что частоты вращения двигателя постоянного тока можно регулировать тремя способами:

1. Изменяя напряжение, подводимое к двигателю;

2. изменяя общее сопротивление цепи якоря при помощи добавочного резистора сопротивлением, включенного последовательно с обмоткой якоря; в этом случае частота вращения двигателя определяется по формуле n=U-Iя(Rя+Rд)/CеФ.

3. Изменяя магнитный поток ф (ток возбуждения Iв ) при помощи регулировочного реостата Rр, включенного в цепь возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателя обычно производится изменением тока возбуждения, так как он связан с меньшими потерями энергии (ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери в регулировочном реостате пропорциональны квадрату тока).

Для изменения направления вращения якоря нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения или в обмотке якоря, что достигается переменой местами проводов, подходящих к соответствующим зажимам двигателя.

Взаимодействие тока проводников якоря и магнитного поля двигателя вызывает появление вращающего момента М=СмIяФ, где См – постоянная машины, под влиянием которого якорь приходит во вращение. Наибольшего значения вращающий момент М при заданном токе цепи якоря Iя достигает при максимальном магнитном потоке Ф, который обеспечивается выведением регулировочного реостата Rр.

Полезная мощность P2, развиваемая на валу двигателя, вращающий момент М и угловая скорость вращения w связаны соотношением P2 = Mw=2pnM/60°. Угловая скорость w (рад/с) и частота вращения n(мин^-1) легко выражается друг через друга:w=2pn/60. Тогда P2=2pnM/60.

Тормозной момент двигателя можно изменить при помощи тормозного устройства. С увеличением тормозного момента Мтор на валу момент вращения М автоматически увеличивается за счет роста тока Iя до тех пор, пока при определенном n не наступает равенство тормозного момента и момента вращения. Таким образом , каждой нагрузке соответствует определенная частота вращения.

Коэффициент полезного действия двигателя можно определить по формуле h=P2/P1, где P1=UI – мощность, потребляемая двигателем от источника постоянного тока, работающего при напряжении U и токе I.

Свойства двигателя постоянного тока параллельного возбуждения характеризуется механической характеристикой n=f(M)(рис.12.1,а) и рабочими характеристиками n, M, Iя, h=f(P2) (рис.12.1,б), которые получают при напряжении U=Uном=const и токе возбуждения Iв=const.

n n

M M

Рис.12.1,а Рис. 12.1,б

Характерным свойством двигателя c параллельным возбуждением является почти постоянная частота вращения при изменении нагрузки на его валу. Учитывая небольшое изменение частоты вращения, говорят, что двигатель параллельного возбуждения имеет “жесткие” механическую n=f(М) и рабочую n=f(P2) характеристики.

У двигателя последовательного возбуждения обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам, одинаков. Вращающийся момент двигателя можно считать пропорциональным квадрату тока якоря М=сIя² , где с – коэффициент пропорциональности. Квадратичная зависимость момента вращения от тока в обмотке якоря приводит к увеличению момента вращения двигателя с последовательным возбуждением с нагрузкой (рис.12.2,б). У двигателя с параллельным возбуждением момент вращения пропорционален первой степени тока. Поэтому при одинаковом пусковом токе и при прочих равных условиях двигатель с последовательным возбуждением разовьет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением.

Частота вращения двигателя с последовательным возбуждением с нагрузкой резко меняется(рис.12.2,а), так как вместе с изменением тока якоря меняется магнитный поток полюсов.

Рис.12.2,а Рис.12.2,б

Нагруженный двигатель, потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую скорость. Резко выраженная зависимость частоты вращения n двигателя последовательного возбуждения от нагрузки составляет одно из его наиболее отличительных свойств. Такую частотную характеристику часто называют мягкой. Если нагрузку на валу двигателя с последовательным возбуждением сильно уменьшить или снять полностью, то частота вращения двигателя возрастает до недопустимо большого значения, опасного для механической прочности двигателя. Поэтому работа двигателя с последовательным возбуждением вхолостую или при малой нагрузке недопустима.

Для двигателя последовательного возбуждения на рис.12.2 показана механическая характеристика n=f(M) и рабочие характеристики n=f(P2).