Принцип дії (На прикладі двигуна паралельного збудження). Якщо до двигуна підведено напругу U, то ланцюга збудження протікає струм I в, а ланцюга якоря – струм I я. Струм збудження створює МДС F = I в W в, яка збуджує в машині магнітний потік Ф в. Струм якоря, своєю чергою, створює магнітний потік реакції якоря Ф я. Результуючий магнітний потік Ф рез = Ф + Ф я.
Рис.1.23 Мал. 1.24
У ланцюзі якоря струм I я створює падіння напруги R я I я. Відповідно до закону електромагнітної сили ЕМС при взаємодії струму I і магнітного потоку Ф рез створюється крутний момент М вр. У режимі М вр. = М пр. Коли провідники якоря перетинають магнітне поле Ф рез, у них відповідно до закону електромагнітної індукції ЕМІ наводиться ЕРС, яка спрямована проти напруги мережі U.
Класифікація двигунів. За схемою включення обмоток збудження головних полюсів двигуни постійного струмуділяться на двигуни незалежного, паралельного, послідовного та змішаного збудження.
У двигунах незалежного збудження обмотка збудження живиться від окремого джерела постійної напруги. У двигунах паралельного збудження обмотка збудження та обмотка якоря включені паралельно та живляться від одного джерела. У двигунах послідовного та змішаного збудження є обмотка збудження, включена послідовно з обмоткою якоря. У двигунах малої потужності потік збудження може бути створений за допомогою постійних магнітів. Найбільше застосування знаходять двигуни паралельного та змішаного збудження.
Основні рівняння та величини, що характеризують двигуни. Такими величинами є: механічна потужністьна валу Р 2, напруга U, струм, що споживається з мережі I, струм якоря I я, струм збудження I в, частота обертання n, електромагнітний момент М ем. Залежність між цими величинами описується:
Ø рівнянням електромагнітного моменту:
М ем = С м I я Ф;
Ø рівнянням електричного стануланцюги якоря:
U = Е пр + R I I I; (1.4)
Е пр = З E nФ;
Ø рівнянням моментів:
М ем = М с + М піт + М д,
де М с – момент опору на валу, створюваний навантаженням; М піт - момент втрат, створюваний усіма видами втрат у двигуні; М д - динамічний момент, що створюється інерційними силами;
Характеристики двигунів Найважливішою з характеристик є механічна n (Мс) - залежність частоти обертання n від моменту на валу (далі індекс "с" опускається) при U = const, I = const. Вона показує вплив механічного навантаження (моменту) на валу двигуна на частоту обертання, що особливо важливо знати під час виборів та експлуатації двигунів. Інші характеристики двигунів: регулювальна n (I в), швидкісна n (I я), робітники М, Р 1, n, I, h (Р 2) - тут докладно не розглядаються.
Механічні характеристики можуть бути природними та штучними. Під природнимихарактеристиками розуміються характеристики, зняті за відсутності у схемі будь-яких додаткових опорів, наприклад, реостатів у ланцюгах якоря чи збудження, штучними- За наявності таких опорів.
Рівняння механічногохарактеристики двигуна Воно може бути отримано (1.1). Підставимо замість Е її значення (1.4), тоді
n = (U - R я I я) / С Е Ф. (1.5)
Замінюючи I я його значенням (1.2), отримуємо рівняння механічної характеристики:
n = 
(1.6)
Вид механічної характеристики визначається характером залежності потоку від навантаження двигуна, що залежить від схеми включення обмотки збудження.
Реверсування двигуна. Під реверсуванням двигуна розуміють зміну напрямку обертання якоря. Можливі способи реверсування випливають із співвідношення (1.2). Якщо змінити напрям струму якоря або потоку машини, то знак, а отже, і напрямок моменту, що обертає, змінюється. Практично це досягається перемиканням висновків чи обмотки якоря, чи обмотки збудження. Однак одночасне перемикання висновків обох обмоток або зміна полярності напруги живлення (крім двигуна незалежного збудження) до зміни знака обертаючого моменту і, отже, до зміни напрямку обертання не призводить.
Пуск у хід двигунівпостійного струму. До пуску двигунів пред'являються дві основні вимоги: забезпечити необхідний для торкання з місця та розгону якоря крутний момент і не допустити при пуску протікання через якір надмірно великого струму, небезпечний для двигуна. Практично можливі три способи пуску: прямий пуск, пуск при включенні реостата в ланцюг якоря і пуск зниженій напрузів ланцюзі якоря.
При прямому пуску ланцюг якоря включається відразу на повну напругу. Так як в перший момент пуску якір нерухомий (n = 0), то проти-ЕРС відсутня (Е пр = С Е nФ). Тоді (1.4) слід, що пусковий струм якоря I я,п = U/R я.
Так як R я = 0,02 1,10 Ом, то I я, п = (50 100) I ном, що неприпустимо. Тому прямий пуск можливий тільки у двигунів малої потужності, де I я,п (46) I ном і розгін двигуна триває менше 1 с.
Пуск при включенні пускового реостата R п послідовно з якорем розглянемо з прикладу схеми рис. 1.25. Пусковий струм у разі дорівнює:
I я,п = U/(R я + R п). (1.7)
Опір R п = U/ I я,п - R я вибирають таким, щоб у початковий момент пуску, коли Е пр = 0, I я,п = (1,4 2,5) I ном (більше число відноситься до двигунів меншої потужності).
У міру розгону якоря зростає Е пр, яка знижує напругу на якорі (тобто зменшується чисельник (1.7)), а опір реостату R п виводиться.
Перед пуском реостат R р виводиться, що необхідно забезпечення максимального потоку і, отже, моменту при пуску (М п = С м I я,п Ф). У міру розгону якоря реостат R р вводиться до досягнення необхідної частоти обертання.
Пуск з обмеженим пусковим струмом можливий при живленні якоря двигуна від окремого джерела (генератора, випрямляча) з регульованою напругою. Обмеження пускового струмуі плавний розгін двигуна забезпечуються поступовим підвищенням напруги якорі від нуля до необхідного значення.
Розглянутий метод знаходить застосування у системах управління та регулювання потужних двигунів постійного струму (див. п.1.14.3).
§ 115. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГУНІВ ПОСТОЯННОГО СТРУМУ
Робочі властивості двигунів визначаються їх робочими характеристиками, що становлять залежності кількості обертів т, крутного моменту Ме, споживаного струму I, потужності Р1 і к. п. д. від корисної потужності на валу Р2- Ці залежності відповідають природним умовам роботи двигуна, т. е. машина не регулюється і напруга мережі залишається постійною. Так
як при зміні корисної потужності Р2 (тобто навантаження на валу) змінюється також і струм у якорі
машини, то робочі характеристики часто будуються залежно від струму якоря. Залежності моменту, що обертає, і швидкості обертання від струму в якорі для двигуна паралельного збудження зображені на рис. 152 а схема сто показана вище (див. рис. 151).
Число оборотів двигуна визначається наступним виразом:
>Зі збільшенням навантаження на валу двигуна збільшується як і струм у якорі. Це викликає збільшення падіння напруги» опорі обмотки якоря та щіткових контактах.
Так як струм збудження залишається постійним (машина нерегульована), то магнітний потік також незмінний. Однак при збільшенні струму в якорі збільшується дію потоку реакції якоря, що розмагнічує, і магнітний потік Ф дещо зменшиться. Збільшення Iяrя викликає зменшення швидкості двигуна, а зменшення Ф збільшує швидкість. Зазвичай падіння напруги впливає зміну швидкості в дещо більшою мірою, ніж реакція якоря, отже зі збільшенням струму якорі швидкість зменшується. Зміна швидкості у двигуна цього типу незначна і не перевищує 5% при зміні навантаження від нуля до номінальної, тобто двигуни паралельного збудження мають жорстку швидкісну характеристику.
При постійному магнітному потоці залежність моменту від струму в якорі представиться прямою лінією. Але під впливом
Обертальний момент двигуна реакції якоря зі збільшенням навантаження відбувається деяке зменшення магнітного потоку і залежність моменту піде трохи нижче прямої лінії.
Схема двигуна послідовного збудження показано на рис. 153. Пусковий реостат цього двигуна має тільки два затискачі, так як обмотка збудження і якір утворюють один послідовний ланцюг. Характеристики двигуна зображені на рис. 154. Число оборотів двигуна послідовного збудження визначається наступним виразом:
де rс - опір послідовної обмотки збудження. У двигуні послідовного збудження магнітний потік не залишається постійним, а різко змінюється зі зміною навантаження, що спричиняє значну зміну швидкості. Так як відмінки напруги в опорі якоря і в обмотці збудження дуже мало в порівнянні з прикладеною напругою, то число оборотів можна наближено визначити наступним виразом:
Якщо знехтувати насиченням сталі, можна вважати магнітний потік пропорційним струму в обмотці збудження, який дорівнює струму в якорі. Отже, у двигуна послідовного збудження швидкість обертання обернено пропорційна струму в якорі і кількість обертів різко зменшується зі збільшенням навантаження, тобто двигун має м'яку швидкісну характеристику. Зі зменшенням навантаження швидкість обертання двигуна збільшується. При неодруженому ході(Iя = 0) швидкість двигуна безмежно зростає, тобто двигун йде в рознесення.
Таким чином, характерною властивістю двигунів послідовного збудження є неприпустимість скидання навантаження, тобто роботи вхолосту або при малих навантаженнях. Двигун має мінімальне припустиме навантаження, що становить 25-30% номінальної. При навантаженні менше мінімально допустимої швидкість двигуна різко збільшується, що може спричинити його руйнування. Тому, коли можливі скидання або різке зменшення навантаження, використання двигунів послідовного збудження є неприпустимим.
У двигунах дуже малих потужностей скидання навантаження не викликає рознесення, тому що механічні втрати двигуна будуть досить великим навантаженням для нього.
Обертовий момент двигуна послідовного збудження, враховуючи пропорційну залежність між магнітним потоком і струмом в якорі (Ф = С"Iя), можна визначити наступним виразом:
де K'=KC'
тобто. крутний момент пропорційний квадрату струму. Однак при великих струмах дається взнаки насичення сталі і залежність моменту наближається до прямої лінії. Таким чином двигуни цього типу розвивають великі моменти, що обертають при малих оборотах, що має істотне значення при пуску великих інерційних мас і перевантаженнях. Ці двигуни широко використовують у транспортних та підйомних пристроях.
При змішаному збудженні можливе як приголосне, так і зустрічне включення обмоток збудження.
Двигуни із зустрічним включенням обмоток не знайшли широкого застосування, так як вони мають погані пускові властивості і працюють нестійко.
Швидкісні характеристики двигунів змішаного збудження займають проміжне положення між характеристиками двигунів паралельного та послідовного збудження.
Зі збільшенням струму в якорі число оборотів якоря зменшується більшою мірою, ніж для двигунів паралельного збудження, за рахунок збільшення магнітного потоку, що викликається збільшенням струму в послідовній обмотці збудження. При неодруженому ході двигун змішаного збудження не йде врознос, оскільки магнітний потік не зменшується до нуля через наявність паралельної обмотки збудження.
При збільшенні навантаження в двигунах змішаного збудження збільшується магнітний потік і крутний момент зростає більшою мірою, ніж у двигунах паралельного збудження, але меншою мірою, ніж у двигунах послідовного збудження.
1. Влаштування машин постійного струму.
Машини постійного струму, які можуть працювати як в режимі двигуна, так і генератора, мають ряд переваг. При пуску двигуна створюється великий момент пуску. Тому такі двигуни іроко застосовуються як тягові на електротранспорті. Широкі межі та плавність регулювання швидкості визначають застосування двигунів постійного струму в різноманітних системах автоматичного керування.
Генератори постійного струму використовуються для живлення різних силових агрегатів (зокрема, високоякісних зварювальних апаратів) Потужності машин постійного струму найрізноманітніші:
від кількох ватів до десятків кіловат. На транспорті використовуються двигуни з напругою 550 В та потужністю 40 - 45 КВт (трамваї), з напругою 1500 В та потужністю до 12000 КВт (електровози). ККД у машинах постійного струму тим вищий, чим більша потужність. За потужності до 100 Вт ККД = 62%, за потужності до 100 КВт ККД досягає 91%. Недоліком машин постійного струму є наявність щітково-колекторного вузла, який є одним із найненадійніших вузлів машини. Розглянемо пристрій найпростішої машини постійного струму:
1 - полюси, як правило являють собою котушку з сердечником,
2 - якір (або ротор) - частина, що обертається,
3 - провідники у пазах якоря.
Нерухома частина, де укріплені полюси, називається статором чи індуктором. Індуктор служить для створення основного магнітного полямашини. ГН - геометрична нейтраль, лінія, що проходить посередині між суміжними полюсами.
Найважливішою конструктивною особливістю машин постійного струму є наявність щітково-колекторного вузла: 1 – щітка, 2 – пластина колектора. До пластин колектора підходять висновки окремих секцій якірної обмотки. Щітково-колекторний вузол здійснює:
Ковзний контакт між нерухомими зовнішніми висновками і секціями якірної обмотки, що обертаються,
Випрямлення струму в режимі генератора,
Перетворення постійного струму на змінний (інвертування) в режимі двигуна.
Машини постійного струму, як і багато інших електричних машин, є оборотними, тобто. одна й та сама машина може працювати як генератором, так і двигуном.
2. Принцип дії генератора та двигуна.
У режимі генератора якір машини обертається під впливом зовнішнього моменту. Між полюсами статора є постійний магнітний потік, що пронизує якір. Провідники обмотки якоря рухаються в магнітному полі і, отже, в них індукується ЕРС, напрямок якої можна визначити за правилом "правої руки". При цьому на одній щітці виникає позитивний потенціал щодо другої. Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то в ній піде струм. Після повороту якоря деякий кут щітки виявляться з'єднаними з іншого парою пластин, тобто. підключаються до іншого витку якірної обмотки, ЕРС в якому матиме той самий напрямок. Таким чином, генератор виробляє
електричний струм, і напрямок цього струму, що протікає через навантаження, не змінюється.
При підключенні навантаження до генератора та з появою струму якоря, на валу виникає електромагнітний момент, спрямований проти напрямку обертання якоря. У режимі двигуна на затискачі машини подається постійна напруга, і якорною обмоткою йде струм. Провідники якірної обмотки перебувають у магнітному полі машини, створеному струмом збудження і, отже, ними, відповідно до закону
Ампера, діятимуть сили. Сукупність цих сил створює крутний момент, під дією якого якір буде обертатися. При обертанні якоря в його обмотці наводиться ЕРС, яка спрямована назустріч струму, тому для двигунів вона називається проти-ЕРС.
3. Рівняння ЕРС якоря та крутного моменту.
Розглянемо один із провідників у пазу якоря. Нехай він рухається (при обертанні якоря) з лінійною швидкістю V, тоді в цьому провіднику наводиться ЕРС:
Е = В ср l я V sin 
,
де = 90 , lя - довжина активної частини якоря, Ср - середня індукція магнітного поля в зазорі.
Нехай 2а – число паралельних гілок. Оскільки ЕРС дорівнює ЕРС однієї гілки, то можемо записати:
де Е я – шукана ЕРС якоря, N – число всіх провідників якоря.
де Ф - магнітний потік одного полюса, а S - площа, що пронизується цим потоком, то
тут р – число пар полюсів (р = 1,2, ...).
Швидкість V можна виразити через частоту обертання якоря n:
Підставляючи отримані вирази у формулу для Е я:
то остаточно отримуємо:
Е я = З Е Ф n.
Видно, що ЕРС якоря пропорційна частоті обертання якоря та магнітному потоку полюсів. Використовуючи закон Ампера, знайдемо силу, з якою поле збудження діє однією провідник якоря:
F = У ср l я I sin
,
тут = 90 , I - Струм у провіднику.
Ця сила створює крутний момент:
де Д – діаметр якоря. Помножуючи на загальну кількість провідників N, отримаємо загальний момент:
Середню індукцію В СР, як і раніше, отримаємо при розподілі магнітного потоку одного полюса на площу, що пронизується цим потоком:
Оскільки струм якоря розтікається паралельним гілкам, то струм одному провіднику визначається выражением:
Підставляючи вирази для Ср і I у формулу загального моменту, отримаємо:
Якщо ввести конструктивний коефіцієнт
то остаточно можемо записати:
Як видно, електромагнітний момент машини постійного струму пропорційний до магнітного потоку полюсів і струму якоря.
Отримана вище формула ЕРС якоря Ея дає деяке середнє значення ЕРС. Насправді величина її коливається (пульсує) між двома граничними значеннями - Е min та Е max . При обертанні якоря частина витків, замикаючись коротко щітками, вимикається з паралельних гілок, і за час повороту якоря на кут, що відповідає одній колекторній пластині, сума миттєвих значень ЕРС встигає дещо змінитися. Максимальне значення пульсацій ЕРС Е = 0,5 (Е max -E min), що виникають при цьому, залежить від числа колекторних пластин. Наприклад, зі збільшенням цього числа від 8 до 40 величина Е зменшується від 4 до 0,16В.
4. Реакція якоря у машинах постійного струму.
При неодруженому ході машини постійного струму магнітне поле створюється лише обмотками полюсів. Поява струму у провідниках якоря при навантаженні супроводжується виникненням магнітного поля якоря. Оскільки напрям струмів у провідниках між щітками незмінно, поле якоря, що обертається, виявляється нерухомим щодо щіток і полюсів збудження.
Обмотка якоря стає аналогічною соленоїду, вісь якого збігається з лінією щіток, тому коли щітки встановлені на геометричних нейтралях, потік якоря є поперечним по відношенню до потоку збудження, а його вплив на останній називається поперечною реакцією якоря. Побудувавши вектор результуючого потоку, бачимо, що він тепер повертається щодо геометричної осі головних полюсів. Поле машини стає несиметричним, фізичні нейтралі повертаються щодо геометричних. У генераторі вони зміщуються у бік обертання якоря, у двигуні проти напряму обертання якоря.
Під фізичною нейтраллю розумітимемо лінію, що проходить через центр якоря і провідника обмотки якоря, в якій індуктована результуючим магнітним потоком ЕРС дорівнює нулю. Поперечна реакція якоря мало впливає показники роботи машини, цей вплив зазвичай враховують. Однак при зміщенні щіток з геометричної нейтралі в потоці якоря з'являється поздовжня складова, її вплив на потік полюсів називають поздовжньою реакцією якоря. Вона може мати як намагнічуючий, і розмагнічуючий характер. У загальному випадку реакція якоря призводить до спотворення поля під полюсами та зміни потоку полюсів. Перше може викликати значне посилення іскріння під щітками (аж до кругового вогню на колекторі), а останнє в генераторі змінює напругу на затискачах, а в двигуні крутний момент і частоту обертання якоря.
Для ослаблення реакції якоря збільшують повітряний зазор між статором і якорем, використовують спеціальні короткозамкнуті витки у пазах полюсних наконечників. У машинах великої потужності цих цілей застосовується спеціальна компенсаційна обмотка. Вона укладається в пази полюсних наконечників, а включається послідовно в ланцюг якоря, її потік врівноважує поздовжній потік якоря.