Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т. е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется обратимостью.
Устройство электрических двигателей такое же, как генераторов. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов. Поэтому для вращающего момента двигателя можно написать:
,
где I – ток якоря, Ф – магнитный поток, с – постоянная содержащая параметры, зависящие от конструкции машины.
При постоянной скорости вращения момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления механической нагрузки, приложенной к валу двигателя:
.
Мощность, потребляемая двигателем из сети, больше мощности на валу на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, потерь мощности на нагрев обмоток двигателя и реостатов. КПД электрического двигателя с нагрузкой меняется. При номинальной мощности величина КПД двигателей колеблется от 70 до 93%, в зависимости от мощности, скорости вращения и исполнения двигателя.
Перемена направления вращения (реверсирование) двигателя может быть произведена путем изменения направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке полюсов. В зависимости от соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения электрические двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является почти постоянная скорость вращения при изменении нагрузки на его валу. Обычно скорости у двигателей этого типа при достижении полной нагрузки уменьшаются на 3–5%.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются в сетях постоянного тока для привода станков, механизмов (подвесные электрические дороги, насосы, вентиляторы, ткацкие машины, прокатные станы, шахтные подъемники), требующих постоянной скорости вращения или широкой регулировки скорости.
Двигатели с последовательным возбуждением выделяются способностью резко увеличивать с нагрузкой свой момент вращения. Это особенно ценно при пуске двигателя в ход, когда он должен быстро преодолеть инерцию нагрузки на его валу.
При одинаковом пусковом токе и при прочих равных условиях двигатель с последовательным возбуждением разовьет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением.
Скорость вращения двигателя с последовательным возбуждением с нагрузкой резко меняется. Нагруженный двигатель, потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую скорость. При уменьшении нагрузки на валу ток якоря и магнитный поток уменьшаются, а скорость вращения двигателя увеличивается.
Поэтому, если нагрузку на валу двигателя с последовательным возбуждением сильно уменьшить или снять полностью, ток якоря и поток сильно уменьшатся и скорость вращения двигателя возрастает до недопустимо большой величины, опасной для механической прочности двигателя. Поэтому работа двигателя с последовательным возбуждением вхолостую или при малой нагрузке недопустима, так как ему грозит «разнос» от чрезмерного повышения скорости вращения. Двигатели этого типа нельзя соединять с механизмом при помощи ремня, так как обрыв или соскакивание ремня приведет к разгрузке и «разносу» двигателя.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, поездов метрополитена, трамвая, электрических подъемных кранов и т. п.
При смешанном возбуждении наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости и большой вращающий момент при пуске двигателя.
Благодаря присутствию параллельной обмотки двигатель со смешанным возбуждением не может пойти в «разнос» при малой нагрузке или отсутствии ее. Обмотки возбуждения могут быть включены так, чтобы их магнитные потоки совпадали по направлению (согласное включение), или так, чтобы потоки были противоположны (встречное включение). При согласном включении обмоток двигатель будет приближаться по свойствам к двигателю с параллельным или последовательным возбуждением, в зависимости от того какая из обмоток будет иметь большую намагничивающую силу. При нагрузке двигателя со встречным включением обмоток магнитный поток последовательной обмотки, увеличиваясь, уменьшает общий магнитный поток двигателя, а скорость двигателя увеличивается.
Частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.
Для регулирования частоты вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используют регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается КПД двигателя.
Регулируют частоту вращения якоря двигателя изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения для изменения тока включают регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким- либо регулируемым сопротивлением. Последний способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.
Вопросы для самоконтроля:
1. Назовите основные части машины постоянного тока и укажите их назначение.
2. Почему станину машин постоянного тока изготовляют из литой стали, а якорь и полюсы – из стальных листов?
3. В чем заключается принцип действия генератора постоянного тока?
4. Каково устройство и назначение коллектора у генераторов постоянного тока?
5. От чего зависит ЭДС генератора постоянного тока?
6. Для чего устанавливают дополнительные полюсы?
7. Как протекает процесс самовозбуждения генератора?
8. Как осуществить реверсирование двигателя постоянного тока?
9. От чего зависит вращающий момент и частота вращения двигателя постоянного тока?
10. Почему двигатели с последовательным возбуждением применяют в качестве тяговых на электротранспорте?
11. Почему недопустима работа двигателя с последовательным возбуждением без нагрузки на валу?