Глава 29 Коллекторные двигатели

Основные понятия

Коллекторные машины обладают свойством обра­тимости, т. е. они могут работать как в режиме гене­ратора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимо­действие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который явля­ется не тормозящим, как это имело место в генера­торе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет рабо­тать в режиме двигателя, потребляя из сети электри­ческую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа, направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока Iа, и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).

Для двигателя, работающего с постоянной часто­той вращения,

U = Ea + Ia∑r. (29.1)Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря

(29.2)

Умножив обе части уравнения (29.1) на ток якоря Iа, получим уравнение мощности для цепи якоря:

UIa=I²a∑r + EaIa (29.3)

где UIa — мощность в цепи обмотки якоря; I²a∑r — мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения ЕаIа проделаем следую­щее преобразование:

Рис. 29.1. Направление противо- ЭДС в обмотке якоря двигателя

Но, согласно (25.24), [ pN/(2πa)] ФIа = М, (29.4)

тогда

EaIa — Mω — Рэм, угловая частота

где ω = 2πn/60

вращения якоря; Рэм — электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение Еа1а представляет собой электромагнит­ную мощность двигателя. 7

Преобразовав выражение (29.3) с учетом (29.4), получим

UIa = Mω + I²a∑r.

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением на­грузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UIa, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводи­мое к двигателю, поддерживается неизменным

(U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Ia.

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоян­ного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектриче­ские) и с электромагнитным возбуждением. Последние в соответ­ствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС Еа — сеФn частота вращения двигателя (об/мин)

n = Еа /(сеФn)

Подставив значение Еа из (29.1), получим (об/мин)

n=

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуж­дения. Физически это объясняется тем, что повышение напряже­ния U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U — Еа); это, в свою очередь, ведет к росту тока Iа [см. (29.2)]. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля можно изменением либо напряжения U, подводимого к дви­гателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электриче­ского сопротивления в цепи якоря ∑r.

Направление вращения якоря зависит от направлений маг­нитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одно­временно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.