Основні теоретичні відомості. Будова електричних двигунів і генераторів постійного струму однакова

Будова електричних двигунів і генераторів постійного струму однакова. Їх принцип дії базується на взаємодії струму, що протікає в обмотці якоря і магнітного поля, яке створюється головними полюсами машини. Двигуни постійного струму на відміну від генераторів завжди живляться від мережі постійного струму. В залежності від способу під’єднання обмотки збудження до обмотки якоря їх поділяють на двигуни паралельного, послідовного та змішаного збуджень. Двигуни постійного струму отримали застосування в тих випадках, коли необхідний широкий і плавний діапазон регулювання швидкості обертання механізмів, з’єднаних з валом двигуна. Їх використовують в металургійній промисловості, станкобудуванні, для створення систем автоматичного регулювання, в авіації, автомобілебудуванні, на транспорті. Потужності, на які випускаються двигуни, знаходяться в межах від декількох ват до тисяч кіловат. За номінальну потужність двигуна приймається механічна потужність на валу P₂. Потужність P₂, напруга Uн, струм Ін, частота обертання n_н вказуються на щитку, який закріплений на корпусі машини.

При живленні двигуна від мережі постійного струму в обмотках збудження і якоря протікають струми. Струм збудження створює магнітний потік полюсів машини. Згідно із законом Ампера на провідники якоря, які знаходяться в магнітному полі, діють механічні сили. Ці сили створюють обертальний момент і якір обертається. За законом електромагнітної індукції в обмотках якоря виникає ЕРС:

,

де С_E – конструктивний коефіцієнт ЕРС;

n –частота обертання якоря двигуна;

Ф – магнітний потік головних полюсів двигуна.

ЕРС Е напрямлена проти струму в обмотках якоря. Напруга U, яка прикладена до якоря двигуна, зрівноважує ЕРС і спад напруги в обмотці якоря:

,

де Iя – струм в обмотці якоря;

Rя – опір обмотки якоря.

Струм в обмотці якоря Iя і частота обертання якоря n визначаються за формулами:

; .

З приведених формул видно, що в момент ввімкнення двигуна (n=0) ЕРС відсутня (Е=0). Пусковий струм Iп=U/Rя обмежується тільки малим опором обмотки якоря і може перевищувати номінальний струм в 10÷30 разів. Таке перевищення струму недопустиме тому, що може призвести до руйнування обмотки якоря, колектора та викликати великий механічний удар. Щоб запобігти цьому на час пуску двигуна послідовно до кола якоря вмикають пусковий реостат з опором Rп. В момент під’єднання двигуна до мережі пусковий струм зменшиться: Iп=U/(Rя+Rп). При зростанні частоти обертання якоря двигуна в його обмотці виникає ЕРС Е і струм якоря зменшується. Тому, на початку пуску опір пускового реостата Rп максимальний. При збільшенні частоти обертання якоря двигуна опір пускового реостата плавно зменшують до нульового значення.

Частоту n обертання якоря двигунів постійного струму паралельного збудження визначають за формулою:

і регулюють трьома способами:

- зміною напруги U, що підводиться до клем двигуна;

- зміною загального опору кола якоря додатковим резистором Rд, який вмикають послідовно до обмотки якоря:

- зміною магнітного потоку Ф (струму збудження Iз) регулювальним реостатом Rр, який ввімкнений в коло збудження.

Верхня границя частоти обертання якоря обмежується зростаючим впливом реакції якоря і руйнуванням колектора і обмотки якоря. Тому обрив кола збудження недопустимий. Номінальне зниження частоти обертання якоря визначається за формулою:

і для двигунів з паралельним збудженням становить Δn=(2÷10)%.

Для зміни напряму обертання якоря двигуна необхідно змінити напрям струму в обмотці якоря або в обмотці збудження. Це досягається зміною полярності напруги на затискачах двигуна.

Взаємодія струму провідників якоря та магнітного поля обмотки збудження викликає появу обертального моменту:

М=С_МФІя,

де С_М – конструктивний коефіцієнт моменту.

Внаслідок дії цього моменту якір двигуна обертається. Найбільшого значення обертальний момент досягає при максимальному магнітному потоці, який забезпечується нульовим значенням опору регулювального реостата.

Властивості двигуна постійного струму паралельного збудження визначаються механічною характеристикою n=f(M) (рисунок 4.1,а) та робочими характеристиками:

n=f ₁(P₂); M= f ₂(P₂); Iя= f ₃(P₂); P₁= f ₄(P₂); η=f₅(P₂), які знімають при U=Uн=const і Iз=const. Робочі характеристики приведені на рисунку 4.1,б.

а) б)

Рисунок 4.1 – Механічна (а) і робочі (б) характеристики двигуна постійного струму паралельного збудження