Общие сведения о двигателях постоянного тока
Рис. 1. Работа машины постоянного тока: а — в генераторном режиме, б — в двигательном
Двигатели постоянного тока широко применяются в современном электроприводе, когда требуется плавное изменение скорости вращения и большой пусковой момент (прокатные станы; электрическая тяга, вспомогательные устройства на автомобилях и самолетах).
На рис. 1 показана схема включения машины постоянного тока в сеть с неизменным напряжением Uс. Якорь вращается в магнитном поле, созданном током /в обмотки параллельного возбуждения, и в обмотке якоря наводится э. д. с. Е2. Если эта э. д. с. больше напряжения сети, то ток /2 в обмотке якоря совпадает с направлением э. д. с. и машина работает генератором (рис. 1, а). Электромагнитный момент Мш направлен против вращения якоря и уравновешивает вращающий момент Мх приводного двигателя (рис. 2, а). При уменьшении тока /в можно выполнить равенство Е2 = Uc и тогда в обмотке якоря тока не будет. При дальнейшем уменьшении /в э. д. с. в
обмотке якоря становится меньше напряжения сети и ток в обмотке якоря /2 изменяет направление (рис. 1, б), в соответствии с этим изменяет направление и электромагнитный момент Мт (рис. 2, б). Вращение якоря в указанном направлении осуществляется моментом Мт. Таким образом, перевод машины постоянного тока параллельного (и независимого) возбуждения из генераторного режима работы в двигательный осуществляется без изменения схемы включения ее путем уменьшения тока возбуждения. Направление вращения якоря остается таким же как в генераторном режиме.
К генераторам и двигателям предъявляются различные эксплуатационные требования, одновременное выполнение которых в манне не всегда возможно, поэтому крупные машины изготовляются для определенного режима работы.
Машины небольшой мощности общего применения могут использоваться как для работы генератором, так и двигателем, поэтому на паспортных щитках этих машин указываются номинальные данные для обоих режимов работы.
Двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, обычно выполняются с электромагнитным возбуждением, а при малой мощности — с постоянными магнитами.
При электромагнитном возбуждении обмотка главных полюсов присоединяется к отдельному источнику постоянного тока или включается вместе с обмоткой якоря на общую сеть. При наличии одной обмотки возбуждения возможно параллельное или последовательное соединение ее с обмоткой якоря, две обмотки возбуждения позволяют осуществить смешанное (параллельно-последовательное) соединение.
А. Характеристики двигателя. Полный цикл работы двигателя можно разделить на четыре периода: 1) период пуска, в течение которого скорость вращения якоря увеличивается от нуля до необходимой величины; 2) рабочий период, в течение которого работа двигателя происходит при неизменном напряжении на зажимах цепи
якоря и цепи параллельного (и независимого) возбуждения; 3) период регулирования, в течение которого осуществляется воздействие на цепь якоря или цепь возбуждения с целью изменения скорости вращения якоря; 4) период остановки, в течение которого скорость вращения якоря уменьшается до нуля. Очень часто второй и третий периоды чередуются и не разграничиваются. Таким образом, для двигателей необходимо рассматривать характеристики, соответствующие перечисленным периодам, т. е. пусковые, рабочие, регулировочные и тормозные характеристики.
Пусковой период характеризуется пусковым моментом, пусковым током, продолжительностью пуска, стоимостью пусковой аппаратуры и затратами энергии.
Рабочие характеристики представляют совокупность зависимостей: скорости вращения якоря, тока двигателя, полезной мощности, подведенной мощности и к. п. д. от полезного вращающего момента при неизменном напряжении на зажимах цепи якоря и цепи параллельного (и независимого) возбуждения. В некоторых случаях величины, характеризующие работу двигателя в указанных условиях, приводятся в зависимости от полезной мощности или же от тока двигателя. Обычно предельной нагрузкой при построении рабочих характеристик является наибольшая допускаемая нагрузка при работе или при испытании машины (приблизительно 1,5 номинальной)' и только для двигателей малой мощности рабочие характеристики охватывают и пусковой период. Из всех перечисленных зависимостей наибольшую важность представляет зависимость скорости вращения якоря от полезного вращающего момента двигателя (характеристика скорости вращения) или зависимость полезного вращающего момента от скорости вращения (механическая характеристика).
Регулирование скорости вращения якоря двигателя определяется способом изменения скорости вращения, пределами и ступенями изменения скорости вращения, экономичностью регулирования, т. е. стоимостью регулировочной аппаратуры и затратами энергии. Возможность плавного и часто весьма экономичного регулирования скорости вращения в широком диапазоне составляет одно из самых ценных свойств двигателей постоянного тока и в ряде случаев делает их незаменимыми.
Остановка якоря двигателя при отключении от сети обычно происходит под влиянием сил трения в двигателе и в соединенном с ним механизме. Для ускорения остановки в крупных двигателях применяется торможение, т. е. создание тормозного момента, направленного против вращения якоря.
При опытном получении характеристик необходимо, чтобы щетки занимали определенное положение на коллекторе. В двигателях с добавочными полюсами щетки устанавливаются на коллекторе так, чтобы токораздел совпадал с геометрической нейтралью. В двигателях без добавочных полюсов, предназначенных для обоих направлений вращения, токораздел так же должен совпадать с геометрической нейтралью, а в двигателях определенного направления вращения токораздел смещается с геометрической нейтрали против вращения якоря в положение наилучшей коммутации.
