§ 8.4. Электродвигатели постоянного тока, схемы их включения
Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на динамическом воздействии магнитного поля на проводники, через которые протекает ток (см. § 3.3). В конструктивном отношении электродвигатели постоянного тока ничем не отличаются от генераторов постоянного тока.
Электродвигатель начинает вращаться, если обмотки якоря и возбуждения присоединены к напряжению внешней сети. При вращении якоря его обмотки пересекают магнитные линии поля и в них индуктируется э. д. с. Если определить с помощью правила правой руки направление э. д. с., то оно окажется противоположным направлению тока, поступающего в якорь из внешней сети и носящего название противоэлектродвижущей силы якоря.
Противоэлектродвижущая сила во время работы электродвигателя ограничивает ток в якоре, который определяют разностью между величиной напряжения и противоэлектродвижущей силой, деленной на сопротивление якоря:
(8.1)
где Iя — ток в обмотке якоря, А;
U — напряжение сети, В;
Е — противоэлектродвижущая сила, В;
Rя — сопротивление обмотки якоря, Ом.
Рис. 8.8. Схема включения генератора с параллельным возбуждением
Рис. 8.9. Схема включения электродвигателей:
а — с параллельным возбуждением; б — с последовательным возбуждением
В начальный момент пуска электродвигателя, когда якорь еще неподвижен и его противоэлектродвижущая сила равна нулю, ток в якоре может достичь большой величины. По закону Ома он будет равен напряжению, деленному на сопротивление обмотки якоря. В связи с этим для пуска электродвигателей постоянного тока применяют реостаты, ограничивающие силу тока в якоре в момент пуска.
Схемы включения электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением представлены на рис. 8.9. Следует иметь ввиду, что обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения должна включаться так, чтобы она всегда находилась под полным напряжением сети (см. рис. 8.9, а).
§ 8.5. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока
Механической характеристикой электродвигателя, как уже указывалось в § 7.6, называется зависимость его скорости вращения от развиваемого им момента, т. е. п = f (М). Характеристика может быть выражена математической формулой и изображена графически.
Величину вращающегося момента двигателя постоянного тока определяют по формуле
(8.2)
где kм — постоянная двигателя, зависящая от его конструкции;
IЯ — ток якоря, А;
Ф — магнитный поток, Вб.
С увеличением нагрузки двигателя вследствие торможения якоря и уменьшения его скорости начинает уменьшаться противоэлектродвижущая сила и поэтому величина тока возрастает, что видно из приведенной выше формулы (8.1).
Скорость двигателя при изменении тока в якоре можно выразить уравнением:
(8.3)
где η — число оборотов в минуту.
Из формулы (8.3), определяющей скоростную характеристику, видно, что скорость вращения электродвигателя постоянного тока прямо пропорциональна подводимому к нему напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку полюсов Ф.
Если в формулу (8.3) подставить значение тока Iя из формулы (8.2): 
, получим математическое выражение механической характеристики двигателей постоянного тока: возбуждений, полученные введением дополнительного сопротивления в цепь якоря. Из рисунка видно, что у двигателей параллельного возбуждения введение дополнительного сопротивления в цепь якоря изменяет характеристику: они становятся мягче; то же и у двигателей последовательного возбуждения. Мягкость характеристики возрастает с увеличением вводимого сопротивления. У двигателей параллельного возбуждения искусственные характеристики могут быть получены также изменением магнитного потока возбуждения включением в его цепь дополнительного сопротивления. Характеристики при этом остаются жесткими.
(8.4)
Все три формулы: (8.2), (8.3) и (8.4) справедливы для всех электродвигателей постоянного тока. Вместе с тем свойства двигателей параллельного и последовательного возбуждения, определяемые этими формулами, весьма различны. Дело в том, что в двигателях параллельного возбуждения (см. схему рис. 8.9, а) ток, протекающий через обмотку возбуждения, имеющую напряжение сети, не зависит от нагрузки двигателя. Следовательно, и магнитный поток в этих двигателях является величиной постоянной, не зависящей от нагрузки двигателя. В двигателях же последовательного возбуждения через обмотку возбуждения проходит весь ток электродвигателя (см. рис. 8.9, б), в связи с чем магнитный поток электродвигателя возрастает вместе с нагрузкой (примерно пропорционально росту величины тока /я).
При учете этого обстоятельства анализ формулы (8.4) показывает, что у двигателей параллельного возбуждения рост нагрузки (вращающего момента М) вызывает лишь незначительное уменьшение скорости вращения; у двигателей же последовательного возбуждения при увеличении нагрузки скорость вращения резко снижается.
Графически естественная механическая характеристика двигателей параллельного возбуждения изображается прямой линией, слегка наклонной к горизонтальной оси, а двигателей последовательного возбуждения — ниспадающей кривой типа гиперболы.
Таким образом, естественная механическая характеристика электродвигателя параллельного возбуждения — жесткая; она подобна такой же характеристике асинхронного электродвигателя (устойчивой его работе). У двигателя же последовательного возбуждения естественная механическая характеристика — мягкая.
На рис. 8.10 приведены искусственные (реостатные) механические характеристики двигателей параллельного (а) и последовательного (б)
Рис. 8.10. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока:
а — с параллельным возбуждением; б — с последовательным возбуждением; R1 — естественные характеристики без дополнительного сопротивления; R2-R3 — искусственные характеристики с добавочными сопротивлениями реостата
Из рассмотрения механической характеристики двигателей последовательного возбуждения можно сделать некоторые выводы. Эти двигатели, во-первых, развивают большой вращающийся момент при малых оборотах (в частности, при пуске в ход) и, во-вторых, обладают большой перегрузочной способностью. Вместе с тем с уменьшением нагрузки на валу число оборотов двигателя быстро возрастает и при малых нагрузках (меньше г/4 нормальной) он приобретает скороста, опасную для его целостности. Вхолостую, т. е. без нагрузки, электродвигатели последовательного возбуждения вообще нельзя пускать: они идут, как принято говорить, в «разнос». Это является их отрицательным свойством.
Такого рода электродвигатели больше всего подходят для привода подъемно-транспортных устройств. Их широко применяют в электрической тяге (трамваи, троллейбусы, электрифицированные железные дороги). А в строительной практике двигатели последовательного возбуждения используют на мощных экскаваторах с питанием от двигатель-генераторов и на электрических погрузчиках с питанием от аккумуляторов. Управляют крупными двигателями с последовательным возбуждением контроллерами (контроллеры, см. гл. 12).
§ 8.6. Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока
Регулирование скорости двигателей постоянного тока, как видно из формулы (8.3), может быть достигнуто следующими способами: введением сопротивления в цепь якоря; изменением магнитного потока; изменением напряжения, подводимого к двигателю.
Введением сопротивления в цепь якоря можно регулировать скорость двигателя только в сторону ее уменьшения. Этот способ применим для подъемников, лебедок, поршневых компрессоров, насосов и т. п. Однако он связан со значительными потерями электроэнергии, обусловленными нагревом добавочного сопротивления, через которое протекает весь ток якоря.
Большее применение имеет регулирование скорости вращения двигателя изменением магнитного потока (его уменьшением). Таким способом можно регулировать скорость вращения двигателя только в сторону ее увеличения. У двигателя параллельного возбуждения для этой цели включают реостат в цепь обмотки возбуждения; увеличивая сопротивление реостата, снижают ток возбуждения и уменьшают этим самым магнитный поток; скорость вращения двигателя увеличивается.
У двигателя последовательного возбуждения реостат включают па раллельно обмотке возбуждения (шунтируют ее реостатом); уменьшая в данном случае сопротивление реостата, снижают величину тока, протекающего через обмотку, уменьшают при этом магнитный поток, создаваемый обмоткой; скорость вращения двигателя увеличивается.
Регулирование скорости вращения изменением напряжения, подводимого к электродвигателю, рассматривается в следующем параграфе при описании электропривода по системе генератор- двигатель.
