Принцип работы двигателя постоянного тока

На рисунке 37 показана модель двигателя постоянного тока. В системе полюсов N и S находится якорь, на котором условно показано два проводника с током; вокруг проводников с током изображены магнитные силовые линии — м. с. л.; направление м. с. л. определено по правилу штопора. М. с. л. полюсов N и S взаимодействуют с м. с. л. проводников, и в результате взаимодействия действующие на проводники с током в сторону ослабленного магнитного поля. Направление этих сил F может быть также определено при помощи правила левой руки.

Рис. 37. Модель двигателя постоянного тока:
1 — полюс; 2 — коллектор; 3 — якорь.

Каждый проводник якоря с током создает момент, равный произведению силы F на радиус якоря. Под действием этих моментов якорь двигателя вращается в сторону стрелки п.
Величина вращающегося электромагнитного момента двигателя определяется по формуле 57.

При вращении якоря двигателя в магнитном поле его проводники пересекают м. с. л. поля и в них индуктируется э. д. с. Величина индуктированной э. д. с. определяется так же, как и для генератора. Э. д. с. и напряжение в двигателях связаны формулами:
(61)
(62)
Моменты в двигателе связаны формулой
М = М2 + М0, (63)
где М — электромагнитный момент двигателя, Н-м;
М2—полезный момент, Н-м;
М0—момент холостого хода двигателя, Н-м.
Генераторы постоянного тока с различными системами возбуждения
Существует три системы возбуждения генераторов: возбуждение от постоянных магнитов; независимое возбуждение и самовозбуждение.
Генераторы с самовозбуждением встречаются трех видов: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Рассмотрим генераторы с наиболее распространенными системами возбуждения.
Генератор с независимым возбуждением и его характеристики. Обмотка возбуждения генератора, расположенная на основных полюсах, получает питание от независимого— постороннего источника тока, например от аккумулятора (рис. 38).
Характеристика холостого хода — зависимость э. д. с. якоря генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и токе якоря, равном нулю:
U = Е = СепФ. (64)
С увеличением тока возбуждения увеличивается поток машины. По мере насыщения машины прямолинейная зависимость между током возбуждения и потоком нарушается (рис. 39).
Характеристика короткого замыкания — зависимость тока якоря от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и напряжения якоря, равном нулю:
(65)
При коротком замыкании магнитная цепь машины насыщена слабо, между током возбуждения и потоком существует прямолинейная зависимость (рис. 40).
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на якоре генератора от якорного тока при постоянной частоте вращения и неизменном токе возбуждения:

Рис. 38 Схема генератора с независимым возбуждением:

1 — аккумуляторная батарея; 2—регулируемое сопротивление; 3 — обмотка возбуждения; 4 — рубильник; 5 — приводной двигатель; 6 — якорь; 7 — двухполюсный рубильник; 8 — нагрузка.
По мере увеличения якорного тока падение напряжения в якорной цепи увеличивается, а магнитный поток машины Ф несколько уменьшается, так как поток, созданный током якоря, уменьшает поток основных полюсов. Поэтому напряжение на якоре уменьшается (рис. 41).
Генератор с параллельным возбуждением и его характеристики. Самовозбуждение генератора возможно при наличии трех условий: магнитная система машины должна сохранять остаточный магнитный поток порядка 2-5% от полного потока; магнитный поток от тока возбуждения должен совпадать с остаточным потоком; сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше некоторой критической величины.

Рис. 41. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением.

Рис. 40. Характеристика короткого замыкания генератора с независимым возбуждением.

Рис. 39. Характеристика холостого хода генератора с независимым возбуждением.

Рис. 42. Схема генератора с параллельным возбуждением:

1— якорь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — обмотка добавочных полюсов; 4 — регулируемое сопротивление; 5— приводной двигатель; 6 — нагрузка.

Рис. 43. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.

Рис. 44. Схема генератора последовательного возбуждения:
I — якорь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — нагрузка; 4 — приводной двигатель.

Рис. 45. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.

Схема генератора показана на рисунке 42. Процесс возбуждения происходит следующим образом: якорь машины вращается и в его обмотке индуктируется небольшая э. д. с. от остаточного потока; обмотка возбуждения подключена к якорю и по ней под действием э. д. с. течет небольшой ток, который создает добавочный поток; результирующий поток увеличивается, что приводит к увеличению э. д. с. якоря и к увеличению тока возбуждения и т. д. Процесс возбуждения заканчивается, когда э. д. с. генератора будет равна падению напряжения в цепи возбуждения. Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения аналогична характеристике холостого хода генератора независимого возбуждения, но она не идет из начала координат, так как всегда есть э. д. с. от остаточного потока. 1
Характеристику короткого замыкания можно снять только при независимом возбуждении.
Внешняя характеристика — зависимость напряжения якоря от тока якоря при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи возбуждения. При снятии этой характеристики напряжение уменьшается по тем же причинам, что и в генераторе независимого возбуждения, кроме того, при понижении напряжения уменьшается еще и ток возбуждения (рис. 43). Ток возбуждения сначала уменьшается медленно, а потом ускоряется, что ведет к резкому уменьшению напряжения на якоре.
Генератор последовательного возбуждения. Процесс возбуждения генератора идет так же, как и у генератора параллельного возбуждения (рис. 44). Нагрузка и обмотка возбуждения генератора последовательного возбуждения образуют цепь, аналогичную цепи возбуждения генератора параллельного возбуждения. Все характеристики генератора могут быть сняты при независимом возбуждении, и они будут точной копией характеристик генератора с независимым возбуждением, С самообслуживанием снимают только внешнюю характеристику.
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на якоре от тока якоря при постоянной частоте вращения:
U = СепФ — IR. I
С увеличением нагрузки генератора увеличивается ток якоря; магнитный поток, зависящий от тока якоря, растет значительно быстрее падения напряжение в якорной цепи, и напряжение на якоре увеличивается. По мере насыщения магнитной цепи машины рост потока резко замедляется. Падение напряжения в якорной цепи и другие причины ведут к уменьшению напряжения на якоре.

Рис. 46. Схема генератора смешанного возбуждения:
1 — якорь; 2— параллельная обмотка возбуждения; 3 — последовательная обмотка возбуждения; 4 — регулируемое сопротивление; 5—нагрузка; 6 — приводной двигатель.

Рис. 47. Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения.
Возбуждение машины без нагрузки или при очень малой нагрузке невозможно. Внешняя характеристика генератора показана на рисунке 45.
Генератор смешанного возбуждения. На главных полюсах генератора размещаются две обмотки: параллельная и последовательная. Обе обмотки включаются так, чтобы токи в них имели одинаковые направления (рис. 46). При холостом ходе генератор работает как генератор параллельного возбуждения; при нагрузке появляется ток в последовательной обмотке, который, увеличивая магнитный поток машины, компенсирует падение напряжения в якорной цепи. Напряжение на якоре при нормальных нагрузках практически остается постоянным. Напряжение генератора и его э.д.с. связаны следующей зависимостью:
(66)
где Фш—поток параллельной обмотки (шунт);
Фс—поток последовательной обмотки (сериес).
Внешняя характеристика генератора — зависимость напряжения на якоре от тока якорной цепи при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи параллельной обмотки (рис. 47). Другие характеристики имеют характер соответствующих характеристик генераторов параллельного и последовательного возбуждения.