К статье ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Генераторы постоянного тока удовлетворительно работают как двигатели и при тех же номинальных параметрах не требуют изменений в конструкции. Например, генератор с параллельным возбуждением, рассчитанный на 10 кВт и 230 В, будет вполне удовлетворительно работать как электродвигатель мощностью 10 кВт при напряжении 230 В и той же частоте вращения. Точно так же генератор со смешанным возбуждением удовлетворительно работает как электродвигатель с возбуждением того же типа. Однако последовательную обмотку возбуждения придется переключить наоборот, чтобы она помогала параллельной. Генераторы с последовательным возбуждением редко применяются, но двигатель с последовательным возбуждением очень полезен, особенно как тяговый в городском электрическом транспорте.
Теория. Принцип действия электродвигателя иллюстрирует рис. 7. На рис. 7,а провод с током, направленным от читателя (кружок с крестиком, изображающим задний, оперенный конец стрелы), перпендикулярен магнитному полю, существующему между магнитными полюсами N и S. Магнитный поток вокруг провода, создаваемый его током, направлен по часовой стрелке. Он увеличивает магнитное поле над проводом и уменьшает его под проводом. Магнитные силовые линии, подобно упругим нитям, стремящимся сократиться, действуют на провод с силой F, направленной вниз. Когда ток в проводе направлен так, как показано точкой на рис. 7,б (символизирующей острие стрелы, летящей навстречу), магнитное поле усиливается под проводом и ослабляется над ним, и сила F, действующая на провод, направлена вверх. На рис. 7,в изображен простой виток провода (такой же, как и на рис. 1,а), расположенный параллельно оси полюсов. В этом случае возникает вращающий момент 2Fd, стремящийся повернуть виток по часовой стрелке. Чтобы такое вращение поддерживалось, направление тока в витке должно измениться на обратное, когда последний перейдет через вертикальное положение. Для этого необходим коллектор (такой же, как на рис. 1,в), изменяющий направление тока после каждой половины оборота.
Конструкция. Якорь двигателя постоянного тока обычно имеет большое число витков провода и соответствующих им секций коллектора, так что при заданных токе якоря и напряженности магнитного поля вращающий момент практически постоянен. На рис. 7,г представлен якорь двигателя постоянного тока (в разрезе), находящийся в магнитном поле между двумя полюсами магнита. Вращающий момент, действующий на якорь, пропорционален напряженности магнитного поля и току в обмотке якоря. Момент на выходном валу двигателя несколько меньше теоретического значения, поскольку часть его затрачивается на преодоление трения, а часть теряется из-за вихревых токов и гистерезиса в железе якоря.
В двигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединяется к зажимам источника неменяющегося напряжения, так что магнитное поле почти постоянно. Поэтому вращающий момент пропорционален току якоря (рис. 8). На рис. 9 представлена схема включения двигателя с последовательным возбуждением, в которую входит пусковое устройство. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, а потому, если пренебречь насыщением железа, магнитное поле пропорционально току якоря. Если ток якоря увеличить вдвое, то магнитное поле удвоится, а вращающий момент увеличится в 4 раза. Таким образом, в двигателе с последовательным возбуждением вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря (кривая А на рис. 8). В двигателе же со смешанным возбуждением параллельная обмотка возбуждения создает постоянное магнитное поле, а последовательная (если пренебречь насыщением) - пропорциональное току в ней. Поэтому вращающий момент такого двигателя возрастает с увеличением нагрузки быстрее, чем для двигателя с параллельным возбуждением, но медленнее, чем для двигателя с последовательным (кривая В на рис. 8).
Механическая характеристика. Поскольку якорь двигателя вращается в магнитном поле, в проводниках якоря, как и в генераторе, наводится ЭДС Е. Но эта ЭДС противоположна току якоря и напряжению V во внешней цепи на входных зажимах. Можно показать, что частота вращения двигателя равна KsE?, где Ks - постоянный множитель, Е - противо-ЭДС, а ? - магнитный поток.
Двигатель с параллельным возбуждением. Противо-ЭДС немного уменьшается с увеличением нагрузки, что связано с падением напряжения на обмотке якоря, составляющим 2-7% выходного напряжения V. Поскольку обмотка возбуждения присоединена к зажимам источника неизменяющегося напряжения, поток ? почти постоянен. Поэтому частота вращения немного падает с увеличением нагрузки, как показывает кривая С на рис. 10. Двигатели с параллельным возбуждением применяются в тех случаях, когда требуется почти постоянная частота вращения, - в силовых передачах с постоянной частотой вращения, в металлорежущих станках, печатных машинах. Частоту вращения можно задавать и регулировать, изменяя ток возбуждения посредством реостата в цепи возбуждения.
Двигатель с последовательным возбуждением. Противо-ЭДС отличается от напряжения на выходных зажимах на 3-8% - таково падение напряжения на последовательной обмотке возбуждения и на обмотке якоря. Магнитный поток пропорционален току якоря (в пренебрежении насыщением). Поэтому частота вращения приблизительно обратно пропорциональна току якоря (кривая А на рис. 10). Когда этот ток приближается к нулю, частота вращения быстро нарастает, т.е. двигатель выходит из-под контроля. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением должен быть жестко связан с нагрузкой (например, посредством зубчатой передачи или другого устройства, ограничивающего частоту вращения). Благодаря быстрому нарастанию вращающего момента с увеличением тока такой двигатель очень подходит в качестве тягового для поездов метро и железнодорожных электровозов, для которых требуются большие пусковые моменты, быстрое ускорение и большие вращающие моменты при преодолении подъемов. Он применяется также на подъемниках, кранах и в автомобильных стартерах.
Двигатель со смешанным возбуждением. Магнитный поток ? в двигателе с увеличением тока возрастает, а частота вращения быстро падает (кривая В на рис. 10). В отличие от двигателя с последовательным возбуждением у двигателя со смешанным возбуждением частота вращения не нарастает беспредельно в отсутствие нагрузки. Такие двигатели применяются для лифтов, поскольку последовательная обмотка возбуждения создает большой вращающий момент, необходимый для быстрого ускорения, а параллельная обеспечивает постоянную частоту вращения после разгона. Они также незаменимы в приводах, требующих периодического приложения больших вращающих моментов - для мощных ножниц, штампов, прессов и прокатных станов. При уменьшении тока сам двигатель и другие вращающиеся элементы, например маховики, передают нагрузке свою кинетическую энергию, что позволяет существенно снизить пиковые нагрузки энергоблоков.
Пуск двигателей постоянного тока. Ток в электродвигателе ограничивается противо-ЭДС. В момент пуска противо-ЭДС равна нулю, и если обмотка якоря включена непосредственно в сеть, ток может в 15-40 раз превысить номинальное значение. На рис. 11 представлен четырехполюсный пускатель для двигателя с параллельным возбуждением. При пуске резистор, соединенный последовательно с обмоткой якоря, постепенно выводится поворотом ручки пускателя вправо, якорь разгоняется, и возникает необходимая противо-ЭДС. Противодействующая пружина стремится вернуть в исходное положение ручку, которая удерживается в рабочем положении соленоидом, включенным в сеть. При аварийном обесточивании сети соленоид остается без питания, и под действием пружины ручка пускателя перескакивает в исходное положение. Поэтому, когда напряжение в сети восстанавливается, обмотка неподвижного якоря не оказывается включенной непосредственно в сеть. Пускатель двигателя с последовательным возбуждением устроен почти так же (рис. 9), но в нем не предусмотрен соединительный зажим для параллельной обмотки возбуждения.
Коммутация. Самая большая проблема в работе с машинами постоянного тока - коммутация. Этим, в частности, ограничивается максимальная проектная мощность генераторов постоянного тока; коммутация не позволяет также сильно повышать рабочие частоты вращения больших машин.
Чтобы коммутация осуществлялась без искрения, ток и, следовательно, наведенная ЭДС в коммутируемом витке должны быть равны нулю в момент коммутации. Это не выполняется по двум причинам. Под нагрузкой ток обмотки якоря создает магнитное поле, поперечное по отношению к создаваемому магнитными полюсами, а также магнитный поток в зоне коммутации. Коммутируемые витки пересекают этот поток, и в них наводится ЭДС. Кроме того, ток в витках якоря создает магнитный поток, которым сцеплены эти витки. Когда этот ток резко меняет направление на обратное за очень малое время коммутации, возникает ЭДС самоиндукции. Обе ЭДС, хотя они и невелики, создают большой ток в короткозамкнутом витке с малым сопротивлением. Поскольку почти все сопротивление короткого замыкания приходится на контакт щетки с коллектором, используются угольные щетки, обладающие высоким контактным сопротивлением, с графитовой добавкой, которая служит смазкой, уменьшающей трение и износ поверхности коллектора. Для уменьшения искрения щетки следовало бы перемещать при каждом изменении нагрузки в положение, отвечающее минимальной наведенной ЭДС. Но поскольку это практически неосуществимо, выбирают некое среднее положение, обеспечивающее удовлетворительную коммутацию только для одной нагрузки.
В большинстве современных электромашин предусматриваются узкие добавочные полюса, расположенные между основными (рис. 12). Они возбуждаются обмотками, соединенными последовательно с якорем, и благодаря своему довольно большому воздушному зазору компенсируют в зоне коммутации поток, создаваемый током якоря, а кроме того, наводят в коммутируемых витках якоря ЭДС, компенсирующую ЭДС самоиндукции. Тем самым добавочные полюса устраняют необходимость в перемещении щеток при изменении нагрузки. В генераторе последовательность основных и добавочных полюсов (в направлении вращения) такова: NsSn (рис. 12,а), а в двигателе - NnSs (рис. 12,б).
Применение. Двигатели постоянного тока имеют хорошие рабочие характеристики, а именно: широкий диапазон регулирования частоты вращения, возможность задания фиксированных частот вращения, быстрые разгон и торможение, постоянный вращающий момент и пригодность для автоматического регулирования, благодаря чему они находят все более широкое применение.
Во многих непрерывных технологических процессах требуется подавать, причем часто на большой скорости, лист или ленту материала (бумаги, резины, стали) на вход машины или группы машин. В таких условиях необходимо быстро и точно регулировать натяжение листа. Неправильно установленное натяжение может приводить к разрыву листа или к снижению качества продукции. Регулирование натяжения необходимо и при намотке ленты; иначе натяжение будет слишком быстро нарастать с увеличением диаметра рулона, что тоже грозит разрывом ленты или ее нежелательным деформированием. По этим причинам в электроприводах постоянного тока применяется автоматическое регулирование. На выходе машины устанавливается датчик, сигнал которого поступает на блок сравнения регулятора. При наличии рассогласования между регулируемым параметром продукции и "уставкой" (его заданным значением) сигнал ошибки подается на исполнительный орган автоматического регулятора, который и устраняет рассогласование. Автоматические регуляторы приводов постоянного тока, переключая токи и напряжения, почти мгновенно изменяют частоту вращения двигателей постоянного тока. См. также АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ .