Двигуни постійного струму знайшли широке застосування в електроприводах, що регулюються.
Перший електричний двигун постійного струму був побудований російським вченим Б.С.Якобі в 1834 році. Робота електричних двигунів постійного струму заснована на принципі взаємодії магнітного поля і провідника з струмом. Двигуни виготовляються із широким діапазоном потужностей. Наприклад, двигуни трамваїв мають потужність від 33 до 54, 5 кВт, двигуни електровозів 320 -450 кВт, кранові двигуни - 3 - 100 кВт, а двигуни прокатних станів мають потужність у декілька тисяч кіловатів.
Електричні машини постійного струму служать для перетворення механічної енергії в електричну (генератор) і для перетворення електричної енергії в механічну (двигун).
Принцип зворотності машин постійного струму - будь-яка машина постійного струму може працювати як генератор, так і як електродвигун.
Робота електричних машин заснована на законі електромагнітної індукції
, (5.37)
де Е – ЕРС;
В - магнітна індукція;
- довжина провідника (активна);
υ - швидкість руху провідника відносно магнітних силових ліній;
і законі електромагнітних сил (формула Ампера):
, (5.38)
де F-механічна сила;
I-сила струму.
З аналізу цих двох формул випливає рівняння перетворення потужності з одного виду в іншій:
. (5.39)
Принцип роботи генератора. При обертанні якоря (рис.5.7) виникає ЕРС Е, що є причиною виникнення струму I. Електромагнітна механічна сила F за правилом лівої руки спрямована проти напрямку обертання. Ця сила є гальмуючою і переборюється силою первинного двигуна.
Рис.5.7 - Принцип роботи генератора.
|
|
Рис.5.8 - Принцип роботи двигуна.
Конструкція машини постійного струму. Існують два типи машин постійного струму: колекторні і бесколекторні (уніполярні).
Машини уніполярного типу нині не виготовляються. Тому розглядати будемо тільки колекторні машини. Конструктивно машина складається з двох частин (рис.5.9.): нерухомої частини – станини і рухомої (обертової) частини - якоря.
Рис.5.9 - Конструкція машини постійного струму.
Станина виготовляється з листової сталі з малим магнітним опором, служить корпусом машини і складається з основних та додаткових полюсів. Основні полюси (1) створюють основний магнітний потік і складаються зі сталевого осердя з башмаком (полюсом) і котушок, по яких проходить постійний струм. Число полюсів завжди кратне двом. Додаткові полюси (2) служать для поліпшення умов комутації.
Якір складається зі сталевого вала (1), осердя (2), вентилятора (3), обмотки (4), колектора (5). Призначення частин 1,2,3,4 ясно з назви.
Колектор служить для зміни напрямку струму в провідниках обмотки якоря в той момент, коли провідники проходять нейтральну лінію (іншими словами, за допомогою колектора відбувається випрямлення змінного струму), а також здійснюється електричний контакт між нерухомою і обертовою частинами (щітковий вузол). При роботі колектор іскрить, що може послужити причиною пожежі.
Щітковий вузол складається зі щіток (графітних, мідно-графітних, бронзо-графітних), щіткової траверси, щіткотримача.
При ослабленні тиску щіток підсилюється іскріння (ефект вогненного кільця) - пожежонебезпечний режим.
Загальні відомості про генератори постійного струму. Нині генератори постійного струму використовуються значно рідше генераторів змінного струму. Перевагою генератора постійного струму є те, що на виході маємо постійний струм. До середини 50-х років не було надійних і дешевих напівпровідникових випрямлячів, що й обумовило широке застосування генераторів постійного струму на той час.
До недоліків генераторів постійного струму слід віднести великі габарити і вагу та наявність колектора.
За способом збудження генератори бувають двох типів: з незалежним збудженням та з самозбудженням.
|
|
Генератор з незалежним збудженням - котушка збудження живиться від сторонніх джерел постійного струму (рис.5.10).
Рис.5.10 - Генератор з незалежним збудженням.
Генератори мають ряд характеристик, з яких ми розглянемо тільки дві (рис.5.11):
1. Зовнішня характеристика - залежність напруги на затискачах генератора від струму навантаження за постійної швидкості обертання валу і незмінного струму збудження:
U=f(I) при IB=const, n= const.
2. Регулювальна характеристика – показує, як необхідно регулювати струм збудження, щоб при зміні струму зовнішнього кола напруга на затискачах генератора була постійною:
IЗБ=f(I) при U=const, n=const.
Генератори з незалежним збудженням застосовують у тих випадках, коли потрібно широке регулювання напруги. Недоліком є необхідність наявності стороннього джерела збудження.
|
|
Рис.5.11 - Зовнішня та регулювальна характеристики генератора з незалежним збудженням.
Генератор з самозбудженням - котушки збудження генераторів живляться від власних якорів. Існує три різновиди генераторів:
а) з паралельним збудженням;
б) з послідовним збудженням;
в) зі змішаним збудженням.
Генератор з паралельним збудженням (рис.5.12) - струм обмотки збудження становить 1-3% струму якоря. Генератор може бути навантажений тільки до визначеного значення критичного струму Iкр, після чого струм зменшується разом зі зменшуваною напругою. При короткому замиканні напруга U=0, струм збудження IЗБ=0, по якорю тече струм короткого замикання Iкз, обумовлений тільки потоком залишкового магнетизму, що не представляє пожежної небезпеки.
Однак, при раптовому короткому замиканні (тобто швидкій зміні струмів I і IЗБ) магнітний потік не встигає швидко змінитися (зменшитися), струм раптового КЗ великий, і на колекторі виникає круговий вогонь.
Достоїнства генератора: не потрібне джерело струму збудження, на виході досить стійка напруга.
|
|
Рис.5.12 - Генератор з паралельним збудженням та його зовнішня характеристика
Генератор з послідовним збудженням (рис.5.13). Струм збудження завжди дорівнює струму навантаження. Напруга генератора різко залежить від навантаження. Тому такі генератори застосовуються рідко, тільки при роботі з постійним навантаженням.
|
|
Рис.5.13 - Генератор з послідовним збудженням та його зовнішня характеристика.
Генератор зі змішаним збудженням (рис.5.14). Даний генератор має дві обмотки збудження - паралельну (шунтову) і послідовну (серієсну). Якщо обмотки включаються узгоджено, то сили, що намагнічують, складаються. Паралельна обмотка збуджує машину при холостому ході і номінальній напрузі.
|
|
Рис.5.14. Генератор зі змішаним збудженням та його зовнішня характеристика.
Послідовна обмотка обирається таким чином, щоб її магніторушійна сила (МРС) компенсувала реакцію якоря і падіння напруги в якорі за визначеної величини навантаження, забезпечуючи автоматичне регулювання напруги. На рис.5.14 приведена зовнішня характеристика генератора з нормальною послідовною обмоткою збудження (І - робоча зона послідовної обмотки, ІІ - робоча зона паралельної обмотки).
Реакція якоря - магнітне поле якоря машини впливає на магнітне поле полюсів. У результаті зміщується фізична нейтраль - лінія, що з'єднує точки, у яких магнітна індукція дорівнює нулю.
Генератори постійного струму зі змішаним збудженням набули найбільше застосування.
Загальні відомості про двигуни постійного струму. Основне достоїнство двигуна постійного струму - можливість регулювати в широких межах оберти вала.
Рівняння режиму руху. Повна електрична потужність, що отримується з мережі, перетворюється на корисну механічну потужність і потужність втрат (за відсутності навантаження - втрати в якорі, за рахунок його опору rя):
. (5.40)
За відсутності навантаження:
(5.41)
тобто напруга, прикладена до затискачів якоря, витрачається на компенсацію ЕРС двигуна і подолання опору обмотки якоря.
Пуск двигуна в хід. У момент пуску двигуна частота обертання якоря дорівнює нулю, тому Ед=0.
Тоді
. (5.42)
Оскільки rя (опір якорю) малий, то при пуску двигуна виникає великий пусковий струм, що неприпустимо.
Способи пуску двигуна в хід:
1) Пряме включення - для двигунів малої потужності (1-2 кВт). При цьому в момент пуску виникає кидок струму і удар по деталях приводу.
2) Введення реостату в коло якоря (для обмеження пускового струму).Тоді пусковий струм:
. (5.43)
Величину опору пускового реостата вибирають такою, щоб пусковий струм двигуна не перевищував подвійного значення номінального струму:
, (5.44)
де
.
3) Зміна напруги джерела живлення.
Регулювання частоти обертання вала якоря двигуна
Рівняння режиму руху:
.
ЕРС двигуна:
,
де с- const;
n - частота обертання якоря (об/хв);
Ф- магнітний потік полюсів.
Тоді:
. (5.45)
тобто обороти вала двигуна можна регулювати трьома способами:
1) Змінюючи напругу на затискачах якоря. Застосовується у двигунів з незалежним збудженням. Діапазон регулювання 1:10.
2) Змінюючи опір у колі якоря - за допомогою спеціального реостата, включеного послідовно в коло якоря. Застосовується для двигунах малої потужності через неекономічність способу.
3) Змінюючи магнітний потік Ф (основний спосіб) - за допомогою реостата в колі збудження. Діапазон регулювання 1:3.
Реверс двигуна здійснюється шляхом зміни напрямку струму в обмотці якоря або в обмотці збудження.
Електромагнітний момент двигуна:
М = к · Ія · Ф, [Н · м], (5.46)
де - коефіцієнт пропорційності;
Ія - струм якоря;
Ф - магнітний потік.
Характеристики двигунів постійного струму: пускові, робочі, механічні, регулюючі. Розглянемо тільки дві:
1) залежність моменту від струму якоря 
,
2) залежність частоти обертання від струму якоря 
.
Класифікація двигунів за способом збудження не відрізняється від класифікації генераторів постійного струму.
Двигун з паралельним збудженням (шунтовий).
З формули 
, враховуючи, що 
- мала величина, витікає, що число обертів вала двигуна слабко залежить від струму якоря, тобто величини навантаження. Враховуючи, що 
- пряма лінія. Частоту обертів регулюють реостатом в колі збудження.
Рис.5.15 - Характеристики шунтового двигуна.
Двигуни з паралельним збудженням використовують в механізмах, що потребують постійної швидкості обертів вала - станках, вентиляторах, тощо.
Двигун з послідовним збудженням (серієсний). Обмотка збудження включена послідовно з якорем, тому
,
,
(Ф~Iя) 
- гіпербола.
Частота обертів вала сильно залежить від струму якоря (величини навантаження). За малого навантаження струм якоря падає, а число обертів зростає. Тому відсутність навантаження призведе до "розносу" (аварії) двигуна. Частоту обертів регулюють зміною напруги мережі або реостатом в колі магнітного потоку.
Рис.5.16 - Характеристики серієсного двигуна.
Достоїнство серієсного двигуна - великий пусковий момент.
Двигуни з послідовним збудженням використовують як тягові двигуни електровозів, трамваів, тощо.
Двигун зі змішаним збудженням (компаундний). Відрізняють зустрічне та узгоджене включення обмоток.
Зустрічне включення обмоток: 
~const.
- близько до шунтових.
Рис.5.17 - Характеристики компаундного двигуна при зустрічному включенні обмоток.
Згодне включення обмоток: 
~const.
- близько до шунтових.
Рис.5.18 - Характеристики компаундного двигуна при узгодженому включенні обмоток.
Частоту обертів регулюють реостатом в колі паралельної обмотки збудження.
Двигуни зі змішаним збудженням використовують у механізмах з маховиками, часто це двигуни тролейбусів. Рознос (аварія) двигуна можливий при обриві паралельної обмотки.
З точки зору пожежної небезпеки найбільш небезпечною частиною електричних машин постійного струму є колектор зі щитковим вузлом. Колектор навіть за нормальної роботи електричної машини є джерелом іскріння. При погіршенні електричного контакту між щитками та колектором збільшується перехідний опір у місці контакту. Внаслідок цього збільшується і тепловиділення. За несприятливих умов може виникнути навіть так званий "круговий вогонь".
| « 5.1 Трансформатори. | 5.3 Електричні машини змінного струму. » |