Обратимость машин постоянного тока

Всякая машина постоянного тока может работать и ге­нератором, и двигателем. Присоединим машину с парал­лельным возбуждением к сети постоянного тока. Соединим щетку «+» с положительным полюсом сети, а щетку «–» с отрицательным. В якоре нашей машины потечет ток, имею­щий направление, прямо противоположное току, протека­ющему в якоре, когда машина работала генератором. Ток в обмотке возбуждения сохранит прежнее направление. Применяя правило левой руки, можно определить направ­ление силы, действующей теперь на якорь.

Эта сила будет стремиться вращать якорь. Об этом можно догадаться и непосредст­венно: в самом деле, ток теперь течет в другом направле­нии, чем когда машина работала генератором, а при работе генератором взаимодействие тока и магнитного поля пре­пятствовало вращению якоря. Итак, когда мы машину постоянного тока включим в  сеть, в ней потечет ток и она будет вращаться.

Посмотрим теперь, как машину постоянного тока мож­но перевести из условий работы двигателем в условия ра­боты генератором.

Пусть наш двигатель присоединен к сети и не имеет никакой механической нагрузки, т. е. двигатель рабо­тает вхолостую. Скорость при этом будет такой, что наво­димое напряжение будет очень мало отличаться от напря­жения сети. В обмотке якоря будет протекать очень малый ток, нужный только для того, чтобы создать усилие, преодо­левающее трение в самой машине. Будем раскручивать на­шу машину, заставим ее вращаться быстрее. Что при этом произойдет? Напряжение, наводимое в якоре, может ока­заться уже больше напряжения сети, тогда ток изменит направление. Ток будет протекать по направлению, опре­деляемому напряжением, наводимым в якоре. Теперь снова его взаимодействие с магнитным полем будет тормозить вращение якоря.

Для вращения якоря теперь нужно затрачивать механи­ческую мощность; ток течет в направлении, определяемом напряжением, наводимым в якоре, и, следовательно, наша машина начала работать генератором.

 

Двигатели постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока ос­нован на взаимодействии проводника с током с по­стоянным магнитным полем электромагнитов. Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в об­мотках якоря и электромагнитов установится ток, и на каждый проводник обмотки якоря, находящийся в магнитном поле электромагнитов, начнет действо­вать сила, стремящаяся повернуть якорь (рис. 12.1, а). Из рисунка 12.1 видно, что при изменении направ­ления тока только в якоре (рис. 12.1, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 12.1, в) направление вра­щения якоря изменяется на противоположное. При од­новременном изменении направления тока в обеих об­мотках направление вращения якоря не изменяется (рис. 12.1, г). Отсюда следует, что для изменения на­правления вращения двигателя постоянного тока сле­дует поменять местами либо концы обмотки якоря, либо концы обмотки возбуждения.

Если двигатель постоянного тока с сопротивле­нием обмотки якоря R_H включить в сеть с напряже­нием U, то в момент пуска в якоре установится ток

                                                 12. 1

 

Поскольку сопротивление якоря мало, то пуско­вой ток в нем будет очень большим, превышая номи­нальный в десятки раз. От такого тока может пост­радать обмотка якоря, а также коллектор и щетки. Пусковой ток можно ограничить путем включения последовательно с обмоткой якоря пускового реоста­та.

Рис. 12. 1. Изменение направления вращения двигателя постоянного тока

 

В результате взаимодействия якоря с магнитным полем полюсов якорь начнет вращаться. Так как его обмотка начнет вращаться в магнитном поле, то в ней будет индуцироваться ЭДС, которая будет направлена против приложенного к двигателю напряжения. Ве­личина этой ЭДС прямо пропорциональна числу обо­ротов двигателя и величине магнитного потока. Од­нако, в отличие от генератора, в двигателе эта ЭДС будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины:

                                          12. 2

откуда ток в якоре при выведенном пусковом реос­тате будет равен:

                                              12. 3

Умножив обе части уравнения (12.2) на I _я, по­лучим:

                                       12. 4

Левая часть уравнения (12.4) представляет со­бой электрическую мощность, потребляемую двига­телем из сети, а второй член правой части I _Я ² R – мощность, поглощаемую сопротивлением якоря. Оче­видно, что 1_яε – это полезная электрическая мощ­ность, та часть потребляе­мой из сети электрической мощности, которая пре­образуется двигателем в механическую (включая ме­ханические потери). Таким образом, ЭДС самоиндук­ции в двигателе постоянного тока влияет на преобра­зование потребляемой из сети электрической энер­гии в механическую.

Определим ско­рость вращения двигателя постоянного тока:

                                          12. 5

I _Я ² R – мощность, поглощаемая сопротивлением якоря;

U – подводимое напряжение; Ф – величина магнитного потока;

Мы видим, что скорость вращения двигателя пря­мо пропорциональна подводимому напряжению и об­ратно пропорциональна величине магнитного потока. Отсюда следует, что регулирование скорости враще­ния двигателя постоянного тока можно осуществлять либо изменяя сопротивление цепи якоря (при посто­янном напряжении сети), либо путем изменения маг­нитного потока.