6.5. Принцип действия двигателя постоянного тока
Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре вращающий электромагнитный момент Мэм.
(6.11)
где ω – угловая частота вращения якоря (рад/с).
Под действием электромагнитного момента якорь машины начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя.
В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа , направление которой определяют по правилу «правой руки». В двигателе ЭДС направлена против тока Ia , и поэтому ее называют противо-ЭДС якоря.
Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря:
(6.12)
На основании (6.12) ток якоря определяется по формуле:
(6.13)
Умножив обе части уравнения (6.12) на ток якоря Ia , получим уравнение мощности для цепи якоря:
(6.14)
где
— электрическая мощность, подводимая
к якорю;
— мощность электрических потерь в цепи
якоря.
- электромагнитная мощность, представляющая
собой полную электрическую мощность,
которая преобразуется в полезную
механическую мощность и расходуется
на покрытие магнитных (потери в стали
якоря), механических и добавочных потерь.
6.6. Пуск двигателя
Ток якоря двигателя определяется формулой (6.13). Если принять U и неизменными, то ток Iа зависит от противо-ЭДС Еа.
В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Еа=0). Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток:
(12.15)
Обычно сопротивление ra невелико, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.
Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. Этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту сеть.
Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть обычно применяют для двигателей мощностью не более 1,0 кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).
По мере разгона якоря двигателя ступени пускового реостата R плавно выводятся, и пуск двигателя заканчивается. Сопротивление пускового реостата R выбирают обычно таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 2—3 раза.
Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызывает значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты обладают большими массогабаритными показателями. Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск двигателя путем понижения напряжения.