РОЗДІЛ 2
Теоретичні відомості про електричні машини постійного струму

2.3 Принцип дії двигуна

Принцип дії електричних двигунів постійного струму базується на взаємодії провідників обмотки якоря, по яких протікає струм, з магнітним полем полюсів машини, в якому знаходяться провідники.

Основне поле Ф у двигуні, як і в генераторі, створюється струмом обмотки збудження, а струм і_а в провідниках обмотки якоря протікає під дією підведеної до неї постійної напруги. Сила, що діє на провідник, визначається законом Ампера (2.10) [1, 2].

Напрям цієї сили визначається правилом лівої руки. Обмотка якоря намотується таким чином, щоб одна сторона секції (витка) знаходилась під північним (N) полюсом, а друга – під південним (S). Тому, щоб якір обертався увесь час в одну і ту саму сторону, при переході провідника з-під північного полюса під південний напрям струму в ньому повинен змінюватися на протилежний. Напрям струму в провідниках обмотки якоря при переході їх через лінію геометричної нейтралі змінюється за допомогою колектора. Таким чином, колектор у двигуні перетворює постійний струм джерела живлення в змінний струм у секції (витку) обмотки якоря, тобто виконує функцію інвертора струму. Зміна напряму струму у витку за допомогою колектора показана на рис. 2.6 [1].

Рисунок 2.6 – Процес створення обертового моменту в двигуні постійного струму

Виток 1-2 (рис. 2.6, а) розміщений у магнітному полі полюсів. Кінці його припаяні до колекторних пластин А і В. Під дією прикладеної до щіток напруги у витку протікає струм і_а. Визначивши за правилом лівої руки напрямок сил, що діють на провідники 1 і 2, бачимо, що виток буде обертатися проти руху годинникової стрілки. В позиції рис. 2.6, б виток пройде геометричну нейтраль за рахунок сил інерції (якщо він один) або під дією інших витків,      які в цей час не знаходитимуться на геометричній нейтралі (у реальній машині). В позиції (рис. 2.6, в), коли сторона 1 витка перейшла в зону дії південного полюса, а сторона 2 – у зону дії північного, напрям струму у витку зміниться на протилежний, тому що під щіткою позитивної полярності виявилася пластина В, а під щіткою негативної полярності – пластина А. Отже, на виток діє момент такого ж напряму, як   і в позиції рис. 2.6, а, і він буде продовжувати обертатися в ту ж саму сторону.

При обертанні якоря в магнітному полі полюсів у провідниках його обмотки буде індукуватися ЕРС, напрямок якої визначається, як і в генераторі, за правилом правої руки, але він завжди протилежний напрямку струму в провідниках обмотки якоря (рис. 2.7). В зв’язку з тим, що струм в обмотці якоря створюється прикладеною напругою, ЕРС якоря спрямована назустріч цій напрузі живлення. Тому таку ЕРС називають протиЕРС.

Рисунок 2.7 – До пояснення протиЕРС

Величини електромагнітного моменту Μ двигуна і ЕРС, індукованої в обмотці якоря, визначаються за тими ж виразами, що і для генератора:

Прикладена до обмотки якоря двигуна напруга врівноважується наведеною в ній протиЕРС, а також спадом напруги в якірному колі:

                                              .                                            (2.13)

В номінальному режимі роботи двигуна велика частина напруги (близько 95%) врівноважується протиЕРС, а на спад напруги приходиться близько 5%. В пусковому режимі при вмиканні двигуна в мережу в перший момент якір ще нерухомий (w = 0), тому E = c_мwФ = 0 і вся прикладена напруга врівноважується тільки спадом напруги в якорі І_аR_a. Внаслідок цього струм якоря при пуску буде перевищувати струм номінального режиму приблизно в 20 разів, що є недопустимим. Щоб обмежити пусковий струм, у коло якоря двигуна вводять пусковий реостат R_п, який повинен обмежувати струм приблизно до 1,5І_а.ном (І_а.ном – номінальний струм якоря). По мірі розгону двигуна реостат повинен виводитися і при роботі в номінальному режимі струм у якорі обмежується в основному наведеною в обмотці протиЕРС:

                                                                              (2.14)

Для зміни напряму обертання двигуна необхідно змінити напрям обертового моменту, який він розвиває. Це можна зробити одним із двох способів:

1) зміною полярності напруги, підведеної до якоря двигуна, і, як наслідок, напряму струму якоря;

2) зміною напряму магнітного потоку головних полюсів, для чого змінюється напрям струму в обмотці збудження.

На практиці здебільшого використовується перший спосіб.

Розглянувши принципи дії генератора і двигуна, можна зробити висновок про те, що машини постійного струму оборотні. Це значить, що за певних умов генератори можуть працювати як двигуни і навпаки. Можливість двигунів працювати як генератори і, як наслідок, розвивати гальмівний момент, широко використовується на практиці.