Двигатель постоянного тока

Вращая генератор постоянного тока какой-нибудь внешней силой, мы затрачиваем определенную механическую мощность P_мех, а в сети получаем соответствующую злектрическую мощность Р_эл. Проделаем теперь с генератором постоянного тока обратный опыт. Подключим к зажимам генератора какой-нибудь внешний источник тока, например аккумуляторную батарею, и пропустим ток от этого источника через индуктор и якорь генератора, соединенные последовательно или параллельно, как на рисунке 1. Мы увидим, что тотчас же якорь генератора прийдет во вращение. Соединив вал якоря со станком, мы можем привести в движение и станок. Генератор будет теперь работать как электрический двигатель. Теперь превращение энергии происходит в обратном направлении: мы затрачиваем определенную электрическую мощность Р_эл, которую мы заимствуем от внешнего источника тока, и превращаем ее в соответствующую механическую мощность Р_мех.

индуктор

якорь Шетки коллектора

к сети

Рис. 1.

Происхождение сил, создающих действующий на якорь электродвигателя вращающий момент, понять не трудно. Когда мы пропускаем ток через витки якоря, находящиеся в магнитном поле индуктора, то на них действуют силы, перпендикулярные к направлению тока и направлению индукции магнитного поля; направление этих сил может быть определено по правилу левой руки.

На рисунке 2 показаны силы, действующие на отдельные проводники обмотки(секции) якоря в момент, когда плоскость этой обмотки расположена под некоторым углом к направлению магнитного поля. Легко видеть, что силы, действующие на проводники bc, ag и de, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, всегда направлены параллельно этой оси. Поэтому они не создают вращающего момента якоря, а стремятся лишь деформировать(сжать или растянуть) его обмотку. Силы же, действующие на проводники ab и cd, параллельные оси вращения, перпендикулярны к этой оси и создают вращающий момент, который и приводит во вращение вал якоря и связанные с ним валы станков, оси трамваев и т.п.

Рис. 2.

Действующий на якорь механический вращающий момент имеет наибольшее значение тогда, когда соответствующая обмотка лежит в плоскости, параллельной направлению магнитного поля. По мере поворота обмотки этот вращающий момент уменьшается и обращается в ноль, когда обмотка становится перпендикулярно к направлению поля. В этом положении силы, действующие на проводники ab и cd, лежат в одной плоскости (плоскости обмотки), так что они не создают вращающего момента, а стремятся только деформировать обмотку. При дальнейшем повороте обмотки знак вращающего момента меняется, т.е. он начинает действовать в противоположную сторону. Поэтому если бы не было коллектора, то направление вращающего момента менялось бы после каждого полуоборота якоря, и длительное вращение было бы не возможно. Но, коллектор изменяет направление тока в обмотках как раз в те моменты, когда обмотка стоит перпендикулярно к линиям поля. Благодаря этому вращающий момент сохраняет свое направление и якорь вращается постоянно в одну сторону.

Таким образом, когда машина работает как генератор постоянного тока, то роль коллектора заключается в выпрямлении переменного тока, индуцируемого в ее обмотках, а когда машина работает как двигатель, то коллектор таким же образом “выпрямляет” вращающий момент, т.е. заставляет машину длительно вращаться в одну сторону.

Направление вращения коллекторного двигателя зависит от соотношения между направлением магнитного поля индуктора и направлением тока в якоре. Различные возможные здесь случаи изображены на рис. 3, из которого видно, что, для того чтобы изменить направление вращения двигателя, нужно изменить направление тока либо в якоре машины, либо в ее индукторе. Если же одновременно изменить направление обоих токов, например присоединим тот зажим машины, который раньше был соединен с положительным зажимом сети, к отрицательному и наоборот, то машина будет продолжать вращаться в прежнюю сторону.

Рис. 3.

Из этого ясно, что снабженный коллектором электродвигатель постоянного тока может работать и от сети переменного тока, потому что при каждом изменении направления тока будет одновременно изменятся и направление тока в индукторе и в якоре. Однако такие коллекторные двигатели переменного тока применяются сравнительно редко, преимущественно в виде двигателей малой мощности. В технике чаще всего применяются трехфазовые электродвигатели с вращающимся полем.

Силы, действующие в магнитном поле на проводники якоря, по которым идет ток, существуют и тогда когда этот ток возникает в результате индукции, т.е. машина работает как генератор, и тогда, когда этот ток посылается внешним источником, т.е. машина работает как двигатель.

Когда машина работает как генератор, эти силы по правилу Ленца направлены так, чтобы создаваемый ими вращающий момент тормозил процесс, вызывающий появление индуцированной э.д.с., т.е. был противоположен тому моменту, который приводит генератор во вращение. Таким образом, в этом случае приводящие генератор во вращение внешние силы должны преодолеть, уравновесить те силы, которые действуют на якорь в магнитном поле. Понятно, что эти силы тем дольше, чем больше ток в якоре, т.е. чем больше электрическая мощность, потребляемая в сети, которую питает генератор. Поэтому по мере возрастания электрической нагрузки генератора, т.е. отдаваемой им электрической мощности P_эл, возрастает и механическая мощность P_мех, которую нужно затратить, чтобы поддержать его вращение с прежней частотой. В этом легко убедится, если попробовать вращать ротор генератора от руки. При работе генератора вхолостую (без нагрузки) или при очень малой нагрузке приходится делать лишь очень небольшое усилие, чтобы вращать его. Но если мы подключим к генератору лампочку накаливания мощностью, скажем, 100 Вт и попробуем вращать ротор генератора так, что мы убедимся, что это очень трудно. Приходится затрачивать большое усилие, чтобы преодолевать силы, действующие в магнитном поле индуктора на активные проводники якоря, через которые теперь проходит ток около 1А. Таким образом, по мере возрастания нагрузки генератора, т.е. отдаваемой им электрической мощности P_эл, возрастает и поглощаемая им механическая мощность P_мех, необходимая для поддержания прежней частоты вращения ротора и прежнего напряжения.

Точно так же, когда машина работает в качестве двигателя, при возрастании ее механической нагрузки, т.е. при увеличении отдаваемой ею механической мощности, должна соответственно возрастать и поглощаемая ею из сети электрическая мощность, т.е. должен увеличиваться ток через якорь. В правильности этого легко убедиться, включив в цепь якоря амперметр. Когда двигатель работает вхолостую или совершает очень небольшую работу, ток в цепи якоря очень мал. Увеличим теперь нагрузку якоря, например тормозя его вал или присоединив к двигателю какой-нибудь станок. Мы заметим, что при этом ток через якорь, измеряемый амперметром, автоматически усилиться до необходимого значения, при котором отбираемая от сети электрическая мощность равна затрачиваемой двигателем полезной механической мощности плюс неизбежные потери на нагревание проводников током, на перемагничивание железа в якоре и на трение в движущихся частях соединенного с ней станка.