Электрические машины постоянного тока тепловоза

Электрические машины постоянного тока тепловоза

Электрические машины обладают уникальным свойством обратимости, т.е. при некоторых условиях они могут работать как электродвигатель, а при других как генератор электрической энергии. Обладают этим свойством и тяговые двигатели электровозов и тепловозов.

Применение электродинамического торможения (ЭДТ)

Электродинамическое торможение – это режим когда кинетическая энергия поезда преобразуется в электрическую и далее передается другим потребителям при рекуперативном торможении или гасится на тормозных резисторах при реостатном торможении.

Рекуперативное торможение возможно только на электровозах, при этом генерируемая энергия возвращается в контактную сеть, где может быть потреблена другими электровозами следующими в тяговом режиме, а при отсутствии таковых возвращена в электрическую сеть энергосистемы страны. Существуют локомотивы с функцией рекуперативного торможения, как для постоянного тока, так и для переменного. Реостатное торможение применяется в основном на тепловозах, а также на некоторых сериях электровозов (ВЛ-80т, ЧС-4т). При данном виде торможения электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, расходуется на специальных тормозных резисторах, где она преобразуется в тепловую энергию.

Необходимость применения электродинамического торможения

Применение электродинамического торможения целесообразно с многих точек зрения. Его применение позволяет повысить безопасность движения поездов – поскольку при применении ЭДТ пневматические тормоза не задействованы, то тормозная система поезда всегда готова к применению. В связи с этим отсутствует опасность следования на запрещающий сигнал светофора с истощённой, незаряженной тормозной магистралью.

Применение электродинамического торможения позволяет повысить скорость движения. Так, при использовании пневматического торможения скорость движения сначала возрастает до максимальной, а затем при торможении ее необходимо существенно снизить, чтобы успеть зарядить тормозную систему до повторного возрастания скорости до максимальной. Таким образом, средняя скорость движения будет существенно ниже допустимой скорости движения по данному участку, особенно на участках с большими уклонами. При электродинамическом торможении можно следовать при скорости максимально приближенной к допустимой длительное время. Также необходимо отметить возможность выхода со спуска на площадку или на подъем с максимально допустимой скоростью. Применяя пневматические тормоза такого добиться более затруднительно. Кроме того применение рекуперативного торможения может существенно уменьшить расход электрической энергии затраченной на проведение поезда по участку. Особенно существенное снижение происходит на участках с горным профилем, на котором существуют «вредные спуски».

Порядок применения рекуперативного торможения

При приемке локомотива необходимо убедиться в исправности электрической схемы рекуперативного торможения. Проверяется работа возбудителей, плавность нарастания тока возбуждения при увеличении позиций. Работу электроблокировочного клапана и клапана замещения . Электроблокировочный клапан препятствует наполнению тормозных цилиндров локомотива от воздухораспределителя при собранной схеме рекуперации. Это необходимо для предупреждения юза колесных пар, поскольку при рекуперативном торможении создается большая тормозная сила и если к ней добавить тормозную силу тормозных колодок, то суммарно они могут стать больше чем сила сцепления колеса с рельсом. Электроблокировочный клапан, как правило, дополняется еще одним пневмоэлектрическим датчиком, контролирующим давление в ТЦ создаваемое краном вспомогательного тормоза. Поскольку исключить действие вспомогательного тормоза локомотива в режиме рекуперативного торможения невозможно, то для предупреждения юза колесных пар давление в ТЦ ограничивается на уровне 1,2-1,5 Атм. При превышении данного значения происходит автоматический разбор схемы рекуперативного торможения. Клапан замещения играет роль защиты для предупреждения от разрыва поезда в случае внезапного отключения схемы рекуперации. Поскольку при рекуперативном торможении вся тормозная сила сосредоточена на локомотиве и наибольшее ее значение приложено между локомотивом и первым вагоном, то демпферные устройства первых вагонов имеют наибольшее сжатие. В случае если происходит внезапное отключение рекуперативного торможения, то сжатые пружины резко разжимаются и при этом локомотив получает значительное ускорение. С учетом его значительной массы данный рывок может привести к обрыву автосцепки. Для исключения данных случаев на электровозах устанавливается клапан замещения – при срыве рекуперации он автоматически, без участия машиниста, производит наполнение тормозных цилиндров до давления 1,5 2 Атм. После разбора схемы рекуперативного торможения, действие данного клапана прекращается.

При следовании по участку необходимо заранее определить места, на которых будет применяться рекуперативное торможение и скорость его применения. Скорость следования в режиме ЭДТ в любом случае должна быть на 5-10 км/час ниже допустимой. Это требование необходимо из условий безопасности движения. Так, при срыве рекуперативного торможения, машинисту необходимо некоторое время для разбора схемы рекуперации и применения автотормозов поезда. Поскольку действие автотормозов происходит с задержкой, то за это время скорость может значительно увеличиться и превысить разрешенную.

При следовании по спуску сбор схемы рекуперации необходимо начинать на 5-10 км/час ниже, чем необходимо для длительного следования. Для этого сначала необходимо сжать головную часть поезда, для чего производят наполнение тормозных цилиндров до давления 0,5-1,0 Атм краном вспомогательного тормоза. Производится запуск мотор-генераторов (возбудителей), селективной рукояткой устанавливается соединение тяговых двигателей соответствующее планируемой скорости движения. Постепенно увеличивая ток возбуждения ТЭД, контролируют появление тормозного тока. После появления тормозного тока необходимо выдержать несколько секунд для более полного сжатия состава, после чего отпустив тормоза локомотива увеличивать тормозную силу увеличением тока рекуперации. Недопускается быстро увеличивать тормозную силу, поскольку это может привести к набеганию хвостовой части поезда и возникновению значительных продольно-динамических реакций. Если скорость ниже необходимой, то силу тока устанавливают несколько меньшей, чем необходимо для установившегося движения. По мере роста скорости ток ТЭД, а следовательно, и тормозная сила, будет возрастать что впоследствии приведет к стабилизации скорости. При дальнейшем движении по спуску необходимо контролировать изменения напряжения контактной сети и при необходимости производить корректировку тормозного тока. При наличии на спуске участков различной крутизны необходимо корректировать тормозной ток для поддержания стабильной скорости. Так при наличии впереди более пологого участка необходимо снижать тормозную силу, а после его проследования и выхода вновь на более крутой спуск ее увеличить. Изменения должны происходить плавно с выдержкой по несколько секунд на каждой позиции. Если пологий участок достаточно длинный, то допускается заблаговременное снижение тормозного тока. Это позволит увеличить скорость перед пологим участком и не допустить значительного замедления на нем.

При необходимости прекращения рекуперативного торможения тормозной ток плавно уменьшается, это позволяет демпферным устройствам головных вагонов «разжаться». После снижения тока якоря до 50-150 А, производят наполнение тормозных цилиндров краном вспомогательного тормоза до давления 0,8-1,0 Атм, после чего производят отключение рекуперативного торможения. После того как действие рекуперативного торможения прекратилось, увеличивают давление в ТЦ до 1,5-2,0 Атм и после выдержки 10-15 сек плавно, ступенями, производят отпуск вспомогательного тормоза. Выключают мотор-генератор, в случае если далее будет необходим тяговый режим, то производят соответствующие переключения, если же планируется вновь применять рекуперативный режим, то переключения можно не производить. Выключение режима ЭДТ лучше производить с таким расчетом, чтобы в конце спуска и переходе на подъем или площадку поезд развил максимально-допустимую скорость. Данный метод позволяет значительную часть подъема проследовать на выбеге или с уменьшенными токами, что позволит уменьшить расход электроэнергии и защитить ТЭД от перегрева.

Достоинства и недостатки видов ЭДТ

Для всех видов ЭДТ недостатком является то, что при следовании по спуску тяговые электродвигатели находятся в работе, в связи с чем их температура не снижается, либо снижается медленно, а при следовании с током выше часового – повышается. Поэтому, если за спуском расположен подъем, то на нем может произойти перегрев ТЭД. Возникновение данной ситуации конечно маловероятно, но, тем не менее, при вождении тяжелых поездов на затяжных подъемах и спусках необходимо учитывать данное обстоятельство. Еще одним недостатком является то, что при ЭДТ под воздействием реакции якоря существенно изменяется местоположение физической нейтрали. В данном случае коммутация в коллекторно-щеточном узле происходит в точке с ненулевым потенциалом, что ведет к увеличению искрения, опасности возникновения кругового огня по коллектору, повышенному износу щеток и коллектора. В современных двигателях устанавливаются компенсационные обмотки, которые несколько уменьшают данный недостаток.

Реостатное торможение

К достоинствам реостатного торможения можно отнести относительно простую схему, тормозные характеристики не зависят от внешних факторов (колебания напряжения контактной сети). На электровозах переменного тока не требуется сложное преобразование постоянного тока в переменный. Применение реостатного торможения возможно практически до полной остановки поезда.

К недостаткам данного вида можно отнести ограниченную мощность, которая определяется мощностью рассеивания тормозных резисторов, а также необходимость применения охлаждающих вентиляторов для них.

Рекуперативное торможение

Одним из основных достоинств рекуперативного торможения является возврат электрической энергии и снижение ее общего расхода на тягу поездов. Второе – это то, что рекуперативное торможение является более мощным по сравнению с реостатным, в данном случае она ограничена мощностью тяговых двигателей и наличием потребителей. К достоинствам также можно отнести автоматические тормозные характеристики. При правильно выбранном соединении и позиции происходит автоматическое поддержание выбранной скорости (относительно небольшие изменения) при изменениях профиля пути. Так, если по каким-то причинам произошло снижение скорости, то в ответ на это уменьшается ток рекуперации и как следствие – замедляющие усилие. Тем самым скорость прекращает снижаться и стабилизируется на новом уровне. При росте скорости ток рекуперации наоборот возрастает, а вместе с ним и замедляющее усилие, что также приводит к ее стабилизации.

К недостаткам рекуперативного торможения можно отнести более сложную схему работы ТЭД, зависимость тормозных характеристик от напряжения в контактной сети. От нее также зависит и отдаваемая мощность в рекуперативном режиме, и даже сама возможность его применения. Поскольку для возникновения эффекта рекуперации необходимо превышение напряжения вырабатываемого ТЭД над напряжением в контактной сети, то при повышенном напряжении в ней применение рекуперативного торможения становится невозможным. Также к недостаткам можно отнести невозможность применения рекуперативного торможения при малых скоростях движения, поскольку даже последовательно соединенные ТЭД не вырабатывают достаточного напряжения для возникновения рекуперативного эффекта. Необходимо также отметить тот фактор, когда при значительном изменении напряжения контактной сети изменяется ток рекуперации и соответственно тормозная сила электровоза. При возникновении таких ситуаций машинисту необходимо самому корректировать ток рекуперации. В 80-е годы ХХ века производились работы по улучшению работы схемы рекуперативного торможения. Так на электровозах ВЛ-11 впервые была применена система автоматического управления рекуперативным торможением (САУРТ). Данная система производила стабилизацию якорного тока ТЭД независимо от изменения напряжения в контактной сети или скорости движения. Однако в данном виде пропадал эффект автоматических тормозных характеристик. Так, например, при снижении скорости снижалось напряжение, вырабатываемое ТЭД, и как следствие снижение якорного тока. Система САУРТ для поддержания тока якоря на заданном уровне производила повышение тока возбуждения, таким образом, при снижении скорости ток якоря оставался постоянным, а ток возбуждения возрастал, что приводило к усилению замедляющей силы и к еще большему снижению скорости. С данной системой отпала необходимость контролировать ток рекуперации при колебаниях напряжения в контактной сети, но появилась необходимость контролировать скорость движения и при необходимости корректировать ток якоря. Тем не менее, несмотря на имеющиеся недостатки, применение рекуперативного торможения наиболее желательно.

ЭДТ на современных локомотивах

Современные локомотивы оборудуются микропроцессорными системами управления локомотива, которые позволяют в значительной степени улучшить работу электродинамического торможения. В этих системах могут быть реализованы функции автоматического поддержания заданной скорости или тормозного усилия, производится стабилизация замедляющей силы при изменениях напряжения в контактной сети. На новых локомотивах реализованы оба вида торможения. Так, в основном диапазоне скоростей применяется рекуперативное торможение, а на малой скорости происходит автоматический переход на реостатное торможение и диапазон его применения распространяется практически до остановки. Возможно подключение тормозных реостатов и в рекуперативном режиме. Оно производится, когда напряжение в контактной сети приближается к максимально-допустимому и при этом требуется усиление замедляющей силы. В данной ситуации тормозные сопротивления потребляют часть мощности вырабатываемой электровозом, позволяя тем самым сохранить или усилить замедляющий эффект. Кроме того на современных локомотивах отсутствует электромашинный преобразователь необходимый для возбуждения тяговых электродвигателей. Этот громоздкий и металлоемкий агрегат, со сложными схемами возбуждения заменили полупроводниковые преобразователи. Они гораздо эффективнее регулируют ток возбуждения, обладают высоким быстродействием и не требуют большого обслуживания.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ.

Электродвигатели всех вспомогательных машин — электромашины постоянного тока. Состоят из элементов, имеющих назначение, аналогичное назначению элементов тяговых электродвигателей, и подобное им конструктивное исполнение. Номинальное напряжение на коллекторах всех электродвигателей 3000 В, поэтому расчётное межламельное напряжение почти в два раза выше, чем у тяговых электродвигателей. Однако коммутация относительно устойчива, так как, во-первых, величина тока в обмотках якорей небольшая, а, во-вторых, отсутствует реверсирование. Кроме того, для ограничения величины пускового тока и бросков тока при колебаниях напряжения в контактной сети, в цепь электродвигателей вспомогательных машин включаются пусковые и демпферные резисторы. Пусковые резисторы, включаемые в цепь более мощных электродвигателей, автоматически выводятся из их цепи при уменьшении пускового тока до величины, близкой к номинальной, а демпферные — остаются включенными постоянно. Но, несмотря на применение этих резисторов, пусковой ток по величине кратковременно превышает в 5-7 раз номинальное значение. Для сокращения времени действия таких больших пусковых токов необходимо, чтобы при пуске электродвигатели развивали большой вращающий момент, приводящий к быстрому увеличению частоты вращения якоря, а следовательно противо-э.д.с., и к уменьшению пускового тока электродвигателя.

Как указывалось выше, электродвигатели вспомогательных машин не реверсируются, что позволяет все их обмотки соединить последовательно внутри машины и иметь только два выводных провода с маркировкой Я и КК, за исключением электродвигателя ТЛ-110М вентилятора. Кроме того, в отличие от тяговых электродвигате­лей, электродвигатели вспомогательных машин имеют самовентиля­цию. При такой системе вентиляции в двигателе устанавливается вентилятор с радиальными лопатками, вращающийся вместе с якорем. Исключение составляет тихоходный электродвигатель НБ-431П ком­прессора, обмотки которого охлаждаются от мотор-вентилятора. Как и у тяговых электродвигателей, щёткодержатели устанавливаются на поворотной траверсе, позволяющей отрегулировать положение щёток на нейтрали и добиться их безыскровой работы.

Все электродвигатели имеют четырех-полюсную систему возбуждения, за исключением электродвигателя П-11М вспомогательного компрессора, и волновую обмотку якоря, т.к. напряжение их на коллекторах составляет 3000В. Исключение составляет генератор преобразователя, который имеет петлевую обмотку, так как номинальный ток его обмотки якоря равен 800 А.

МОТОР-ВЕНТИЛЯТОР.

Мотор — вентилятор — это агрегат, состоящий из электродвигателя, генератора управления и центробежного вентилятора. Приводом этого агрегата является электродвигатель последовательного возбуждения типа ТЛ — 110М. На его удлинённый вал якоря с одной стороны напрессована по шпонке ступица колеса центробежного вентилятора, а с другой стороны — якорь генератора управления типа НБ-110.

4.2.1. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ТИПА ТЛ-110М МОТОР-ВЕНТИЛЯТОРА.

Мощность, кВт. 53,1

Напряжение на коллекторе, В……………………… 3000

Ток якоря, А. 20,6

Частота вращения, об/мин ………………………….. 990

Сопротивление обмоток при температуре 200 С, Ом:

главных полюсов. 2,9

дополнительных полюсов . 0,97

Класс изоляции по нагревостойкости:

полюсной системы …………………………………. F

Режим работы ……………………………………… продолжительный.

Система вентиляции н. самовентиляция

На электровозах ВЛ11 м установлены электродвигатели типа ТЛ-­110В, аналогичные по устройству электродвигателю ТЛ-11ОМ на ВЛ-10, но имеющие мощность 53, 9 квт, на 0,8 квт больше.

Основные элементы: остов 4 (рис.4.1,а), два подшипниковых щита 1 и 9, четыре главных (14,15) и четыре дополнительных (12,13) полюса (рис.4.1,б), якорь (5, 6,7,8,11) с коллектором (22,23,3,) вентилятор 10, щеточный узел (2, 3,1).

Остов.Остов 4 цилиндрической формы (рис.4.1). Служит для крепления основных элементов и является одновременно магнитопроводом. Имеет два отверстия под подшипниковые щиты, приливы28 для транспортировки, лапы 27 для крепления к фундаменту, приливы 29 для крепления коробки 30 с выводами и со стороны противопо­ложной коллектору, окна 26 для выхода охлаждающего воздуха.

Подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты служат для размещения моторно-якорных подшипников, то есть для центровки вала якоря, и создания запаса смазки. Оба щита крепятся к остову 4 болтами. Подшипниковый щит со стороны коллектора имеет смотро­вой люк, закрытый съемной крышкой 25 с отверстиями для засасывания охлаждающего воздуха. Кроме этого, он имеет приливы 31 для крепления лап остова генератора управления и продолговатые отверстия для прохода охлаждающего воздуха от генератора управления. Как и в тяговом электродвигателе, на валу якоря и в отверстиях щитов смонтированы детали подшипниковых узлов. На вал якоря с двух сторон напрессованы передние упорные кольца 16, внутренние кольца 17 якорных подшипников 19 и задние упорные кольца 18. В отверстиях щитов запрессованы наружные кольца подшипников 19 с роликами и сепараторами. Наружное кольцо подшипника со стороны коллектора зафиксировано в щите передней 20 и задней 21 крышками с вертикальными лабиринтами, скрепленными между собой и со щитом болтами. Внутреннее пространство между крышками образует подшипниковую камеру, заполненную при сборке на 2/3 объёма смазкой ЖРО в количестве 250-300 грамм. Устройство подшипникового щита со стороны противоположной коллектору отличается тем, что роль задней крышки выполняет сам подшипниковый щит. Добавление смазки производят через трубки 33.

Главные полюсы. Главные полюсы (рис.4.1,б) служат для создания основного магнитного потока двигателя. Полюс состоит из шихтованного, клёпанного сердечника 15 и катушки 14. Катушка намотана из изолированного провода прямоугольного сечения и имеет287 витков. Корпусная и покровная изоляции класса F Монолит: катушка изолирована стеклослюдинитовой лентой и вместе с сердечником пропитана в эпоксидном компаунде под давлением.

Дополнительные полюсы (добавочные).Дополнительные полюсы (рис.4.1,б) служат для улучшения коммутации. Полюс состоит из сплошного, стального сердечника 13 и катушки 12. Она имеет 120 витков и намотана из изолированного провода прямоугольного сечения. Удерживается на сердечнике при помощи латунных угольников. Сердечник крепится к остову через диамагнитную прокладку толщиной 3мм. Изоляция катушки аналогична изоляции катушки главных полюсов. Воздушный зазор между якорем и главными полюсами составляет 4 мм, а между якорем и дополнительными полюсами 5,7мм.

Якорь.Якорь служит для создания магнитного потока, который взаимодействует с магнитным потоком главных полюсов, создает вращающий момент двигателя. Якорь состоит из вала 11, коллектора (3, 22,23), передней нажимной шайбы 5, сердечника 6, задней нажимной шайбы 7 и обмотки якоря 8.

Сердечник якоря изготовлен из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, имеет 3 ряда аксиальных отверстий диаметром 22, 20 и 18 мм, центральное отверстие под вал якоря, по окружности 43 паза под катушки обмотки якоря и углубления под стеклобандаж, крепящий эти катушки. Сердечник напрессовывается на вал по шпонке.

Обмотка якоря волновая. Она имеет 43 катушки, в катушке 8 секций, в секции два витка из изолированного провода круглого сечения. Корпусная и покровная изоляции класса 8 (стеклослюдинитовая лента, фторопласт и стеклолента). Секции обмотки якоря впаиваются в прорези петушков коллекторных пластин. Для полного заполнения прорези применяют медные клинья. После этого обмотка якоря, как в пазовой, так и в лобовых частях закрепляется бандажами из стеклобандажной ленты.

Коллектор.Коллектор обеспечивает коммутацию, т.е. сохраняет постоянным направление тока в секциях обмотки якоря под каждым из главных полюсов. Состоит из корпуса 23 и нажимного конуса 22. между ними располагаются 343 медные коллекторные пластины 3 и столько же миканитовых пластин. Они изолируются от корпуса и нажимного конуса с боков миканитовыми манжетами (конусами), а снизу- миканитовым цилиндром. После изоляции пластин, корпус и нажимной конус стягиваются болтами. Как и у тягового электродвигателя, выступающая часть миканитовой манжеты, расположенной на нажимном конусе, с натягом бандажируется стеклобандажной лентой и последний её слой покрывается электроизоляционной эмалью НЦ-929 до получения ровной и гладкой поверхности. Собранный коллектор напрессовывается на вал якоря по шпонке. Эту часть коллектора называют изоляционным или миканитовым конусом. Для исключения попадания смазки на коллектор из подшипниковой камеры подшипникового щита, между корпусом коллектора и задней крышкой подшипникового щита, устанавливается маслоотбойное кольцо 24.

Щёточный узел. Щёточный узел служит для подвода тока через коллектор к обмотке якоря. Состоит из поворотной Г-образной траверсы 2, четырех изоляционных пальцев с закреплёнными на них щёткодержателями 32 со щётками.

Поворотная траверса 2 представляет из себя стальное кольцо с продолговатыми отверстиями для её поворота и крепления к подшипниковому щиту болтами. На ней закреплены четыре стальных пальца, опрессованных пресс-массой АГ-4, с насаженными на них фарфоровыми изоляторами. На конце пальца имеется плоская поверхность с гребёнкой и отверстие для крепления щёткодержателя. В каждом щёткодержателе установлена щётка типа ЭГ-61 размером 10х25х50 мм.

Вентиляция электродвигателя независимая. Вентиляция осуществляется вентилятором 10 с радиальными лопатками, напрессованным на вал якоря по шпонке. Охлаждающий воздух засасывается в отверстия в крышке генератора управления с коллекторной стороны, проходит между его якорем и полюсами и через продолговатые отверстия в подшипниковом щите электродвигателя вентилятора поступает к коллектору. Одновременно воздух засасывается через отверстия в коллекторном люке электродвигателя. Проходит в воздушном зазоре между якорем и полюсами, затем через три ряда аксиальных отверстий в сердечнике и выбрасывается наружу через отверстия в крышке 26 с противоколлекторной стороны.

Схема соединения обмоток.Так как электродвигатель ТЛ-11ОМ является двигателем с последовательным возбуждением, то все его обмотки соединяются последовательно по следующей схеме(рис.4.2 и 4.3): вывод Я, перемычка между плюсовыми щеткодержателями, плюсовые щетки, коллектор, секции обмотки якоря, коллектор, минусовые щётки и щёткодержатели, перемычка между минусовыми

щёткодержателями, катушки четырех дополнительных полюсов, соединённых последовательно, средний вывод С1, четыре катушки главных полюсов, соединенных последовательно, вывод С2.

Рис. 4.1. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы электродвигателя ТЛ-110М:

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Машины постоянного тока. Электродвигатели и генераторы.

Конструктивно электродвигатель постоянного тока состоит из ротора (якоря), индуктора, коллектора и щеток. Давайте рассмотрим, что представляет собой каждый элемент системы:

1. Ротор состоит из множества катушек, что покрыты проводящей ток обмоткой. Некоторые электродвигатели постоянного тока 12 вольт содержат до 10 и более катушек.
2. Индуктор – неподвижная часть агрегата. Состоит из магнитных полюсов и станины.
3. Коллектор – функциональный элемент двигателя в виде цилиндра, размещенного на валу. Содержит изоляцию в виде медных пластин, а также выступы, которые находятся в скользящем контакте с щетками двигателя.
4. Щетки – неподвижно закрепленные контакты. Предназначены для подводки электрического тока к ротору. Чаще всего электродвигатель постоянного тока оснащается графитовыми и медно-графитовыми щетками. Вращение вала приводит к замыканию и размыканию контактов между щетками и ротором, что вызывает искрение.

Электродвигатели постоянного тока

Категория: постоянный ток

Заводы производители электродвигателей постоянного тока: Псковский электромашиностроительный завод, Татэлектромаш, Кросна-Мотор, Карпинский электромашиностроительный завод, Динамо Энерго, Электросила (Силовые машины), Сибэлектропривод, Белгородский электротехнический завод, Островский завод электрических машин

Серии двигателей:

• для большегрузных самосвалов – ДПТВ, ЭК, ДК, ЭДП
• для железнодорожного транспорта – П, ЭК, ДК, ДТК, ЭДУ, 4ПНЖ, ЭДТ, ЭДК, ДПТ
• для экскаваторов – ДЭ, Д, ЭК, ДЭВ, ДЭ (В), ДПЭ, ДМПЭ, ДПВ, КРЭ
• для городского электротранспорта – ДПУР, КР
• для кранов – Д, МПЭ
• для судов – ДПМ, ТДП
• для буровых – Д808Б, КР, ДК, МПБ, 4П, ДПБ
• для шахт – ДПТ, ДАТВ и ДАКВ
• общепромышленное/общее применение – 4П, КР, Д808К

Применение

Двигатели постоянного тока (ДПТ) приводят во вращение механизмы, требующие больших пусковых вращающих, моментов и широкого регулирования частоты вращения. Данные электродвигатели широко применяются в городском и железнодорожном транспорте, в судостроении, при работе кранов и в других областях. При выборе электродвигателя неоходима консультация с заводом производителем.

Цена на двигатели постоянного тока зависит от типа двигателя и его комплектации:

• Бренда производителя
• Параметров мощности
• Линейных размеров двигателя
• Наличия защиты от пыли и влаги
• Способа монтажа

Преимущества двигателей постоянного тока:

• Простота конструкции и ремонтопригодность
• Надежность и безопасность оборудования может быть повышена за счет установки дополнительных датчиков, уплотнителей и др.
• Возможность и простота регулировки скорости вращения
• Компактные габариты, применение в ограниченном пространстве
• Широкое распространение и применение в различных отраслях

Устройство двигателя постоянного тока

Конструктивно ДПТ устроен по принципу взаимодействия магнитных полей. Коллектроный электродвигатель постоянного тока состоит из частей:

• Статора — неподвижная часть двигателя. Включают постоянные магниты повернутых разными полюсами к обмоткам.
• Ротора – вращающееся часть. Расположен на валу и включает обмотки с сердечниками.
• Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу двигателя.
• Щёток — передают электроток через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1 — Устройство коллекторного двигателя постоянного тока. 1- якорь, 2 — сердечник полюса, 3 — обмотка полюса, 4 — вентилятор, 5 — статор, 6 — щётки, 7 — коллектор

Технические характеристики двигателей ДПЭ, ДПВ постоянного тока для экскаваторов

Габариты для двигателей ДПВ постоянного тока для экскаваторов

Работа электродвигателя постоянного тока

Механизмы данной категории содержат специальную обмотку возбуждения на индукторной части, куда поступает постоянный ток, что в последующем преобразуется в магнитное поле.
Обмотка ротора поддается воздействию потока электроэнергии. Со стороны магнитного поля на данный конструктивный элемент оказывает влияние сила Ампера. В результате образуется крутящий момент, что проворачивает роторную часть на 90о. Продолжается вращение рабочих валов двигателя за счет образования эффекта коммутации на щеточно-коллекторном узле.

При поступлении электрического тока на ротор, который находится под воздействием магнитного поля индуктора, электродвигатели постоянного тока (12 вольт) создают момент силы, что приводит к выработке энергии в процессе вращения валов. Механическая энергия передается от ротора к прочим элементам системы посредством ременной передачи.

В чём плюсы электродвигателей YALU

Основная функция электродвигателей постоянного тока — преобразование электрической энергии постоянного тока в механическое непрерывное угловое вращение. В отличие от двигателей переменного тока они обладают возможностью регулировки частоты оборотов в большом диапазоне.

В основе работы ДПТ лежит явление электромагнитной индукции, когда на проводник в магнитном поле действует сила Ампера, вызывающая возникновение крутящего момента, который определяется током, проходящим через обмотки двигателя. Этот момент и используют в практических целях для вращения насосов, вентиляторов, колёс, компрессоров и пр.

Основными деталями ДПТ выступают статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока. Она может варьироваться от нескольких до тысячи оборотов в минуту. Это расширяет возможности применения ДПТ, которые можно использовать в робототехнике, электронике, автомобилестроении.

Набор для «электрификации» велотранспорта

Электродвигатели YALU обладают всеми преимуществами, которые свойственны ДПТ.

К плюсам агрегатов относятся:

• компактные размеры, особенно у двигателей на постоянных магнитах;
• быстрый запуск за счёт большой величины пускового момента;
• простая эксплуатация, связанная с практически линейными регулировочными и механическими характеристиками;
• плавная регулировка скорости вращения вала;
• возможность применения не только в качестве двигателя, но и как генератора тока.

Важной характеристикой ДПТ выступает мощность, от которой зависит КПД агрегата. Для слабых двигателей КПД составляет около 40 %, а для более мощных (1 МВт) может достигать 96 %.

В настоящее время выделяют несколько категорий электродвигателей постоянного тока:

• С независимым возбуждением – питание обмотки происходит от независимого источника энергии.
• С последовательным возбуждением – обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения.
• С параллельным возбуждением – обмотка ротора включена в электрическую цепь параллельно источнику питания.
• Со смешанным возбуждением – двигатель содержит несколько обмоток: последовательную и параллельную.

Широкие возможности с электродвигателями постоянного тока

Ввиду разнообразия ассортимента сегодня возможны стабильные поставки электродвигателей постоянного тока YALU для самодвижущейся техники, электротранспорта и других видов техники и промышленного оборудования. В зависимости от задач можно подобрать один мотор или все комплектующие, необходимые для проекта.

Среди ДПТ представлены агрегаты, рассчитанные на напряжение от 12 до 48 В и силу тока до 39 А. Если вам необходима консультация по поводу выбора, обратитесь к представителям «ВКС» через онлайн-форму или свяжитесь по телефону.

Управление электродвигателем постоянного тока

Пуск двигателя осуществляется за счет работы специальных реостатов, которые создают активное сопротивление, включаемое в цепь ротора. Для обеспечения плавного запуска механизма реостат обладает ступенчатой структурой.

Для старта реостата задействуется все его сопротивление. По мере роста скорости вращения возникает противодействие, что накладывает ограничение на рост силы пусковых токов. Постепенно ступень за ступенью увеличивается подводимое к ротору напряжение.

Электродвигатель постоянного тока позволяет регулировать скорость вращения рабочих валов, что осуществляется следующим образом:

1. Показатель скорости ниже номинальной корректируется изменением напряжения на роторе агрегата. При этом крутящий момент остается стабильным.
2. Темп работы выше номинального регулируется током, который возникает на обмотке возбуждения. Значение крутящего момента снижается при поддержании постоянной мощности.
3. Управление роторным элементом осуществляется при помощи специализированных тиристорных преобразователей, которые представляют собой приводы постоянного тока.

Сферы применения электродвигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока — наиболее часто используемые приводы для создания непрерывного движения с регулируемой скоростью вращения. Они могут приводить в движение транспортные средства: от игрушечных автомобилей-аттракционов с аккумулятором 12 В до электричек и троллейбусов, где точность регулировки оборотов наглядно демонстрируется плавным разгоном техники. Агрегаты на постоянных магнитах имеют особенно большую плотность мощности, поэтому часто используются в оборонительной отрасли.

Электрический транспорт — одна из самых распространённых сфер применения ДПТ. На них основана работа:

• метро,
• трамваев,
• троллейбусов,
• электровозов,
• пригородных электрических дорог.

Другую сферу применения ДПТ составляют подъёмные механизмы, включая электрические подъёмные краны. Ввиду отсутствия жёстких ограничений по размерам электродвигатели часто остаются незамеченными. Их используют в автомобилестроении: на грузовом транспорте устанавливаются агрегаты с рабочим напряжением от 24 В, а на легковом — 12 В. Здесь ДПТ работают от генератора или АКБ и отвечают за разные функции:

• поднятие-опускание стёкол;
• поддержание в салоне заданной температуры;
• позиционирование сидений;
• управление зеркалами и пр.

Использование электродвигателя на постоянном токе для автоматизированной очистки стёкол
Для применения ДПТ в качестве генератора тока необходимо поменять полярность питания постоянного тока, подаваемого на соединения агрегата. Т. е., нужно изменить направление тока в якоре или обмотке возбуждения. В результате вал будет вращаться в противоположном направлении. Самым простым и недорогим способом управления вращением вала остаются переключатели.

При использовании ДПТ учитывается одна из важнейших характеристик — способ подключения обмотки возбуждения:

• независимый,
• параллельный,
• последовательный,
• смешанный.

В ДПТ с последовательной схемой возбуждения при необходимости можно уменьшить скорость вращения в 2 раза. За это отвечает переменный резистор, который при необходимости включают в цепь возбуждающей обмотки реостата. В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление.

В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление

Преимущества и недостатки

Сравнивая электродвигатели постоянного тока с агрегатами, функционирующими на переменном токе, стоит отметить их повышенную производительность и увеличенный коэффициент полезного действия.
Оборудование данной категории отлично справляется с отрицательным воздействием факторов окружающей среды. Способствует этому наличие полностью закрытого корпуса. Конструкция электродвигателей постоянного тока предусматривает наличие уплотнений, что исключают проникновение влаги в систему.

Защита в виде надежных изоляционных материалов дает возможность задействовать максимальный ресурс агрегатов. Допускается применение подобного оборудования при температурных условиях в пределах от -50 до +50 оС и относительной влажности воздуха порядка 98 %. Запуск механизма возможен после периода длительного простоя.

Среди недостатков электрических двигателей постоянного тока на первое место выходит достаточно быстрый износ щеточных узлов, что требует соответствующих расходов на обслуживание. Сюда же относится крайне ограниченный срок службы коллектора.

Электрические машины постоянного тока

1. Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора ) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

2. Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

где С_е — константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

3. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора;
R_я — сопротивление обмотки якоря.

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора . С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент М_эм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

4. Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = U_хх = f (I_в) .
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (I_я) и при постоянной частоте вращения (n₂ = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения I_в = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R_в. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения . Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения I_в = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления R_в в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического . Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (I_в) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения U_в = R_в·I_в, где U_в — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения R_кр, когда
γ = γ_кр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт — амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

6. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток I_я. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где C_M — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.
Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент М_эм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М₂ механизма, приводимого во вращение.

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

Рис.13 Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя .

Из уравнения (3) можно получить формулы:

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения I_в, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n₂ можно регулировать следующими способами:

1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

7. Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.
Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 14

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

где k — коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.