Двигун постійного струму
Обертаючи генератор постійного струму який-небудь зовнішньою силою, ми витрачаємо певну механічну потужність P хутро, а в мережі отримуємо відповідну злектрічеській потужність Р ел. Проробимо тепер з генератором постійного струму зворотний досвід. Підключимо до затискачів генератора який-небудь зовнішній джерело струму, наприклад акумуляторну батарею, і пропустимо струм від цього джерела через індуктор і якір генератора, з'єднані послідовно або паралельно, як на малюнку 1. Ми побачимо, що негайно ж якір генератора прийде в обертання. Поєднавши вал якоря з верстатом, ми можемо привести в рух і верстат. Генератор буде тепер працювати як електричний двигун. Тепер перетворення енергії відбувається в зворотному напрямку: ми витрачаємо певну електричну потужність Р ел, яку ми запозичуємо від зовнішнього джерела струму, і перетворюємо її у відповідну механічну потужність Р хутро.
індуктор
якір Шеткі колектора
до мережі
Рис. 1.
Походження сил, що створюють діючий на якір електродвигуна обертаючий момент, зрозуміти не важко. Коли ми пропускаємо струм через витки якоря, що знаходяться в магнітному полі індуктора, то на них діють сили, перпендикулярні до напрямку струму і напряму індукції магнітного поля; напрямок цих сил може бути визначено за правилом лівої руки.
На малюнку 2 показані сили, що діють на окремі провідники обмотки (секції) якоря в момент, коли площина цієї обмотки розташована під деяким кутом до напрямку магнітного поля. Легко бачити, що сили, що діють на провідники bc, ag і de, що лежать у площині, перпендикулярній до осі обертання, завжди спрямовані паралельно цій осі. Тому вони не створюють обертаючого моменту якоря, а прагнуть лише деформувати (стиснути або розтягнути) його обмотку. Сили ж, які діють на провідники ab і cd, паралельні осі обертання, перпендикулярні до цієї осі і створюють обертаючий момент, який і приводить в обертання вал якоря і пов'язані з ним вали верстатів, осі трамваїв і т.п.
Рис. 2.
Діючий на якір механічний обертаючий момент має найбільше значення тоді, коли відповідна обмотка лежить у площині, паралельній напрямку магнітного поля. У міру повороту обмотки цей обертаючий момент зменшується і наближається до нуля, коли обмотка стає перпендикулярно до напрямку поля. У цьому положенні сили, що діють на провідники ab і cd, лежать в одній площині (площині обмотки), так що вони не створюють обертаючого моменту, а прагнуть тільки деформувати обмотку. При подальшому повороті обмотки знак обертаючого моменту змінюється, тобто він починає діяти в протилежну сторону. Тому якщо б не було колектора, той напрямок обертаючого моменту змінювалося б після кожного півоберта якоря, і тривалий обертання було б не можливо. Але, колектор змінює напрямок струму в обмотках саме в ті моменти, коли обмотка варто перпендикулярно до ліній поля. Завдяки цьому обертаючий момент зберігає свій напрям і якір обертається постійно в одну сторону.
Таким чином, коли машина працює як генератор постійного струму, то роль колектора полягає в випрямленні змінного струму, індукованого в її обмотках, а коли машина працює як двигун, то колектор таким же чином "випростує" обертаючий момент, тобто змушує машину довго обертатися в один бік.
Напрямок обертання колекторного двигуна залежить від співвідношення між напрямком магнітного поля індуктора і напрямом струму в якорі. Різні можливі тут випадки зображені на рис. 3, з якого видно, що, для того щоб змінити напрям обертання двигуна, потрібно змінити напрямок струму, або в якорі машини, або в її індукторі. Якщо ж одночасно змінити напрямок обох струмів, наприклад приєднаємо той затискач машини, який раніше був з'єднаний з позитивним затиском мережі, до негативного і навпаки, то машина буде продовжувати обертатися в колишню бік.
Рис. 3.
З цього ясно, що забезпечений колектором електродвигун постійного струму може працювати і від мережі змінного струму, тому що при кожній зміні напрямку струму буде одночасно зміняться і напрямок струму в індукторі і в якорі. Однак такі колекторні двигуни змінного струму застосовуються порівняно рідко, переважно у вигляді двигунів малої потужності. У техніці найчастіше застосовуються трифазні електродвигуни з обертовим полем.
Сили, що діють в магнітному полі на провідники якоря, за якими йде струм, існують і тоді коли цей струм виникає в результаті індукції, тобто машина працює як генератор, і тоді, коли цей струм надсилається зовнішнім джерелом, тобто машина працює як двигун.
Коли машина працює як генератор, ці сили за правилом Ленца спрямовані так, щоб створюваний ними обертаючий момент гальмував процес, що викликає появу індукованої е.р.с., тобто був протилежний того моменту, який призводить генератор в обертання. Таким чином, в цьому випадку призводять генератор в обертання зовнішні сили повинні подолати, врівноважити ті сили, які діють на якір у магнітному полі. Зрозуміло, що ці сили тим довше, чим більше струм в якорі, тобто чим більше електрична потужність, споживана в мережі, яку живить генератор. Тому в міру зростання електричного навантаження генератора, тобто віддається їм електричної потужності P ел, зростає і механічна потужність P хутро, яку потрібно затратити, щоб підтримати його обертання з колишньою частотою. У цьому легко переконається, якщо спробувати обертати ротор генератора від руки. При роботі генератора вхолосту (без навантаження) або при дуже малому навантаженні доводиться робити лише дуже невелике зусилля, щоб обертати його. Але якщо ми підключимо до генератора лампочку розжарювання потужністю, скажімо, 100 Вт і спробуємо обертати ротор генератора так, що ми переконаємося, що це дуже важко. Доводиться витрачати більшу зусилля, щоб долати сили, що діють в магнітному полі індуктора на активні провідники якоря, через які тепер проходить струм близько 1А. Таким чином, у міру зростання навантаження генератора, тобто віддається їм електричної потужності P ел, зростає і поглинається їм механічна потужність P хутро, необхідна для підтримки колишньої частоти обертання ротора і колишнього напруги.
Точно так само, коли машина працює в якості двигуна, при зростанні її механічного навантаження, тобто при збільшенні віддається нею механічної потужності, повинна відповідно зростати і поглинається нею з мережі електрична потужність, тобто повинен збільшуватися струм через якір. У правильності цього легко переконатися, включивши в ланцюг якоря амперметр. Коли двигун працює вхолосту або робить дуже невелику роботу, струм в ланцюзі якоря дуже малий. Збільшимо тепер навантаження якоря, наприклад гальмуючи його вал або приєднавши до двигуна який-небудь верстат. Ми помітимо, що при цьому струм через якір, вимірюваний амперметром, автоматично посилитися до необхідного значення, при якому відбирається від мережі електрична потужність дорівнює затрачуваної двигуном корисної механічної потужності плюс неминучі втрати на нагрівання провідників струмом, на перемагнічування заліза в якорі і на тертя в рухомих частинах сполученого з нею верстата.