§ 173. Основные рабочие характеристики и особенности двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением.

Как и в случае генератора, обмотки индуктора и якоря двигателя могут быть соединены либо последовательно (рис.339), либо параллельно (рис.340). В первом случае двигатель называют двигателем с последовательным возбуждением (или сериесным двигателем), во втором – двигателем с параллельным возбуждением (или шунтовым двигателем). Применяются также двигатели со смешанным возбуждением (компаунд-двигатели), в которых часть обмоток индуктора соединена с якорем последовательно, а часть параллельно. Каждый из этих типов двигателей имеет свои особенности, делающие его применение целесообразным в одних случаях и нецелесообразным в других.

1. Двигатели с параллельным возбуждением. Схема включения в сеть двигателей этого типа показана на рис. 361. Так как здесь цепи якоря и индуктора не зависят друг от друга, то ток в них можно регулировать независимо при помощи отдельных реостатов, включенных в эти цепи. Реостат , включенный в цепь якоря, называют пусковым, а реостат , включенный в цепь индуктора, – регулировочным. При пуске в ход двигателя с параллельным возбуждением пусковой реостат должен быть обязательно полностью включен; по мере того как двигатель набирает частоту вращения, сопротивление реостата постепенно уменьшают и при достижении нормальной частоты вращения этот реостат выводится из цепи полностью. Двигатели с параллельным возбуждением, особенно значительной мощности, ни в коем случае нельзя включать без пускового реостата. Точно так же при выключении двигателя следует сначала постепенно ввести реостат и лишь после этого выключить рубильник, соединяющий двигатель с сетью.

Рис. 361. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением. Латунная дуга 1, по которой движется рычаг пускового реостата, через зажим 2 присоединена к концу регулировочного реостата, а через зажим 3 – к пусковому реостату. Это делается для того, чтобы при переводе пускового реостата на холостой контакт 4 и выключении тока цепь возбуждения не разрывалась

Нетрудно понять соображения, которыми вызваны эти правила включения и выключения двигателей. Мы видели (см. формулу (172.1)), что ток в якоре

где – напряжение сети, а - э. д. с., индуцированная в обмотках якоря. В первый момент, когда двигатель еще не успел раскрутиться и набрать достаточную частоту вращения, э. д. с. очень мала и ток через якорь приближенно равен

Сопротивление якоря обычно очень мало. Оно рассчитывается так, чтобы падение напряжения на якоре не превышало 5-10 % от напряжения сети, на которое рассчитан двигатель. Поэтому при отсутствии пускового реостата ток в первые секунды мог бы в 10-20 раз превысить нормальный ток, на который рассчитан двигатель при полной нагрузке, а это для него очень опасно. При введенном же пусковом реостате с сопротивлением пусковой ток через якорь

. (173.1)

Сопротивление пускового реостата подбирают так, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше чем в 1,5-2 раза.

Поясним сказанное числовым примером. Положим, что мы имеем двигатель мощности 1,2 кВт, рассчитанный на напряжение 120 В и имеющий сопротивление якоря . Ток через якорь при полной нагрузке

Если бы мы включили этот двигатель в сеть без пускового реостата, то в первые секунды пусковой ток через якорь имел бы значение

в 10 раз превышающее нормальный рабочий ток в якоре. Если же мы хотим, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше, чем в 2 раза, т. е. был равен 20 А, то мы должны подобрать пусковое сопротивление таким, чтобы имело место равенство

откуда Ом.

Ясно также, что для шунтового двигателя очень опасна внезапная его остановка без выключения, например вследствие резкого возрастания нагрузки, так как при этом э. д. с. падает до нуля и ток в якоре возрастает настолько, что избыток выделяемого в нем джоулева тепла может привести к расплавлению изоляции или даже самих проводов обмотки (двигатель «перегорает»).

Регулировочный реостат , включенный в цепь индуктора, служит для того, чтобы изменять частоту вращения двигателя. Увеличивая или уменьшая сопротивление цепи индуктора с помощью этого реостата, мы изменяем ток в цепи индуктора, а тем самым и магнитное поле, в котором вращается якорь. Мы видели выше, что при заданной нагрузке двигателя ток в нем автоматически устанавливается такой, чтобы возникающий вращающий момент уравновешивал тормозящий вращающий момент, создаваемый нагрузкой двигателя. Это осуществляется благодаря тому, что индуцированная э. д. с. достигает соответствующего значения. Но индуцированная э. д. с. определяется, с одной стороны, магнитной индукцией, а с другой, – частотой вращения якоря.

Чем больше магнитный поток индуктора, тем меньше должна быть частота вращения двигателя, чтобы получить определенное значение э. д. с., и, наоборот, чем слабее магнитный поток, тем больше должна быть частота вращения. Поэтому, для того чтобы при заданной нагрузке увеличить частоту вращения шунтового двигателя, нужно ослабить магнитный поток в индукторе, т. е. ввести большее сопротивление в цепь индуктора при помощи регулировочного реостата. Напротив, чтобы уменьшить частоту вращения шунтового двигателя, нужно увеличить магнитный поток в индукторе, т. е. уменьшить сопротивление в цепи индуктора, выводя регулировочный реостат.

С помощью регулировочного реостата можно при нормальном напряжении и отсутствии нагрузки установить нормальную частоту вращения двигателя. При возрастании нагрузки ток в якоре должен возрастать, а индуцированная в нем э. д. с. – уменьшаться. Это происходит вследствие некоторого уменьшения частоты вращения якоря. Однако уменьшение частоты вращения, обусловленное возрастанием нагрузки от нуля до нормальной мощности двигателя, обычно очень незначительно и не превышает 5-10 % от нормальной частоты вращения двигателя. Это обусловлено главным образом тем, что в двигателях с параллельным возбуждением ток в индукторе не изменяется при изменении тока в якоре. Если бы при изменениях нагрузки мы хотели поддерживать прежнюю частоту вращения, то это можно было бы осуществить, несколько изменяя с помощью регулировочного реостата ток в цепи индуктора.

Таким образом, с эксплуатационной точки зрения двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовые двигатели) характеризуются следующими двумя свойствами: а) частота их вращения при изменении нагрузки остается почти постоянной; б) частоту их вращения можно в широких пределах изменять с помощью регулировочного реостата. Поэтому такие двигатели довольно широко применяются в промышленности там, где обе указанные их особенности имеют значение, например для приведения в действие токарных и других станков, частота вращения которых не должна сильно зависеть от нагрузки.

173.1. На рис. 362 показана схема шунтового двигателя с так называемым комбинированным пуско-регулировочным реостатом. Разберитесь в этой схеме и объясните, какую роль играют отдельные части этого реостата.

Рис. 362. К упражнению 173.1

173.2. Нужно пустить в ход шунтовый двигатель. Для этого даны два реостата: один из толстой проволоки с малым сопротивлением, другой из тонкой проволоки с большим сопротивлением. Какой из этих реостатов следует включить как пусковой и какой как регулировочный? Почему?

2. Двигатели с последовательным возбуждением. Схема включения в сеть этих двигателей показана на рис. 363. Здесь ток якоря является в то же время и током индуктора, и потому пусковой реостат изменяет и ток в якоре, и ток в индукторе. При холостом ходе или очень малых нагрузках ток в якоре, как мы знаем, должен быть очень мал, т. е. индуцированная э. д. с. должна быть почти равна напряжению сети. Но при очень малом токе через якорь и индуктор слабо и поле индуктора. Поэтому при малой нагрузке необходимая э. д. с. может быть получена только за счет очень большой частоты вращения двигателя. Вследствие этого при очень малых токах (малой нагрузке) частота вращения двигателя с последовательным возбуждением становится настолько большой, что это может стать опасным с точки зрения механической прочности двигателя.

Рис. 363. Схема включения двигателя с последовательным возбуждением

Говорят, что двигатель идет «вразнос». Это недопустимо, и поэтому двигатели с последовательным возбуждением нельзя пускать в ход без нагрузки или с малой нагрузкой (меньшей 20-25 % от нормальной мощности двигателя). По этой же причине не рекомендуется соединять эти двигатели со станками или другими машинами ременными или канатными передачами, так как обрыв или случайный сброс ремня приведет к «разносу» двигателя. Таким образом, в двигателях с последовательным возбуждением при возрастании нагрузки увеличиваются ток в якоре и магнитное поле индуктора; поэтому частота вращения двигателя резко падает, а развиваемый им вращающий момент резко возрастает.

Эти свойства двигателей с последовательным возбуждением делают их наиболее удобными для применения на транспорте (трамваи, троллейбусы, электропоезда) и в подъемных устройствах (кранах), так как в этих случаях необходимо иметь в момент пуска при очень большой нагрузке большие вращающие моменты при малых частотах вращения, а при меньших нагрузках (на нормальном ходу) меньшие моменты и большие частоты.

Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением производится обычно регулировочным реостатом, включенным, параллельно обмоткам индуктора (рис. 364). Чем меньше сопротивление этого реостата, тем большая часть тока якоря ответвляется в него и тем меньший ток идет через обмотки индуктора. Но при уменьшении тока в индукторе частота вращения двигателя возрастает, а при его увеличении падает. Поэтому, в отличие от того, что имело место для шунтового двигателя, для того чтобы увеличить частоту вращения сериесного двигателя, нужно уменьшить сопротивление цепи индуктора, выводя регулировочный реостат. Для того чтобы уменьшить частоту вращения сериесного двигателя, нужно увеличить сопротивление цепи индуктора, вводя регулировочный реостат.

Рис. 364. Схема включения реостата для регулирования частоты вращения сериесного двигателя

173.3. Объясните, почему сериесный двигатель нельзя пускать вхолостую или с малой нагрузкой, а шунтовый можно.

Таблица 8. Преимущества, недостатки и области применения двигателей различных типов

Тип двигателя	Основные преимущества	Основные недостатки	Область применения
Трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся полем	1. Слабая зависимость частоты вращения от нагрузки 2. Простота и экономичность конструкции 3. Применение трехфазного тока	1. Трудность регулирования частоты вращения 2. Малый вращающий момент при пуске	Станки и машины, требующие постоянства частоты вращения при изменениях нагрузки, но не нуждающиеся в регулировке частоты вращения
Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовый)	1. Постоянство частоты вращения при изменениях нагрузки 2. Возможность регулирования частоты вращения	Малый вращающий момент при пуске	Станки и машины, требующие постоянства частоты вращения при изменениях нагрузки и возможности регулировать частоту вращения
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением (сериесный)	Большой вращающий момент при пуске	Сильная зависимость частоты вращения от нагрузки	Тяговые двигатели в трамваях и электропоездах, крановые двигатели и т. п.

В заключение сопоставим в виде табл. 8 основные преимущества и недостатки различных типов электродвигателей, рассмотренных нами в этой главе, и области их применения.