Пускають двигун постійного струму з допомогою пускового реостата. Це пояснюється тим, що в момент пуску проти-ЕРС дорівнює нулю (), тому струм у якорі буде в 8-10 раз більший, ніж номінальний. Активний опір обмотки якоря малий (десяті або навіть соті частки ома).
За формулою струму якоря
.
При пуску , тому , тоді
.
Для обмеження пускового струму послідовно з якорем вмикають пусковий реостат , який у міру розгону двигуна поступово повністю виводиться. Пусковий струм визначається за формулою:
,
де – пусковий опір.
Щоб мати потрібний пусковий момент, опір пускового реостата вибирають таким, щоб пусковий струм був більший від номінального в 1,5 – 2,0 раза. Крім того, для збільшення пускового моменту і полегшешння пуску паралельну обмотку збудження вмикають на повну напругу мережі, для чого регулювальний реостат у колі паралельного збудження виводять повністю. Процес пуску двигуна з триступеневим пусковим реостатом показано на рис. 3.1.1.
Рис. 3.1.1. Електрична схема двигуна постійного струму з паралельним збудженням
Під дією пускового обертального моменту ротор двигуна почне обертатись і в якорі виникне проти-ЕРС. Тоді струм якоря визначають з формули електричної рівноваги :
.
При такому струмі якоря оберти двигуна збільшуватимуться доти, доки не зрівняються обертальний і гальмівний моменти (точка 1'). Потім виводять черговий ступінь пускового реостата, і струм якоря збільшується (точка 2), а отже, збільшується момент і кількість обертів (точка 2'). Так, поступово виводячи пусковий реостат, доводять оберти двигуна до номінальних (точка 3'). Струм в якорі при цьому дорівнюватиме:
.
3.2 Регулювання швидкості обертання та реверсування двигунів постійного струму
Регулювання швидкості обертання двигунів з паралельним збудженням.
Якщо в коло якоря ввімкнено регулювальний реостат , то швидкість обертання двигуна з паралельним збудженням визначають за формулою:
.
З формули видно, що швидкість обертання двигуна можна регулювати трьома способами: змінами опору кола якоря; магнітного потоку Ф (струму збудження); напруги U, підведеної до двигуна.
3.2.1 Регулювання швидкості обертання двигуна зміною опору кола якоря
Схему регулювання швидкості обертання двигуна показано на рис. 3.2.1.1, де пусковий реостат виконує функцію регулювального реостата. Обмотку збудження вмикають на повну напругу мережі, внаслідок чого утворюється сталий магнітний потік Ф.
Рис. 3.2.1.1. Електрична схема двигуна постійного струму з паралельним збудженням
Припустімо, що гальмівний момент на валу двигуна залишається сталим і не залежить від швидкості обертання. Якщо при цій умові зменшити опір регулювального реостата, то в перший момент швидкість обертання n внаслідок інерції не встигне змінитися. У зв’язку з цим не зміниться і проти-ЕРС, оскільки . Тоді струм якоря, що визначають за формулою , збільшується обернено пропорційно опору (). Внаслідок цього порушуєтсья рівновага між обертальним і гальмівним моментами (обертальний момент стає більшим за гальмівний момент). Швидкість обертання двигуна і його проти-ЕРС збільшується, а струм якоря зменшуватиметься доти, поки не досягне свого попереднього значення. Обертальний момент при цьому дорівнюватиме гальмівному моменту при новій більшій швидкості обертання. Якщо при сталих опорах у колі якоря збільшувати гальмівний момент, то швидкість обертання двигуна спадатиме. Цей спосіб дає можливість регулювати швидкість обертання двигуна в досить широких межах, але він невигідний через великі втрати в реостаті й зменшення ККД.
Якщо паралельно працюють кілька двигунів, наприклад, у трамваях, то швидкість їх обертання регулюють одночасно реостатом і зміною електричної схеми з’єднання двигунів. Заміннюючи послідовне з’єднання мішаним і потім паралельним, збільшують оберти двигунів. Усі перемикання виконують з допомогою спеціального перемикача – контролера.
3.2.2 Регулювання швидкості обертання двигуна зміною магнітного потоку
Припустімо, що гальмівний момент двигуна і напруга залишається сталими і не залежить від швидкості обертання двигуна. Якщо зменшити опір у колі збудження, то струм збудження і магнітний потік Ф також збільшується. У перший момент швидкість обертання n внаслідок інерції не зміниться. З рівняння видно, що збільшення магнітного потоку Ф спричинить зменшення струму в якорі . Оскільки проти-ЕРС є набагато більша від спаду напруги у колі якоря, то навіть при невеликому збільшенні магнітного потоку Ф струм в якорі різко зменшується. Внаслідок цього обертальний момент стає меншим, ніж гальмівний, і швидкість двигуна n та проти-ЕРС зменшуватимуться, а струм якоря почне збільшуватися доти, поки не поновиться рівновага між моментами. При цьому способі регулювання швидкості ККД двигуна майже не змінюється.
При холостому ході криву при називають характеристикою холостого ходу двигуна. При великих значеннях струму збудження крива зменшується набагато (впливає насичення індуктора) і далі йде майже паралельно осі абсцис.
При певному навантаженні двигуна і сталій напрузі крива буде подібною, але розміщується трохи нижче.
3.2.3 Регулювання швидкості обертання зміни, підведеної до двигуна напруги
Напругу на затискачах двигуна регулюють зміною напруги генератора, що живить двигун. У цьому разі обмотка збудження двигуна живиться від окремого джерела (незалежне збудження).
Регулювання швидкості обертання двигуна з послідовним збудженням.
Швидкість обертання двигунів з послідовним і паралельним збудженням визначають за формулою:
.
Швидкість обертання двигуна послідовного збудження можна регулювати трьома способами: змінами опору кола якоря; магнітного потоку Ф статора; напруги U, підведеної до двигуна.
Регулювання швидкості обертання двигуна зміною опору кола якоря. Регулювання двигуна таким способом аналогічне регулюванню двигуна з паралельним збудженням. Здійснюється таке регулювання реостатом .
3.2.4 Регулювання швидкості обертання двигуна зміною магнітного потоку Ф
Магнітний потік в обмотці збудження двигуна змінюють шунтуючим реостатом . Якщо двигун має сталий гальмівний момент, незалежний від швидкості обертання, то при вимкненому рубильнику Р струм збудження дорівнюватиме струму якоря . При цьому обертальний електромагнітний момент визначиться за формулою: , а рівняння електричної рівноваги буде (пусковий реостат повністю виведений). Оскільки спад напруги дуже малий, то, нехтуючи ним, матимемо . Отже, при сталій напрузі на затискачах двигуна швидкість обертання n і магнітний потік Ф залежать один від одного. Якщо ввімкнено рубильник Р1, то струм в обмотці якоря збільшується, внаслідок чого обертальний момент стане більшим, ніж гальмівний, і швидкість обертання двигуна збільшуватиметься.
Рис. 3.2.4.1. Схема реверсування двигуна постійного струму з паралельним збудженням
Процес зміни швидкості обяртання найбільш економічний і дає можливість плавно регулювати обертання двигуна.
Напрям дії обертального моменту двигуна можна змінити напрямом струму якоря І1, або змінити напрям струму збудження. Схему реверсування двигуна з паралельним збудженням показано на схемі 3.2.4.1. Напрям струму в обмотці збудження змінюють перемикачем П.
3.3 Характеристика двигунів постійного струму
Властивості всіх електричних двигунів і, зокрема, постійного струму визначають за сукупністю трьох видів характеристик: пускових, робочих і регулювальних.
Пускові характеристики визначають властивості двигуна від моменту пуску до переходу його до усталеного режиму роботи. До цих характеристик належать пусковий струм , пусковий момент , час пуску і т.п.
Робочі характеристики визначають властивості двигуна при усталеному режимі роботи. До них належать залежність n, M, і при . До робочих характеристик належить і механічна характеристика двигуна при і .
Регулювальні хаарктеристмики визначають властивості двигунів при регулюванні швидкості їх обертання. До них належать межі й характер регулювання (плавний чи ступінчастий), а також простота і надійність регулюючої апаратури.
Розглянемо робочі характеристики двигунів з паралельним і послідовним збудженням.
3.3.1 Робочі характеристики двигунів з паралельним збудженням
Робочі характеристики двигуна з паралельним збудженням показано на рисунку 3.3.1.1. Вони є виразом залежності швидкості обертання n від струму якоря , електромагнітного моменту М і ККД η від корисної потужності Р2 на валу двигуна при сталій номінальній напрузі на його затискачах і сталому струмі збудження , тобто n, M, і при і .
Рис. 3.3.1.1. Робочі характеристики двигуна з паралельним збудженням
Іноді розглядають залежність і від корисного моменту валу , або залежність і від струму в якорі .
Швидкісна характеристика .
При номінальній напрузі і відсутності навантаження (холостий хід) струм якоря буде незначним і визначиться ординатою ОА.
Збільшення навантаження на валу двигуна є збільшенням гальмівного моменту. При цьому оберти двигуна і проти-ЕРС повільно зменшуються. І з зменшенням проти-ЕРС струм якоря збільшиться, а це зумовить збільшення обертального моменту двигуна, оскільки він пропорційний струму.
Обертальний момент збільшуватиметься доти, поки не зрівняється з гальмівним моментом. При цьому встановлюється нова постійна швидкість обертання, яка відповідає новому навантаженню двигуна. У цьому полягає принцип саморегулювання двигунів. Зменшення швидкості обертання при навантаженні двигуна становить всього 5-10 % номінальних обертів. Це пояснюється тим, що магнітний потік, створений струмом обмотки збудження, при всіх навантаженнях залишається сталим Ф ~ , а результуючий магнітний потік із збільшенням навантаження трохи зменшується завдяки реакції якоря, що веде до збереження швидкості двигуна.
Залежність моменту і струму якоря від навантаження: М і . При сталих обертах корисний обертальний момент буде пропорційний корисній потужності й крива перетвориться в пряму. Із збільшенням навантаження швидкості обертання n зменшується, отже, щоб потужність Р2 була так само корисною, обертальному моменту М треба мати більше значення, ніж при . Тому крива із збільшенням навантаження відхиляється в бік більших значень.
