§ 136. Противоэлектродвижущая сила якоря. Пуск двигателя

При вращении якоря электродвигателя обмотка его пересекает магнитное поле. Поэтому в ней, по закону электромагнитной индукции, возникает индуктированная э.д.с.

Как видно из рис. 317, а и б направление э.д.с., индуктируемой в проводнике, определяемое по правилу "правой руки", будет противоположно напряжению сети, откуда она и получила название обратной электродвижущей силы, или противоэлектродвижущей силы. Отсюда ток в обмотке якоря двигателя при его работе будет

где U - напряжение сети;

Е - противо-э.д.с.;

r_я - сопротивление обмотки якоря двигателя.

Рис. 317. Возникновение противоэлектродвижущей силы

Величина противо-э.д.с. зависит от скорости вращения двигателя n и величины магнитного потока:

где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа пар полюсов, числа проводников и числа параллельных ветвей обмотки якоря.

Напряжение, приложенное к якорю двигателя, должно уравновешивать противо-э.д.с. и падение напряжения в обмотке якоря:

Но так как сопротивление обмотки якоря мало (десятые, сотые и даже тысячные доли ома), то падение напряжения также мало (примерно 3÷5% от U_н). Поэтому противо-э.д.с. почти равна напряжению сети.

Пример 2. Определить ток, потребляемый двигателем из сети, если напряжение сети 220 в, противо-э.д.с. 216 в, сопротивление обмотки якоря r_а:

В момент пуска скорость вращения двигателя равна нулю. Поэтому противо-э.д.с. также равна нулю. Пусковой ток двигателя в этом случае равен напряжению сети, деленному на сопротивление якоря. Ток якоря достигает при этом величины, опасной для целости обмотки якоря и коллектора.

Так в предыдущем примере ток якоря в момент пуска окажется равным

Во избежание этого на время пуска последовательно в цепь якоря двигателей постоянного тока включают пусковой реостат.

Материалом для изготовления сопротивлений пусковых реостатов служат никелин (сплав меди, никеля и цинка) и константан (сплав меди, никеля и алюминия), обладающие большим удельным сопротивлением (р = 0,4 ÷ 0,5). Сопротивления выполняются в виде проволоки или ленты, намотанной или укрепленной на изолирующей раме или каркасе. Для реостатов на большой ток (крановые двигатели) применяются отлитые из чугуна сопротивления зигзагообразной формы, надетые на изолированные стальные стержни и стянутые гайками. При прохождении тока по сопротивлениям реостата последние нагреваются, выделяя тепло. Охлаждение реостатов бывает воздушное и масляное. Реостаты с воздушным охлаждением покрыты металлическим кожухом с отверстиями, через которые уходит нагретый воздух, уступая место холодному воздуху. Сопротивления реостатов с масляным охлаждением погружаются в бак с маслом, обладающим большей теплопроводностью, чем воздух, вследствие чего масляные реостаты получаются компактнее воздушных реостатов.

По мере того как скорость вращения двигателя будет увеличиваться, в обмотке якоря возникнет противо-э.д.с. и ток якоря станет быстро уменьшаться. В этом случае сопротивление пускового реостата будет не только бесполезно, но и вредно, так как, уменьшая ток, оно уменьшает вращающий пусковой момент, не дает скорости двигателя быстро возрастать. Поэтому в начале пуска сопротивление пускового реостата должно быть полностью введено. По мере увеличения скорости вращения двигателя сопротивление реостата необходимо плавно выводить и в конце пуска сопротивление должно быть полностью выведено. Следует помнить, что пусковой реостат рассчитан на кратковременное (на время пуска) протекание тока. Поэтому, если в конце пуска пусковой реостат не будет выведен целиком, оставшаяся часть сопротивления может сгореть.

Для быстрейшего увеличения противо-э.д.с. в пусковой период необходимо следить за тем, чтобы двигатель получил полное возбуждение, т. е. чтобы в цепи возбуждения не было включено какое-либо сопротивление и во всяком случае не допускать обрыва или выключения обмотки возбуждения. Пусковой реостат выбирают с таким расчетом, чтобы он уменьшал пусковой ток двигателя не до величины номинального тока, а до величины, в 2-2,5 раза большей. Этим добиваются, с одной стороны, экономии в материалах и стоимости реостата и, с другой, того, что больший ток при пуске дает возможность двигателю быстро развить нормальную скорость вращения.

Пример 3. Подсчитать сопротивление пускового реостата для электродвигателя, номинальный ток которого 20 а, сопротивление обмотки якоря 0,05 ом. Напряжение сети 220 в.

Выбираем пусковой ток, в 2 раза больший номинального тока, т. е. 20 × 2 = 40 а, и подсчитываем сопротивление цепи якоря:

Но так как в цепь якоря входит и сопротивление обмотки якоря - 0,05 ом, то сопротивление одного пускового реостата будет

Равенство момента вращения двигателя и момента сопротивления механической нагрузки, существующее при постоянной скорости вращения якоря, временно нарушается, если нагрузка на валу двигателя будет меняться. Так, например, при увеличении момента сопротивления он будет больше момента вращения и скорость вращения двигателя будет уменьшаться. Это вызовет уменьшение противо-э.д.с. (зависящей от скорости) и увеличение тока двигателя. Уменьшение скорости вращения будет продолжаться до тех пор, пока увеличившийся ток якоря не создаст новый, увеличенный момент вращения, равный возросшему моменту сопротивления. В дальнейшем двигатель будет работать с меньшей, но постоянной скоростью. Наоборот, при разгрузке двигателя момент вращения его будет больше момента сопротивления, якорь станет вращаться быстрее, противо-э.д.с. увеличится и уменьшившийся ток двигателя будет создавать меньший момент вращения.