9-12. Двигатели постоянного тока
Самый старый тип электродвигателей — это двигатели постоянного тока. Первая в мире электрическая шлюпка, построенная в 1838 г. в Петербурге академиком Б. С. Якоби, имела двигатель постоянного тока.
У современных двигателей постоянного тока обмотка состоит из большого числа секций — часто из нескольких десятков или даже сотен, — которые все соединяются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь.
На одном общем валу с якорем, несущим секции обмотки, помещается коллектор-барабан, составленный из медных клиньев — коллекторных пластин, изолированных друг от друга прокладками из слюды с лаком (миканита).
Число коллекторных пластин равно числу секций обмотки. Каждая коллекторная пластина снабжена выступом — его называют «петушком», и к этим петушкам припаиваются начала и концы всех секций обмотки якоря.
Когда якорь крутится, по коллектору скользят щетки. При переходе щеток с одних коллекторных пластин на другие происходит переключение (коммутация) тока в секциях обмотки якоря.
В старое время, на заре развития электромашиностроения, искрение под щетками считалось обязательным признаком хорошо работающего электродвигателя, так же как грохот паровых машин считался свидетельством их правильного функционирования, а густой дым из фабричных труб (получающийся из-за неправильного сгорания при недостатке кислорода) — признаком процветающей индустрии. В протоколах испытаний электроустановок в конце прошлого столетия иногда можно было встретить такие фразы: «искрение под щетками достаточно яркое и интенсивное».
Но такое искрение вызывает обгорание и щеток, и коллектора. Современные мало-мальски мощные двигатели и генераторы постоянного тока снабжаются дополнительными полюсами на статоре, а иногда и компенсационными обмотками. Это сильно уменьшает искрение под щетками, а тем самым износ щеток и коллектора.
На статоре двигателей постоянного тока помещается обмотка возбуждения. Ее можно выполнить из немногих витков толстого провода, чтобы она была способна пропустить полный ток двигателя, и включить ее последовательно с якорем. Такой двигатель называют двигателем с последовательным возбуждением, или сериесным.
Можно подключить обмотку возбуждения и параллельно якорю. Такая обмотка выполняется из многих витков сравнительно тонкой проволоки; она называется параллельной или шунтовой, а сам двигатель — шунтовым или с параллельным возбуждением. Параллельная обмотка должна выдерживать полное напряжение питающей сети, зато ток в ней составляет лишь несколько процентов от полного тока двигателя.
Иногда у двигателя постоянного тока применяются две обмотки возбуждения: одна параллельная и одна последовательная. Эти двигатели называются компаундными.
***
Электродвигатели постоянного тока почти безраздельно царствуют в области электрической тяги. Преимущественно применяются сериесные двигатели. Они имеют большой пусковой момент, хорошо берут с места и быстро разгоняются. Иногда применяют компаундные двигатели, которые меньше сбавляют скорость на подъемах и могут удобно работать не только как двигатели, но и как генераторы, отдавая при торможении энергию обратно в сеть.
Скорость электродвигателя постоянного тока можно регулировать, меняя приложенное к двигателю напряжение. В трамваях, в электропоездах часто применяют несколько двигателей. Например, в мощных электровозах типа ВЛ (Владимир Ленин) — шесть двигателей общей мощностью почти в 2 000 кВт. Во время пуска и для езды на малой скорости двигатели включаются последовательно. На каждый двигатель при этом попадает лишь часть напряжения питающей сети. Для получения же максимальной скорости все двигатели включаются параллельно.
Киевский трамвай — самый старый в Советском Союзе, но киевские вожатые долго боялись ездить на параллельно включенных двигателях, и в годы первых пятилеток москвичи приезжали их учить.
В промышленности двигатели постоянного тока применяются в тех случаях, где требуется плавная регулировка скорости в широких пределах, например для привода бумагоделательных машин, для больших продольно-строгальных станков, на шахтных подъемниках, в экскаваторах. Самые большие электродвигатели постоянного тока мощностью в несколько тысяч киловатт применяются для прокатных станов, обжимающих многотонные болванки, для аэродинамических труб, создающих искусственные ураганы.
Почти все современные центральные Электростанции вырабатывают переменный ток. Для питания двигателей постоянного тока переменный ток переделывают в постоянный. Для этого чаще всего применяются ртутные выпрямители. Такие выпрямители работают, например, на всех подстанциях трамвая, троллейбуса, метро, на линиях пригородной и магистральной электротяги.
В последнее время разработаны генераторы постоянного тока, называемые электромашинными усилителями (амплидинами). Их приводят во вращение с неизменной скоростью от синхронного или асинхронного двигателя переменного тока. С помощью очень маленькой мощности, подводимой к возбуждению амплидина, можно изменять напряжение, которое он отдает, от нуля до максимального значения (см. рис. 6-28). Электромашинные усилители позволяют особо плавно и тонко регулировать скорость двигателей, которые они питают.
Много других применений имеют двигатели постоянного тока. Они работают на подводных лодках. В тепловозах, вместо того, чтобы соединять двигатель дизеля с ведущими осями непосредственно при помощи зубчатой передачи, оказывается более выгодным заставить этот двигатель вращать генератор, а его током питать электродвигатели, связанные с ведущими осями. Электрическую передачу применяют иногда и в танках и самоходных пушках.
Каждый современный автомобиль снабжается двигателем постоянного тока. Этот стартерный двигатель или, короче, «стартер», получает питание от аккумуляторной батареи и запускает автомобильный двигатель.
Электрификация многих самолетов также осуществляется при помощи постоянного тока. Двигатели постоянного тока втягивают и выпускают шасси, меняют шаг винта в полете, вращают орудийные и пулеметные башни.
Двигатели постоянного тока, у которых статор выполнен из расслоенного железа и обмотка возбуждения включена последовательно с якорем, могут работать и на переменном токе. Они называются универсальными электродвигателями. Их применяют в электробытовых устройствах — вентиляторах, пылесосах, фенах, машинках для стрижки волос, в электрифицированном ручном инструменте, в сверлилках, точилах. Универсальные двигатели хорошо работают при мощностях не выше киловатта.
