Електричні машини постійного струму енергетично зворотні, тобто вони можуть бути як двигунами, так і генераторами. На сьогодні машини постійного струму широко застосовують як двигуни і меншою мірою як генератори. Це пояснюється перевагою двигунів постійного струму над іншими електродвигунами.

Двигуни постійного струму (ДПС) мають такі переваги:

• можливість плавного регулювання частоти обертання;

• кращі пускові якості: вони можуть розвивати великий пусковий момент при відносно невеликому струмі.

Завдяки цьому їх широко використовують як тягові двигуни на електротранспорті (електрокари), а також у промисловому виробництві. Крім того, ДПС є виконавчими ланками систем автоматичного регулювання.

Генератори напругою 6-12 В часто застосовують для зарядки акумуляторних батарей.

На підприємствах використовують промислових роботів (ПР), які дали змогу звільнити людину від важких або ручних операцій, у тому числі і шкідливих робіт, а отже перейти до комплексної автоматизації серійного виробництва. Слідкуючі приводи ПР створюють на базі електродвигунів постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. До переваги цих двигунів слід віднести їхню малу інерційність, високий ККД і незалежність магнітного потоку збудження від зміни температури навколишнього середовища.

Загальним недоліком ДПС є складність їхньої конструкції, що пов'язано із щітко-колекторним механізмом, який здійснює постійну перекомутацію ланцюгів електричної машини, через що виникає іскріння. Це знижує надійність машин та обмежує сферу їх застосування.

Істотним недоліком ДПС є необхідність попереднього перетворення для них електричної енергії змінного струму на електричну енергію постійного струму.

Електродвигуни постійного струму мають хороші регулювальні властивості, значну перевантажувальну здатність:

• вони дають можливість плавно регулювати частоти обертання ротора простими способами;

• двигуни постійного струму мають великі пускові моменти за малих пускових струмів.

Можливість створення електродвигуна постійного струму продемонстрував М. Фарадей у 1821 р.; у створеному ним приладі провідник, яким пропускали постійний струм, обертався навколо магніту.

ДПС з електромагнітним збудженням був створений у Росії академіком Б. С. Якові в 1834 р., який назвав його магнітною машиною. У 1838 р. їм був побудований більш потужний електродвигун, який використовували для приводу гребного гвинта річкового катера. Принцип оборотності електричних машин був уперше сформульований російським фізиком - академіком £ X. Ленцом.

Генератори і двигуни постійного струму мають однакову конструкцію. Нерухома частина машини, статор (рис. 7.9), складається з масивного сталевого корпусу, до якого прикріплені полюсні наконечники 1 з обмоткою збудження 2. Струм, що проходить по обмотці збудження, створює основне магнітне поле машини.

Якір - рухома частина електричної машини. Являє собою осердя з окремих листів електротехнічної сталі, що запресовані на вал 3. В осерді нарізані пази, у які укладена обмотка якоря. Кінці обмотки виведено в колектор 4. Із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря з'єднується з допомогою колектора і електрографітових щіток 5. Колектор у зібраному стані насаджують на вал якоря. Обертова обмотка якоря з'єднується із зовнішнім ланцюгом ковзним контактом між щітками і колектором.

Колектор є електромеханічним перетворювачем і забезпечує створення постійного за напрямом обертового моменту (для двигунів) шляхом зміни напрямку струму в провідниках якірної обмотки, що переміщаються із зони одного полюса в зону іншого.

Рис. 7.9. Загальний вигляд електричної машини постійного струму

У генераторах колектор забезпечує випрямлення змінної ЕРС, що індукована обертовою обмоткою якоря.

Недоліком машин постійного струму є наявність щіток колекторного апарата, що вимагає ретельного догляду та експлуатації і знижує надійність роботи машини.

Тому останнім часом генератори постійного струму в стаціонарних установках витісняються напівпровідниковими перетворювачами, а в транспорті - синхронними генераторами, що працюють спільно з напівпровідниковими випрямлячами.

Робота електричного генератора постійного струму заснована на явищі електромагнітної індукції.

Найпростішим генератором є рамка (виток), що обертається в магнітному полі (рис. 7.10).

В електричних генераторах застосовують не один виток, а кілька десятків. Ці витки, сполучені відповідним чином, утворюють обмотку якоря генератора. При обертанні обмотки якоря в магнітному полі генератора в кожному витку обмотки виникає ЕРС. Якщо до генератора підключений споживач, то в ланцюзі «генератор - споживач» піде струм.

Для обертання обмотки якоря необхідний первинний двигун - дизель, турбіна, колісна пара і т. д. Для створення магнітного поля в генераторі на обмотку збудження подається струм від первинного джерела, наприклад акумулятора.

Принцип роботи електричного двигуна заснований на виникненні електромагнітної сили, що діє на рамку зі струмом у магнітному полі (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Пристрій із рамкою зі струмом у магнітному полі для виникнення електромагнітної сили

Якщо помістити в магнітне поле не прямолінійний провідник, а виток (або котушку) зі струмом і розташувати його вертикально, то, використовуючи правило лівої руки, можна визначити напрямок електромагнітної сили, що діє на кожну сторону витка. Під дією електромагнітної сили сторона ab рухається справа наліво, а сторона cd зліва - направо. Пара електромагнітних сил, що при цьому виникає, приведе до повороту витка, тобто утворюється обертовий момент.

Виток буде повертатися в магнітному полі доти, поки він не займе положення, перпендикулярне магнітним силовим лініям поля. При такому положенні через виток проходитиме найбільший магнітний потік. Властивість

витка і котушки зі струмом повертатися в магнітному полі широко використовують в електротехніці. Електричні двигуни та ряд електровимірювальних приладів працюють за цим принципом.

Електричні двигуни випускаються промисловістю з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.

У двигунів з послідовним збудженням обертовий момент за навантаження зростає більше, ніж у двигунів з паралельним збудженням, при цьому частота обертання двигуна зменшується. Ця властивість визначає широке застосування ДПС у міському транспорті.

Однак не можна запускати двигун з послідовним збудженням без навантаження, оскільки частота обертання двигуна може перевищити допустиму, а це може призвести до аварії - двигун іде «в рознос».

Двигуни з паралельним збудженням забезпечують стійку частоту обертання за різного навантаження, і в них є можливість плавного регулювання цієї частоти обертання. Тому ДПС з паралельним збудженням застосовуються для електроприводу, що вимагає сталості частоти обертання за різного навантаження і плавного регулювання.

У ДПС зі змішаним збудженням на полюсі є дві обмотки збудження, одна з яких під'єднується послідовно до обмотки якоря, а друга - паралельно. ДПС зі змішаним збудженням мають найбільший пусковий момент і застосовуються там, де потрібні значні пускові моменти або можливі короткочасні перевантаження і великі прискорення - наприклад для пуску компресорів.

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020