Краткие теоретические сведения. Уравнение электрического состояния для двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением (рис

Уравнение электрического состояния для двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением (рис. 1) имеет следующий вид: U = E + R_яI_я = c_enФ + R_яI_я.

Отсюда ,

где U – напряжение сети;

E = c_enФ – противо-ЭДС, индуктируемая

в обмотке якоря при его вращении;

I_я – ток в обмотке якоря;

c_e – конструктивный параметр;

n – частота вращения якоря;

Ф – магнитный поток;

R_я – сопротивление обмотки якоря.

В момент пуска, когда якорь неподвижен, противо-ЭДС равна нулю. Так как сопротивление якоря обычно очень мало, то пусковой ток I_яП = U/R_я будет во много раз превосходить номинальный. Это недопустимо, так как увеличение тока приводит к перегреву обмотки и повышенному искрению под щётками, что может привести к выходу коллектора из строя. Для ограничения пускового тока необходимо уменьшить напряжение, подводимое к якорю. Обычно для этой цели применяют пусковые реостаты – регулируемые резисторы, включаемые последовательно обмотке якоря. Сопротивление пускового реостата выбирается таким образом, чтобы пусковой ток не превышал кратковременно допустимого значения (2 ¸ 2,5) I_н.

На рис. 2 показана схема подключения ДПТ параллельного возбуждения с использованием пускового реостата R_д и регулятора тока возбуждения R_в. При включении двигателя цепь возбуждения должна находиться под полным напряжением сети, что обеспечивается предварительной установкой минимального сопротивления R_в. Одновременно устанавливают сопротивление R_д максимальным. Это обеспечивает достаточно большой пусковой момент M_п = с_мI_япФ при относительно малом пусковом токе, с_м = 30 с_е/p. При отключении двигателя от сети цепь обмотки возбуждения не разрывается, а остаётся замкнутой на обмотку якоря, этим исключаются опасные перенапряжения, способные привести к пробою изоляции обмотки возбуждения.

Пуск непосредственным включением (без пускового реостата) применяется только для ДПТ малой мощности (до 1 кВт), имеющих сравни­тельно большое сопротив­ле­ние якоря.

Важное значение имеет механическая характерис­тика двигателя – зависимость частоты вращения двигателя от момента сопротивления n=f (М) при неизменных напряжении сети U и токе возбуждения I_в. Для двигателя параллельного возбуждения эта зависимость выражается следующей формулой:

,

где R_д – добавочное сопротивление, включенное последовательно якорю.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения без учёта размагничивающего действия реакции якоря представляет собой прямую (рис. 3). Частота вращения n₀, соответствующая моменту M = 0 (I_я = 0) называется пограничной или частотой вращения идеального холостого хода. Наклон механической характеристики определяет степень зависимости частоты вращения от статического момента сопротивления. Если при изменении момента сопротивления частота вращения изменяется мало, то характеристика считается жёсткой.

Механическая характеристика при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_д = 0) и номинальном напряжении U_Н называется естественной механической характеристикой. Механические характеристики при других условиях называются искусственными.

Механическая характеристика снимается следующим образом. Устанавливается номинальный режим (U = U_н, I = I_н, n = n_н), затем двигатель разгружается. Ток возбуждения поддерживается неизменным. В процессе опыта измеряется частота вращения при различных значениях момента сопротивления.

На рис. 4 представлено семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений добавочного сопротивления R_д при неизменном напряжении сети и токе возбуждения I_в = const. Из рисунка видно, что одному и тому же статическому моменту сопротивления М_ст при различных значениях R_д соответствуют различ­ные значения частоты вращения двигателя. Таким образом, измене­нием сопротивления в цепи якоря можно регулировать частоту вращения.

Процесс изменения частоты вращения двига­теля при изменении сопротивления в цепи якоря протекает следующим образом. Предположим, что режим работы двигателя определяется точкой 1 на естественной (а) меха­нической характеристике. Доба­вочное сопротивление R_д = 0. При моменте сопротивле­ния, равном М_СТ, двигатель вращается с частотой n ₁. В цепь якоря вводится добавочное сопротивление R_{д 1}, которому соответствует искусственная (б) механическая характеристика. Так как вращающиеся части машины обладают инерцией, то при изменении сопротивления цепи якоря скорость вращения не может измениться мгновенно. Следовательно, в первый момент после изменения сопротивления сохранится частота вращения n ₁. Но при такой частоте вращения двигатель теперь развивает момент М ₂. Этот момент меньше статического момента сопротивления M_ст. Вращение станет замедленным. Частота вращения будет понижаться до тех пор, пока вращающий момент, развиваемый двигателем, не станет равным моменту сопротивления. Равновесие будет достигнуто при частоте вращения n ₂, соответствующей точке 3 на характеристике (б). Если теперь уменьшить добавочное сопротивление до значения R_{д 2} < R_{д 1}, то двигатель будет иметь механическую характеристику (в). При частоте вращения n ₂ двигатель будет развивать момент М ₃, превышающий момент сопротивления. В результате этого вращение двигателя станет ускоренным. Частота вращения будет повышаться до значения n ₃, соответствующего точке 5 на характеристике (в).

Регулировать частоту вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря можно только в пределах от номинальной частоты вращения до нуля. Регулирование может быть плавным или ступенчатым. Регулировочный реостат, в отличие от пускового, должен рассчитываться на длительный режим работы.

Рассмотренный способ регулирования скорости вращения является неэкономичным, так как сопряжён со значительными потерями на добавочном сопротивлении.

Регулировать скорость вращения n двигателя параллельного возбуждения можно и изменением магнитного потока Ф. Семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений магнитного потока представ­лено на рис. 5. Пусть режим работы характеризуется точкой 1 естественной (а) механи­ческой характерис­тики. Моменту сопротив­ления М_СТ соответствует частота вращения n ₁. Если теперь увеличить сопротив­ле­ние реостата R_в в цепи возбуждения (рис. 2), то ток возбуждения I_в и магнитный поток Ф уменьшатся. Пусть новому значению потока соответствует искусственная механическая характеристика (б). При частоте вращения n ₁ двигатель будет развивать момент М ₂ (точка 2). Так как этот момент больше статического момента сопротивления, то вращение двигателя станет ускоренным. Частота вращения повысится до значения n ₂ (точка 3), при котором момент, развиваемый двигателем, будет равен моменту сопротивления.

Так как в номинальном режиме магнитная система машины близка к насыщению, то регулирование частоты вращения изменением магнитного потока (полюсное регулирование) обычно ведётся только вверх от номинальной, то есть от n = n_н до n = n_max. Максимальное значение частоты вращения ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и коллектора. Для двигателей нормального исполнения обычно допускается превышение частоты вращения на 20 % от номинальной.

При полюсном регулировании необходимо помнить, что при неизменном моменте сопротивления уменьшение магнитного потока приводит к возрастанию тока якоря. При длительной работе ток якоря не должен превышать номинального I_я £ I_ян. По­люсное регулирование двигателей параллельного возбуждения широко распространено. Этот способ регулирования прост и экономичен.

Рабочие характеристики дают представление о свойствах двигателя. Рабочими характеристиками называют зависимости потребляемой мощности P ₁, потребляемого тока I, частоты вращения n, момента М, тока якоря I_я и КПД h от мощности на валу двигателя P₂ при неизменных напряжении U = const и токе возбуждения I_в = const. На рис. 6 представлены примерные графики этих зависимостей.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление тока якоря, оставив неизменным направление магнитодвижущей силы (МДС) обмотки возбуждения, или изменить направление МДС обмотки возбуждения, оставив прежним направление тока в якорной обмотке.