Электродвигатели постоянного тока

Машина постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением, подключенная к сети с постоянным напряжением U, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой.

Для контура «обмотка якоря – сеть» можно согласно II закону Кирхгофа написать уравнение

, (2.73а)

Откуда

. (2.73б)

Если Е > U, то ток I_а совпадает по направлению с э. д. с. Е и машина работает в генераторном режиме (рис. 2.59, а). При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения n, т.е. является тормозным. Уравнение (2.73а) для генераторного режима может быть записано в виде

U = E-I_aΣr (2.74а)

Если же Е <.U, то ток I_а в уравнении (2.73б) меняет свой знак и будет направлен против э. д. с. Е. В соответствии с этим изменит свой знак и электромагнитный момент М, т.е. он будет действовать по направлению вращения n. При этом машина будет работать в двигательном режиме (рис. 2.59, б) и уравнение (2.73а) примет вид

, (2.74б)

если за положительное направление тока I_а для двигигильного режима принять его направление, встречное к э.д.с, Е.

Рис. 2.59 – Направление тока I₀ и электромагнитного момента М при работе машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах

Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их э. д. с. Е становится меньше напряжения сети U. Точно так же рассматриваемые двигатели автоматически переходят в генераторный режим, когда их э. д. с. Е становится больше U.

Рис. 2.60 – Схема двигателя с параллельным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме э. д. с. Е и вращающий момент M определяются теми же формулами, что и для генератора

; (2.75)

, (2.76)

но момент имеет противоположное направление. Из (2.74б) и (2.75) можно получить формулу для определения частоты вращения

. (2.77)

Свойства двигателей постоянного тока, как и генераторов, в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независимым последовательным и смешанным возбуждением. Схемы включения двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения тока при пуске.

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.60, а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r _р.в, а в цепь якоря–пусковой реостат r _п. Характерной особенностью двигателя является то, что ток возбуждения I _в не зависит от тока якоря I_a (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно (2.76) и (2.77) получим, чтс зависимости M = f(I_a) и n=f(I_a) (моментная и скоростная характеристики) будут линейными (рис. 2.60, б). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя n = f(M) (см. рис. 2.61, а). Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат с сопротивлением r _п, то

, (2.77а)

где n ₀ = U/(с_еФ) – частота вращения при холостом ходе; Δ n = (∑ r + r _п) I_а /(с_еФ) – уменьшение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Δ n, т.е. сумма сопротивлений ∑ r + r _п, определяет наклон скоростной n = f(I_a) и механической М = f (I_а) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления r _пуказанные характеристики будут «жесткими» (естественные характеристики 1 на рис. 2.60, б и 2.61, а), так как падение напряжения I_а ∑ r в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3–5% от U _ном. При включении добавочного сопротивления r _п угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным значениям r _п2, r _п3 и r _п4. Чем больше сопротивление r _п, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т.е. тем она «мягче». Следует отметить, что реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные мощные двигатели с параллельным возбуждением часто снабжают небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. М. д. с. этой обмотки при токе I _ном составляет 10% от м. д. с. параллельной обмотки.

Рис. 2.61 – Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением

Регулировочный реостат r _p.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя I _в и его магнитный поток Ф. Как следует из (2.77а), при этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь.

На рис. 2.61, б изображены рабочие характеристики рассматриваемого двигателя. Они представляют собой зависимости потребляемой мощности P ₁тока I_a ≈ I _н, частоты вращения n, момента М и к. п. д. η от отдаваемой мощности Р ₂ на валу двигателя при U = const и I _в = const. Характеристики n = f(P ₂ ) и M = f (Р ₂), как следует из рассмотренных ранее положений, являются линейными, а зависимости P _l = f (P ₂), I_a = f(P ₂ ) и η= f(P ₂ ) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря I_а.

В случае, если обмотка якоря двигателя и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание двигателей осуществляется от генераторов или полупроводниковых преобразователей. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения I _в также не зависит от тока якоря I_а.

Рис. 2.62 – Схема двигателя с последовательным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.62, а) ток возбуждения I _в = I_а, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря I_а. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря 1_а < (0,8 ÷ 0,9) I _ном, когда магнитная система машины не насыщена Ф = k _ф I_а, причем коэффициент пропорциональности k _Ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем I_а, и при больших нагрузках (I_а > I _ном) можно считать, что Ф = const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n = f(I_a) и M – f(I_a).

При токе якоря I_а < (0,8 ÷ 0,9) I _ном частота вращения

, (2.78)

где с₁ и с₂ – постоянные.

Следовательно, скоростная характеристика двигателя n = f (I_a) имеет форму гиперболы (рис. 2.62, б).

При токе якоря I_а > I _ном частота вращения

, (2.78а)

где с' ₁и с' ₂– постоянные.

В этом случае скоростная характеристика n = f(I_a) становится линейной.

Аналогично может быть получена зависимость электромагнитного момента от тока якоря– M = f(I_a). При I_а < (0,8 ÷ 0,9) I _иом электромагнитный момент

, (2.79)

где c ₃– постоянная.

Следовательно, моментная характеристика М = f (I_а) имеет форму параболы (рис. 2.62, б).

При I_а > I _ном электромагнитный момент

, (2.79а)

где с' ₃–постоянная.

В этом случае зависимость M = f(I_a) становится линейной.

Механические характеристики n = f(M) (см. рис. 2.63, а) могут быть построены на основании зависимостей ni = f(I_a) и M=f(I_a). При токе якоря, меньшем (0,8 ÷ 0,9) I _ном, частота вращения изменяется по закону

, (2.80)

где с» ₁–постоянная.

При токе якоря, большим I _ном, зависимость n = f(M) становится линейной.

Кроме естественной характеристики 1, путем включения добавочных пусковых сопротивлений r _п в цепь якоря можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям r _п2, r _п3и r_п4; причем чем больше г_п, тем ниже располагается характеристика.

Из рис. 2.63, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются «мягкими» и имеют гиперболический характер.

Рис. 2.63 – Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением

При малых нагрузках частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 –0,25) I _ном; только двигатели очень малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеют место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Объясняется это тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность

, (2.81)

где с ₄ – постоянная.

При мягкой характеристике двигателя с последовательным возбуждением частота вращения n обратно пропорциональна ,вследствие чего

, (2.81а)

где c' ₄– постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р ₂, а следовательно, мощность Р ₁ и ток I_а у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки; например, при заданной кратности перегрузки по моменту М/М _ном= k _Mток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в k _Mраз, а в двигателе с последовательным возбуждением–только в раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока I _п/ I _ном = k_i пусковой момент его М _п = k ² _iМ _ном,в то время как у двигателя с параллельным возбуждением М _п= k_iМ _ном.

На рис. 2.63, б приведены рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением. Характеристики n = f(P ₂ ) и M = f (Р ₂), как следует из рассмотренных ранее положений, являются нелинейными; характеристики P ₁ = f (P ₂), I_а = f (P ₂) и η = f(Р ₂ ) имеют примерно такую же форму, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Рис. 2.64 – Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.64, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.64, б, кривые 3 и 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения м. д. с. параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристику двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой м. д. с. параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со. смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения холостого хода n ₀имеет конечное значение.