Лекция. Двигатель с последовательным возбуждением

Двигатель с последовательным возбуждением (ДПВ) является коллекторной машиной, как ДПТ, у которой обмотка возбуждения включена последовательно с роторной обмоткой (якорной). Эти двигатели являются самыми распространёнными в быту. Практически любое "вращающееся устройство на кухне" – ДПВ. Кроме того эти двигатели довольно широко распространены в машиностроении, авиации и т.д. Это объясняется особенностью механической характеристики устройства. Рассмотрим эту характеристику. На рис. 1 приведена структурная схема двигателя.

Рис.1.

R = R_ов + R_я- суммарное сопротивление. Где R_ов сопротивление обмотки возбуждения - ОВ,R_я сопротивление якоря.

Конструктивно, ОВ намотана на "железо" статора, поэтому при прохождении тока по ОВ возникает магнитный поток статора. При этом "железо" статора может насыщаться в соответствии с рис.2. Будем полагать, что двигатель работает в линейной зоне, и в зону насыщения не входит (у реальных двигателей это не так).

Ф_с

I_с

К_ф

Область насыщения железа статора.

Рис. 2. График насыщения статора

Тогда

, где Е -противо-ЭДС. (Как и у ДПТ, т.к. конструкция не изменилась.Рамка с током вращается в магнитном поле).

R – суммарное сопротивление ОВ и ротора.

Видим, что если в ДПТ ток якоря прямо пропорционален моменту(М_ДПТ= К_мI), то в ДПВ он пропорционален корню из момента, т.е. при увеличении момента в 2 раза, ток ДПТ увеличится в 2 раза, а ДПВ в раз.

Или, подставляя значение тока, получим:

Т.к. механическая мощность P=Mω, то для ДПТ с увеличением момента, мощность возрастет пропорционально моменту, а в ДПВ, т.к. , то мощность возрастает пропорционально корню из момента P .

Механическая характеристика приведена на рис.3.

Рис 3. Механическая характеристика ДПВ

Это теоретическая характеристика. Реальные двигатели имеют несколько иную характеристику. Ниже оси абсцисс они, как правило, не работают. На этой характеристике есть область с моментом нагрузки близким к 0. В этой области обороты двигателя стремятся к бесконечности. В реальных двигателях есть момент трения, который и ограничивает обороты на холостом ходе. Однако, для мощных двигателей, имеющих большие габариты, (диаметр ротора) есть предельная частота вращения, определяемая прочностными параметрами конструкции (например, обмотка ротора, уложенная в пазы, несбалансированность конструкции, влияющая на прочность подшипников и т.д.). Эта частота не большая, например 5000об/мин., а сила трения мала. Поэтому, если запустить такой двигатель без нагрузки, двигатель наберет предельную частоту вращения и произойдет разрушение конструкции. (Обмотка ротора может вылететь из пазов ротора и заклинить его на статор). Т.к. кинетическая энергия, запасенная в раскрученном роторе очень большая, то произойдет авария, последствия которой могут быть очень серьезными. (Двигатель срывает с анкерных болтов и он улетает …).

Мощность двигателя будет:

Можно предположить, что на характеристике мощности будет достаточно линейный участок, где момент меняется, а мощность практически нет. Т.е. если данный тип двигателя используется в тяговом приводе (транспортная машина), то условия движения меняются (движение по неровной дороге), а мощность не меняется. (Меняется скорость - некая альтернатива вариатору.)

Почему данный тип двигателя широко используется, например, в быту.

Когда вы запускаете какое либо бытовое устройство, то пусковой ток будет I_п = U\R. Для ДПТМ_пуск I_п, а для ДПВ М_пуск I_п². Т.е. пусковой момент будет в Iраз больше. По сравнению с ДПТ. Представим мясорубку или кофемолку. У них пусковой момент сопротивления очень большой, поэтому их эффективно запустить от ДПТ сложно. Потребуется более мощный двигатель. А с использованием ДПВ значительно проще. Кроме того, видим, что ОВ включена последовательно с якорной. Поэтому при блокировании вращения выходного вала (момент очень большой) по цепи течет пусковой ток. Если ток течет "долго", то обмотки нагреваются их сопротивление возрастает, следовательно, ток падает. Таким образом, ДПВ более устойчив к продолжительному пусковому режиму, чем ДПТ. (хотя это утверждение спорно).

Мы рассмотрели идеальный двигатель. Наверное, его можно сделать, вот только конструкция будет достаточно громоздкой. Надо "много железа" статора, чтобы статор не входил в насыщение. Реально, статор весит приблизительно как ротор. При больших токах он входит в насыщение, следовательно, поток статорастановится постоянным и от тока не зависит. Значит, при больших токах ДПВ преобразуется в ДПТ с линейной мех.характеристикой на больших токах. См. рис 4