Двигатели постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Классификация двигателей. Свойства двигателей постоянного тока как 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.

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

Для контура «обмотка якоря -- сеть», согласно второму закону Кирхгофа,

E - U = I_а УR_а ,

откуда

I_а = (E - U)/УR_а

Если Е > U, то ток I_а совпадает по направлению с ЭДС Е, и машина работает в генераторном режиме. При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения п, т.е. является тормозным. Уравнение для генераторного режима имеет вид

U = E - I_а УR_а.

Если Е < U, то ток I_а в уравнении изменяет знак и направлен против ЭДС Е. В соответствии с этим изменяет знак и электромагнитный момент М, т. е. он действует по направлению вращения n. При этом машина работает в двигательном режиме, и уравнение принимает вид

Рис. 1. Схемы работы машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах

U = E + I_а УR_а,

если за положительное направление тока I_а для двигательного режима принять его направление, встречное с ЭДС Е.

Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их ЭДС Е меньше напряжения сети U. Эти двигатели автоматически переходят в генераторный режим, когда их ЭДС Е больше U.

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме ЭДС Е и вращающий момент М определяются теми же формулами, что и в генераторном режиме:

Е = с_еФп;

М = с_МФI_а,

но момент имеет противоположное направление.

п = Е/(с_е Ф) = (U - I_а УR_а )/(с_е Ф).

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2, 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 его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_а (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно и получаем, что зависимости

М = f(I_a ) и n = f(I_a) (моментная и скоростная характеристики) линейные.

Следовательно, линейная и механическая характеристика двигателя n = f(M)

Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат R_п, то

п = [U - I_а(УR_а + R_п )]/(с_еФ) = п₀ - Дn,

Рис. 2. Схема двигателя с параллельным возбуждением и его моментная и скоростная характеристики

Рис. 3. Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением

где n₀ = U/(с_еФ) -- частота вращения при холостом ходе;

Д_п = (УR_а + R_п )I_а /(с_еФ)

-- снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Д_п, зависящая от суммы сопротивлений УR_а + R_п , определяет наклон скоростной n = f(I_a) и механической n = f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления R_п указанные характеристики жесткие (естественные характеристики на рис. 3) так как падение напряжения I_а УR_а в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3 -- 5% от U_ном. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата R_пl. R_п2 и R_п3. Чем больше сопротивление R_п, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

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 двигатели большой и средней мощностей с параллельным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе I_ном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат R_p.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и его магнитный поток Ф. Как следует из, при этом изменяется 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 может возникнуть круговой огонь.

Рабочие характеристики рассматриваемого двигателя представляют собой зависимости потребляемой мощности Р₁ тока I_a ? I_н частоты вращения n, момента М и КПД з от отдаваемой мощности Р₂ на валу двигателя при U = const и I_в = const. Характеристики n = f(P₂) иМ = f(P₂) являются линейными, а зависимости Р₁ = f(P₂), I_a = f(P₂) и з = f(P₂) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря I_a.

Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. 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_a.

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 8.61, а) ток возбуждения I_в = I_a, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря I_a.

Рис. 4. Схема двигателя с последовательным возбуждением и его моментная и скоростная характеристики

двигатель постоянный обмотка возбуждение

Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При I_a < (0,8 ч 0,9)I-ном, когда магнитная система машины не насыщена,

Ф = k_ф I_a , причем коэффициент пропорциональности k_ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным.

При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф возрастает медленнее, чем I_a , и при больших нагрузках (I_a > I_ном )можно считать, что Ф ? const. В соответствии с этим изменяются в зависимости n = f(I_a) иМ = f(I_a).

При I_a <(0,8 ч 0,9)I_ном скоростная характеристика двигателя n = f(I_a) (рис. 8.61, б) имеет форму гиперболы, так как частота вращения

n = U - I_a ?R_a = U - I_a ?R_a = C₁ U - C₂.

где С₁ и С₂ - постоянные.

При I_a > I_ном скоростная характеристика становится линейной, так как частота вращения

n =U - I_a ?R_a = U-I_a ?R_a= C'₁U - C'₂I_a

где С'₁ и С'₂ -- постоянные.

Аналогично можно получить зависимость электромагнитного момента от тока якоря М = f(I_a). При I_a < (0,8 ч 0,9) I_ном моментная характеристика М = f(I_a) имеет форму параболы, так как электромагнитный момент

М = с_МФН_a = с_Мk_фIа2= C₃I_а²,

где С₃ -- постоянная.

При I_a > I_ном моментная характеристика линейная, так как

М = с_МФI_a = C'₃I_а,

где C'₃ -- постоянная. Механические характеристики n = f(М) (рис. 8.62, а) можно построить на основании зависимостей n = f(I_a) и М = f(I_a). При I_a < (0,8 ч 0,9) I_ном частота вращения изменяется по закону

n =U - ?R_a = C₄U - C₂,

c_e k_фvM/(c_м k_ф) c_e k_ф vM

где С₄ -- постоянная.

При I_a > I_ном зависимость n = f(М) становится линейной.

Рис. 5. Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением

Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями R_п1, R_п2 и R_п3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше R_п, тем ниже располагается характеристика.

Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением приведены на рис. Зависимости n = f(Р₂) М = f(Р₂) являются нелинейными; зависимости P₁ = f(Р₂), I_а = f(Р₂)и з = f(Р₂) имеют примерно такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Из рассмотрения рис., следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и 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 или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 ч 0,25) I_ном; только двигатели 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 имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения п почти не зависит от момента М, поэтому мощность

Р₂ = Мщ = 2рnМ/60 = С₅М,

где С₅ -- постоянная.

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

Р₂ = Мщ = 2рnМ/60 = С'₅vМ,

где С₅ -- постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂, а следовательно, мощность Р₁ 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_м

ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в k_м раз, а в двигателе с последовательным возбуждением -- только в vk_м раз. Поэтому 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_i²М_ном ,

а у двигателя с параллельным возбуждением

М_п= k_iМ_ном.

Указанные преимущества двигателей с последовательным возбуждением наиболее четко проявляются в простых приводах, не имеющих систем автоматического управления. При наличии таких систем предпочтение всегда отдается двигателям с параллельным или независимым возбуждением, у. которых с помощью регуляторов тока возбуждения можно получить требуемую форму механической характеристики, например гиперболическую.

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 6, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения -- параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. 6, б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки).

Рис. 6. Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики

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 n₀ имеет конечное значение.

Размещено на Allbest.ru