Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя. Схемы и характеристики двигателей постоянного тока в зависимости от способа возбуждения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВО «Чувашский Государственный университет им. И. Н. Ульянова»

Факультет энергетики и электротехники

Кафедра электротехнологий, электрооборудования и автоматизированных производств

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

По дисциплине: «Электрические машины»

Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя. Схемы и характеристики двигателей постоянного тока в зависимости от способа возбуждения

Выполнил студент Гр ЗЭЭ-11-19

Семенов О.Н.

Проверил к.т.н., доцент:

Лавриненко В.А.

Чебоксары 2020



Электромагнитный момент и механическая характеристика асинхронного двигателя

1. Конструкция и принцип действия асинхронного электродвигателя

Рис. 1 Конструкции асинхронных машин: а) с короткозамкнутым ротором; б) с фазным ротором

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором приведена на рис.1, а. Здесь: 1-крышка, 2-подшипниковые щиты, 3-подшипники и 4-их крышка, 5-вентилятор, 6-короткозамкнутый ротор, 7-обмотка статора, 8-коробка выводов, 9-щеткодержатели, 10-контактные кольца.

Асинхронная машина с фазным ротором приведена на рис. 1,б.

Здесь: 11-фазный ротор. Условные графические изображения этих машин приведены рядом с соответствующими рисунками. Неподвижная часть асинхронного двигателя -- статор -- имеeт такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя -- ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис.2). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны).

Рис. 2 Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрим принцип действия асинхронной машины. Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого п₁ определяется выражением

(1)

Вращающееся поле статора (полюсы N₁ и S₁) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F_ЭM, направление которых определяют по правилу «левой руки». Из рис.2 видно, что силы F_ЭM стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_ЭM создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение с частотой n₂ Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора п₂, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле, и в этой обмотке наводится ЭДС.

2. Режимы работы асинхронной машины

В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи (см. рис.2).В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂<n₁ в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т. п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность Р₂ и передается исполнительному механизму ИМ (рис.3, б).

Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение -- величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора:

(2)

Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора п₂ уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне 0 < s < 1.



Рис. 3 Режимы работы асинхронной машины

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n₂=0). При этом скольжение s равно единице. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n₁, и скольжение весьма мало отличается от нуля (s?0 ). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением s_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения s_ном=1ё8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном=1%, а для двигателей малой мощности s_ном=8%.

Преобразовав выражение (2), получим формулу для определения асинхронной частоты вращения (об/мин):

n₂ = n₁(1-s). (3)

Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой п₂ > п₁, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы иной машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис. 3.3, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и туда он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне -Ґ<s<0, т. е. оно может принимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В таких условиях электромагнитный момент машины, направленный и сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис.3, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т. е. на его торможение.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы:

(4)

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1<s<+Ґ, т.е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы.

Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n₂, т. е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит обмотке ротора ЭДС, и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, следовательно, и частоты вращения ротора.

Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машин, т. е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь и других электродвигателей простотой конструкции и высокой и надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности:

, (5)

где

(6)

- угловая синхронная скорость вращения.

Подставив в (5) значение электромагнитной мощности, получим:

, (7)

т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Если значение тока ротора подставить в (7), то получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины (Нм):



(8)

Параметры схемы замещения асинхронной машины r₁, rў₂, x₁ и xў₂, входящие в выражение (8), являются постоянными, так как их значения при изменениях нагрузки машины остаются практически неизменными. Также постоянными можно считать напряжение на обмотке фазы статора U₁ и частоту f₁. В выражении момента М единственная переменная величина -- скольжение s, которое для различных режимов работы асинхронной машины может принимать разные значения в диапазоне от + Ґ до -Ґ.

Рассмотрим зависимость момента от скольжения М = f(s) при U₁ = const, f₁ = const и постоянных параметрах схемы замещения. Эту зависимость принято называть механической характеристикой асинхронной машины. Анализ выражения (8), представляющего собой аналитическое выражение механической характеристики М = f(s), показывает, что при значениях скольжения s = 0 и s = Ґ электромагнитный момент М = 0. Из этого следует, что механическая характеристика М = f(s) имеет максимум.

Для определения величины критического скольжения s_кр, соответствующего максимальному моменту, необходимо взять первую производную от (8) и приравнять ее нулю

В результате

(9)

Подставив значение критического скольжения (9) в выражение электромагнитного момента (8), после ряда преобразований получим выражение максимального момента (Н · м):

(10)

В (9) и (10) знак плюс соответствует двигательному, а знак минус -- генераторному режиму работы асинхронной машины.

Для асинхронных машин общего назначения активное сопротивление обмотки статора r₁ намного меньше суммы индуктивных сопротивлений: r₁ < < (x₁ + xў₂). Поэтому, пренебрегая величиной r₁, получим упрощенные выражения критического скольжения

, (11)

и максимального момента (Н · м)

(12)



Рис. 4 Зависимость режимов работы асинхронной машины от скольжения

Анализ выражения (10) показывает, что максимальный момент асинхронной машины в генераторном режиме больше, чем в двигательном (M_maxГ > М_тахД). На рис.4 показана механическая характеристика асинхронной машины M = f(s) при U₁ = const. На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим (0 < s < 1), когда электромагнитный момент М является вращающим; генераторный режим (-Ґ < s < 0) и тормозной режим противовключением (1 < s < + Ґ), когда электромагнитный момент М является тормозящим.

Из (8) следует, что электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети: М ? U₁². Это в значительной степени отражается на эксплуатационных свойствах двигателя: даже небольшое снижение напряжения сети вызывает заметное уменьшение вращающего момента асинхронного двигателя. Например, при уменьшении напряжения сети на 10% относительно номинального (U₁ = 0.9U_ном) электромагнитный момент двигателя уменьшается на 19%: Мў = 0.9²М = 0.81М, где М --момент при номинальном напряжении сети, а Мў -- момент при пониженном напряжении.

Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой M = f(s), представленной на рис.5.

Рис. 5 Зависимость электромагнитного момента асинхронного двигателя от скольжения

При включении двигателя в сеть, магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n₁, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n₂ = 0) и скольжение s = 1.

Подставив в (8) скольжение s = 1, получим выражение пускового момента асинхронного двигателя (Н · м):

(13)

Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой M = f(s). При критическом скольжении s_кр момент достигает максимального значения М_maх.

С дальнейшим нарастанием частоты вращения (уменьшением скольжения) момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента M₀ и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) М₂, то есть

М = М₀ + М₂ = М_ст. (14)

Следует иметь в виду, что при скольжениях, близких к единице (пусковой режим двигателя), параметры схемы замещения асинхронного двигателя заметно изменяют свои значения. Объясняется это, в основном, двумя факторами: усилением магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивлений рассеяния x₁ и х₂, и эффектом вытеснения тока в стержнях ротора, что ведет к увеличению активного сопротивления обмотки ротора r₂ў. Поэтому параметры схемы замещения асинхронного двигателя, используемые при расчете электромагнитного момента по (8), (10) и (12), не могут быть использованы для расчета пускового момента по (13).

Статический момент М_ст равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора (n₂ = const). Допустим, что противодействующий момент на валу двигателя М₂ соответствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае установившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами М = M_ном и s = s_ном, где М_ном и s_ном -- номинальные значения электромагнитного момента и скольжения.

Из анализа механической характеристики также следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях, меньших критического (s < s_кр), т. е. на участке ОА механической характеристики. Дело в том, что именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.

Так, если двигатель работал в номинальном режиме (М_ном; s_ном), то имело место равенство моментов: М_ном = М₀ + М₂. Если произошло увеличение нагрузочного момента М₂ до значения Мў₂, то равенство моментов нарушится, т. е. М_ном < М₀ + М₂, и частота вращения ротора начнет убывать (скольжение будет увеличиваться). Это приведет к росту электромагнитного момента до значения Мў = М₀ + Мў₂, (точка В), после чего режим работы двигателя вновь станет установившимся.

Если же при работе двигателя в номинальном режиме произойдет уменьшение нагрузочного момента до значения Мўў₂, то равенство моментов вновь нарушится, но теперь вращающий момент окажется больше суммы противодействующих: М_ном > М₀ + Мўў₂. Частота вращения ротора начнет возрастать (скольжение будет уменьшаться), и это приведет к уменьшению электромагнитного момента М до значения Мўў = М₀ + Мўў₂ (точка С); устойчивый режим работы будет вновь восстановлен, но уже при других значениях М и s.

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях sіs_кр. Так, если электромагнитный момент двигателя М = М_тах, а скольжение s = s_кр, то даже незначительное увеличение нагрузочного момента М₂, вызвав увеличение скольжения s, приведет к уменьшению электромагнитного момента М. За этим последует дальнейшее увеличение скольжения и т. д., пока скольжение не достигнет значения s = 1, т. е. пока ротор двигателя не остановится.

Таким образом, при достижении электромагнитным моментом максимального значения наступает предел устойчивой работы асинхронного двигателя. Следовательно, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы сумма нагрузочных моментов, действующих на ротор, была меньше максимального момента: М_ст = (М₀ + М₂) < М_тах. Но чтобы работа асинхронного двигателя была надежной и чтобы случайные кратковременные перегрузки не вызывали остановок двигателя, необходимо, чтобы он обладал перегрузочной способностью.

Перегрузочная способность двигателя л определяется отношением максимального момента М_тах к номинальному М_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения перегрузочная способность составляет:

= 1.7 ч 2.5.

Следует также обратить внимание на то, что работа двигателя при скольжении s < s_кр, т. е. на рабочем участке механической характеристики, является наиболее экономичной, так как она соответствует малым значениям скольжения, а следовательно, и меньшим значениям электрических потерь в обмотке ротора Р_э2 = sP_эм.

Применение формулы для расчета механических характеристик асинхронных двигателей не всегда возможно, так как параметры схемы замещения двигателей обычно не приводятся в каталогах и справочниках, поэтому для практических расчетов обычно пользуются упрощенной формулой момента. В основу этой формулы положено допущение, что активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя r₁ = 0, при этом:

(15)

Критическое скольжение определяют по формуле:

. (16)

Расчет механической характеристики намного упрощается, если его вести в относительных единицах . В этом случае уравнение механической характеристики имеет вид:

. (17)

Применение упрощенной формулы (17) наиболее целесообразно при расчете рабочего участка механической характеристики при скольжениях s < s_кр, так как в этом случае величина ошибки не превышает значений, допустимых для технических расчетов. При скольжениях s > s_кр ошибка может достигать 15-17%.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменениях напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора

Из (8), (10) и (13) видно, что электромагнитный момент асинхронного двигателя, а также его максимальное и пусковое значения пропорциональны квадрату напряжения, подводимого к обмотке статора: М ? U₁². В то же время анализ выражения (9) показывает, что значение критического скольжения не зависит от напряжения U₁. Это дает нам возможность построить механические характеристики М = f(s) для разных значений напряжения U₁ (рис.6), из которых следует, что колебания напряжения сети U₁ относительно его номинального значения U_1ном сопровождаются не только изменениями максимального и пускового моментов, но и изменениями частоты вращения ротора.

С уменьшением напряжения сети частота вращения ротора снижается (скольжение увеличивается). Напряжение U₁ влияет назначение максимального момента М_тах, а также на перегрузочную способность двигателя . Так, если напряжение U₁ понизилось на 30%, т. е. U₁ = 0.7U_ном, то максимальный момент асинхронного двигателя уменьшится более, чем вдвое:

Мў_max = 0.7² М_max = 0.49М_max.

На сколько же уменьшится перегрузочная способность двигателя · Если, например, при номинальном напряжении сети перегрузочная

способность , то при понижении напряжения на 30%

перегрузочная

способности двигателя , т. е| двигатель не в состоянии нести даже номинальную нагрузку.

Рис. 6 Влияние напряжения на вид механической характеристики асинхронного двигателя

Как следует из (10), значение максимального момента двигателя не зависит от активного сопротивления ротора rў₂. Что же касается критического скольжения s_кр, то, как это видно из (9), оно пропорционально сопротивлению rў₂. Таким образом, если в асинхронном двигателе постепенно увеличивать активное сопротивление цепи ротора, то значение максимального момента будет оставаться неизменным, а критическое скольжение будет увеличиваться (рис.7). При этом пусковой момент двигателя М_П возрастает с увеличением сопротивления rў₂ до некоторого значения. На рисунке это соответствует сопротивлению rў_2III, при котором пусковой момент равен максимальному. При дальнейшем увеличении сопротивления rў₂ пусковой момент уменьшается.

Анализ графиков М = f(s), приведенных на рис.7, также показывает, что изменения сопротивления ротора rў₂ сопровождаются изменениями частоты вращения: с увеличением rў₂ при неизменном нагрузочном моменте М_ст скольжение увеличивается, т. е. частота вращения уменьшается (точки 1, 2, 3 и 4).

Рис. 7 Влияние активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя

Влияние активного сопротивления обмотки ротора на форму механических характеристик асинхронных двигателей используется при проектировании двигателей. Например, асинхронные двигатели общего назначения должны иметь «жесткую» скоростную характеристику (см. рис.5), т. е. работать с небольшим номинальным скольжением. Это достигается применением в двигателе обмотки ротора с малым активным сопротивлением rў_2. При этом двигатель имеет более высокий КПД за счет снижения электрических потерь в обмотке ротора (Р_э2 = m₁Iў₂²rў₂). Выбранное значение rў₂ должно обеспечить двигателю требуемое значение пускового момента.

При необходимости получить двигатель с повышенным значением пускового момента увеличивают активное сопротивление обмотки ротора. Но при этом получают двигатель с большим значением номинального скольжения, и следовательно, с меньшим КПД.

Рассмотренные зависимости М = f(U₁) и M = f(r₂') имеют также большое практическое значение при рассмотрении вопросов пуска и регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.



Схемы и характеристики двигателей постоянного тока в зависимости от способа возбуждения

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:

1. С независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя),

2. С параллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря,

3. С последовательным возбуждением: обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря,

4. Со смешанным возбуждением: он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая -- последовательно с ней.

Все эти электродвигатели имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения указанных электродвигателей выполняют так же, как у соответствующих генераторов.

1. Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 1, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения -- к вспомогательному источнику в напряжением UB. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря -- пусковой реостат Rn.

Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой -- для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока Iя в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. Зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения n от тока Iя будут линейными (рис. 2, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя -- зависимость п (М) (рис. 2, б).

При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением Rn скоростная и механическая характеристики будут жесткими, т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напряжения IяУRя в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3--5 % от Uном. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 2, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением Rn угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3.

Регулировочный реостат Rpв позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. При этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря Iя и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания.



Рис. 1 Принципиальные схемы электродвигателей постоянного тока с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением

Рис. 2 Характеристики электродвигателей постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением: а -- скоростные и моментная, б -- механические, в -- рабочие Чем больше сопротивление Rn, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче

Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Фост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток Iя. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения n будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором E= U -- IяУRя.

При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток Iя, и машина должна быть отключена от источника питания.

Следует отметить, что частота вращения n0 соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности, и развивает некоторый момент M0, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше n0.

Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р2 (рис. 2, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря Iя и мощности Р1 от Р2 также практически линейны. Ток Iя и мощность Р1 при Р2 = 0 представляют собой ток холостого хода I0 и мощность Р0, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин.

2. Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

В этом электродвигателе (см. рис. 1, б) обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением U. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rpв, а в цепь обмотки якоря -- пусковой реостат Rп.

В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения Iв не зависит от тока обмотки якоря Iв. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

При питании электродвигателя от источника с изменяющимся напряжением (генератор или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее уменьшение тока возбуждения Iв и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря Iя. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.

3. Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря включен пусковой реостат Rп (рис. 3, а), а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rрв.

электродвигатель асинхронный ток постоянный

Рис. 3 Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (а) и зависимость его магнитного потока Ф от тока Iя в обмотке якоря (б)

Рис. 4 Характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением: а -- скоростные и моментная, б -- механические, в -- рабочие

Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв равен или пропорционален (при включении реостата Rpв) току обмотки якоря Iя, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя (рис. 3, б).

При токе обмотки якоря Iя, меньшем (0,8--0,9) номинального тока Iном магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току Iя. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая -- с увеличением тока Iя частота вращения n будет резко уменьшаться (рис. 4, а). Уменьшение частоты вращения n, происходит из-за увеличения падения напряжения IяУRя. во внутреннем сопротивлении Rя. цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока Ф.

Электромагнитный момент М при увеличении тока Iя будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток Ф, т. е. момент М будет пропорционален току Iя. Поэтому при токе Iя, меньшем (0,8 Н- 0,9) Iном, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная -- параболы.

При токах Iя > Iном зависимости М и п от Iя линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока Iя меняться не будет.

Механическая характеристика, т. е. зависимость n от М (рис. 4, б), может быть построена на основании зависимостей n и М от Iя. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением Rп получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3, при этом чем больше Rn, тем ниже располагается характеристика.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). 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 для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2 …. 0,25) Iном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Если принять, например, что кратковременный пусковой ток может в 2 раза превышать номинальный рабочий ток машины, и пренебречь влиянием насыщения, реакцией якоря и падением напряжения в цепи его обмотки, то в двигателе с последовательным возбуждением пусковой момент будет в 4 раза больше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбуждением -- только в 2 раза больше.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорционально току, но все же пусковой момент двигателя с последовательным возбуждением при прочих равных условиях будет значительно больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.

Зависимости n и М от мощности Р2 на валу электродвигателя (рис. 4, в), как следует из рассмотренных выше положений, являются нелинейными, зависимости P1, Iя и з от Р2 имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным возбуждением.

4. Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 5, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения -- параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения Iв1 и Iв2 = Iя

Поэтому

где Фпосл -- магнитный поток последовательной обмотки, зависящий от тока Iя, Фпар -- магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения Iв1).

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением (рис. 5, б) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки).

Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Фпосл=0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Фпар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос).

Рис. 5 Принципиальная схема электродвигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)



Список литературы

1. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины.

2. Вольдек А. И. Электрические машины. Л., 1978.

3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М., 1980.

4. Кацман М. М. Электрические машины. М., 1983.

5. Копылов И. П. Электрические машины. М., 1986.

6. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Ч. I--II. Л., 1973.

7. Юферов Ф. М. Электрические микромашины автоматических устройств. М., 1988.

Размещено на Allbest.ru