Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (независимым): принцип работы

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.

Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = I_я + I_в, где I_я  — ток якоря, I_в – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом I_в не зависит от I_я, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.

В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:

• Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
• Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).

При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.

Сферы применения двигателя

Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:

• вентиляторами;
• насосами;
• шахтными подъемниками;
• подвесными электрическими дорогами;
• станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).

Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I _в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:

• способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
• связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.

1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.

34. Характеристика дпт с параллельным возбуждением.

Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение U

н=const.

Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения

Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=I_a+I_в, ток возбуждения обычно равен I_в=(0,03…0,04) I_н. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения r_в=const и якоря

Σr = const.

 

Скоростная характеристика.

Зависимость n=f (I_a) при U_н=const и I_в=const

Из уравнения ЭДС для электродвигателя

 

имеем

Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.

Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока I_a уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.

На рис. 2  показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния I_a∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения

Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.

Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.

Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно , где n

o — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений R_рг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.

Моментная характеристика – это зависимость М=f (I_a) при r_в=const, U=U_н и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно

имеем M_эм = M

2+M₀ = с_мI_aФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока I_a несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).

Характеристика КПД η=f (I_a) снимается при U=U_н, r_в=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Р

н , достигает максимального значения при Р=(0,5…0,75) Р_н, а затем до Р=Р_ностается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75…0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85…0,94.

Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=U_н, I_в=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя

Определив ток I_а из выражения М = с

еI_aФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим

Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления R_рг включенного в цепь якоря. При R_рг=0 характеристика называется естественной.

Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения

Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения I_в=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.

Двигатели параллельного возбуждения

Схема двигателя.

Схема двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.25. Обмотка якоря и обмотка возбуждения включены параллельно. В этой схеме: I – ток, потребляемый двигателем из сети, I_я – ток якоря, I_в –_{ток возбуждения. Из первого закона Кирхгофа следует, что I = Iя + Iв.}

Естественная механическая характеристика. Естественная механическая характеристика описывается формулой (1.6).

При холостом ходе М = 0 и n_х = U/С_ЕФ.

Если Ф = const, то уравнение механической характеристики принимает вид:

n = n_х – bМ, (1.8)

где b = R_я/С_ЕФ.

Из (1.8) следует, что механическая характеристика (рис. 1.26, прямая 1) – прямая с углом наклона a и угловым  коэффициентом b. Так как у двигателей постоянного тока R_я мало, то с увеличением нагрузки на валу частота вращения  n  изменяется незначительно – характеристики подобного типа называются «жесткими».

Ток, потребляемый двигателем из сети, практически растет пропорционально моменту нагрузки. Действительно, М » М_эм = С_м I_я Ф, и так как у двигателя параллельного возбуждения Ф = const, то I_я ~ М.

Регулирование частоты вращения.

Регулирование частоты вращения возможно из (1.6) тремя способами: изменением магнитного потока главных полюсов Ф, изменением сопротивления цепи якоря R_я и изменением подводимого к цепи якоря напряжения U (изменение n за счет изменения момента нагрузки М в понятие регулирования не входит).

Регулирование n изменением магнитного потока Ф осуществляется с помощью регулировочного реостата R_р. При увеличении сопротивления реостата ток возбуждения I_в и_{магнитный поток главных полюсов Ф уменьшаются. Это приводит, во-первых, к увеличению частоты вращения холостого хода nх и, во-вторых, к увеличению коэффициента b, т.е. к увеличению угла наклона механической характеристики. Однако b остается небольшим и жесткость механических характеристик сохраняется. На рис. 1.28 помимо естественной характеристики 1, соответствующей максимальному магнитному потоку Ф, приведено семейство механических характеристик 2-4, снятых при уменьшенном магнитном потоке. Из характеристик следует, что изменением магнитного потока можно только увеличивать частоту вращения относительно естественной характеристики. Практически частоту вращения таким методом можно увеличивать не более чем в 2 раза, так как увеличение скорости приводит к ухудшению коммутации и даже механическим повреждениям машины.}

Другой способ регулирования скорости связан с включением последовательно с якорем регулировочного реостата R_я.р (пусковой реостат R_п для этой цели непригоден, так как он рассчитан на кратковременный режим работы). Формула (1.6) при этом принимает вид:

n = ,

(1.9)

откуда следует, что скорость при холостом ходе при любом сопротивлении R_я.р одинакова, а коэффициент b и, следовательно, наклон механических характеристик 5-7 увеличивается (рис. 1.26). Регулирование частоты вращения этим способом приводит к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. Кроме того, оно неэкономично, так как связано с большой мощностью потерь (R_я.р I) в регулировочном реостате, по которому протекает весь ток якоря.

Третий способ регулирования частоты вращения – безреостатное изменение подводимого к якорю напряжения. Он возможен только в случае, когда якорь двигателя питается от отдельного источника, напряжение которого можно регулировать. В качестве регулируемого источника применяются отдельные, специально предназначенные для данного двигателя генераторы или управляемые вентили (тиратроны, ртутные выпрямители, тиристоры). В первом случае образуется система машин, называемая системой Г-Д (генератор – двигатель), (рис. 1.27). Она применяется для плавного регулирования в широких пределах частоты вращения мощных двигателей постоянного тока и в системах автоматического управления. Система регулирования с управляемыми вентилями УВ (рис. 1.28) находит применение для регулирования частоты вращения двигателей меньшей мощности. Ее преимущество – большая экономичность.

Регулирование частоты вращения изменением U практически возможно только в сторону уменьшения, так как увеличение напряжения выше номинального недопустимо из-за резкого ухудшения коммутации. Из (1.9) следует, что при уменьшении напряжения уменьшается скорость холостого хода n_х, а наклон механических характеристик 8-10 не изменяется (см. рис. 1.26), они остаются жесткими даже при низких напряжениях. Диапазон регулирования (n_max/n_min) таким способом 6:1-8:1. Он может быть значительно расширен при применении специальных схем с обратными связями.

Регулировочная характеристика.

Регулировочная характеристика n=f(I_в) двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.29.

Ее характер определяется зависимостью (1.5), из которой следует, что частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку и, следовательно, току возбуждения I_в. При токе возбуждения I_в = 0, что может быть при обрыве цепи возбуждения, магнитный поток равен остаточному Ф_ост и частота вращения становится настолько большой, что двигатель может механически разрушиться, – подобное явление называется разносом двигателя.

Физически явление разноса объясняется тем, что вращающий момент (1.2) при уменьшении магнитного потока, казалось бы, должен уменьшиться, однако ток якоря I_я = (U – E)/R_я увеличивается значительнее, так как уменьшается Е (1.1) и разность U – E увеличивается в большей степени (обычно Е » 0,9 U).

Тормозные режимы.

Тормозные режимы двигателя имеют место тогда, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, действует против направления вращения якоря. Они могут возникать в процессе работы двигателя при изменении условий работы или создаваться искусственно с целью быстрого уменьшения скорости, остановки или реверсирования двигателя.

У двигателя параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: генераторное торможение с возвратом энергии в сеть, торможение противовключением и динамическое_{торможение.}

Генераторное торможение возникает в тех случаях, когда частота вращения якоря n становится больше частоты вращения при идеальном (т.е. при М_пр = 0) холостом ходе n_{x(n>nx). Переход в этот режим из режима двигателя возможен, например, при спуске груза, когда момент, создаваемый грузом, приложен к якорю в том же направлении, что и электромагнитный момент двигателя, т.е. тогда, когда момент нагрузки действует согласно с электромагнитным моментом двигателя и он набирает скорость, большую чем nx. Если n>nx, то Е>Uc(где Uc– напряжение сети) и ток двигателя  изменяет свой знак (1.4) – электромагнитный момент из вращающего становится тормозным, а машина из режима двигателя переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть (рекуперация энергии). Переход машины  из двигательного режима в генераторный иллюстрируется механической характеристикой     (рис. 1.30). Пусть в двигательном режиме    a1 – рабочая точка; ей соответствует момент М. Если частота вращения увеличивается, то рабочая точка по характеристике 1 из квадранта I переходит в квадрант II, например, в рабочую точку a2, которой соответствует частота вращения n΄ и тормозной момент – М΄.}

Торможение противовключением возникает в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или тока возбуждения переключается на противоположное. Электромагнитный момент при этом изменяет знак и становится тормозным.

Работе двигателя с противоположным направлением вращения соответствуют механические характеристики, располагающиеся в квадрантах II и III (например, естественная характеристика 2 на рис. 1.30).

Внезапный переход на эту характеристику практически недопустим, так как сопровождается чрезмерно большим броском тока и тормозного момента. По этой причине одновременно с переключением одной из обмоток в цепь якоря включается добавочное сопротивление R_доб, ограничивающее ток якоря.

Механическая характеристика режима с R_доб имеет большой наклон (прямая 3). При переходе в режим противовключения частота вращения n в первый момент измениться не может (из-за инерционности якоря) и рабочая точка из положения a₁ перейдет в положение a₃ на новой характеристике. Из-за появления М_тор частота вращения n будет быстро падать до тех пор, пока рабочая точка  a₃ не перейдет в положение a₄, соответствующее остановке двигателя. Если в этот момент двигатель не отключить от источника питания, то якорь изменит направление вращения. Машина начнет работать в двигательном режиме с новым направлением вращения, а ее рабочая точка a₅ будет находиться на механической характеристике 3 в квадранте III.

Динамическое торможение возникает в тех случаях, когда якорь двигателя отключается от сети и замыкается на сопротивление динамического торможения R_д.т. Уравнение характеристики (1.6) принимает вид:

n =

что соответствует семейству прямых 4 (при разных R_д.т), проходящих через начало координат. При переключении в этот режим рабочая точка a₁ переходит на одну из характеристик 4, например, в точку a₆, а затем перемещается по прямой 4 до нуля. Якорь двигателя тормозится до полной остановки. Изменением сопротивления R_д.т можно регулировать ток якоря и скорость торможения.

32. Основные схемы включения дпт. Независимое возбуждение

Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.

Схема независимого возбуждения

Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.

Параллельное возбуждение

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.

Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.

Схема параллельного возбуждения

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.

Схема последовательного возбуждения

Смешанное возбуждение

При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.

Схема смешанного возбуждения

Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений

33. Характеристика дпт с независимым возбуждением.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) В этом двигателе (рисунок 1) обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику питания. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r_рег, а в цепь якоря — добавочный (пусковой) реостат R_п. Характерная особенность ДПТ НВ — его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_я так как питание обмотки возбуждения независимое.

Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Рисунок 1

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения (дпт нв)

Уравнение механической характе­ристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид

где: n₀ — частота вращения вала двигателя при холостом ходе. Δn — изменение частоты вращения двигателя под действием механической нагрузки.

Из этого уравнения следует, что механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) прямолинейны и пересекают ось ординат в точке холостого хода n₀ (рис 13.13 а), при этом изменение частоты вращения двигателя Δn, обусловленное изменением его механической нагрузки, пропорционально сопротивлению цепи якоря R_а =∑R + R_доб. Поэтому при наименьшем сопротивлении цепи якоря R_а = ∑R, когда R_доб = 0, соответствует наименьший перепад частоты вращения Δn. При этом механическая характеристика становится жесткой (график 1).

Механические характеристики двигателя, полученные при номинальных значениях напряжения на обмотках якоря и возбуждения и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря, называют естественными (график 7).

Если же хотя бы один из перечисленных параметров двигателя изменен (напряжение на обмотках якоря или возбуждения отличаются от номинальных значений, или же изменено сопротивление в цепи якоря введением R_доб), то механиче­ские характеристики называют искусственными.

Искусственные механические характеристики, полученные введением в цепь якоря добавочного сопротивления R_доб, называют также реостатными (графики 7, 2 и 3).

При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики n = f(M). При неизменном моменте нагрузки на валу двигателя с увеличением сопротивления резистора R_доб частота вращения уменьшается. Сопротивления резистора R_доб для получения искусственной механической характеристики, соответствующей требуемой частоте вращения n при заданной нагрузке (обычно номинальной) для двигателей независимого возбуждения:

где U — напряжение питания цепи якоря двигателя, В; I_я — ток якоря, соответствующий заданной нагрузке двигателя, А; n — требуемая частота вращения, об/мин; n₀ — частота вращения холостого хода, об/мин.

Частота вращения холостого хода n₀ представляет собой пограничную частоту вращения, при превышении которой двигатель переходит в генераторный режим. Эта частота вращения превышает номинальную n_ном на столько, на сколько номинальное напряжение U_ном подводимое к цепи якоря, превышает ЭДС якоря Е_{я ном} при номинальной нагрузки двигателя.

откуда:

На форму механических характеристик двигателя влияет величина основного магнитного потока возбуждения Ф. При уменьшении Ф (при возрастании сопротивления резистора r_peг) увеличивается частота вращения холостого хода двигателя n₀ и перепад частоты вращения Δn. Это приводит к значительному изменению жесткости механической характеристики двигателя (рис. 13.13, б). Если же изменять напряжение на обмотке якоря U (при неизменных R_доб и R_рег), то меняется n₀, a Δn остается неизменным [см. (13.10)]. В итоге механические характеристики смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рис. 13.13, в). Это создает наиболее благоприятные условия при регулировании частоты вращения двигателей путем изменения напряжения U, подводимого к цепи якоря. Такой метод регулирования частоты вращения получил наибольшее распространение еще и благодаря разработке и широкому применению регулируемых тиристорных преобразователей напряжения.

13.13 Двигатель с параллельным возбуждением

Цепи якоря и возбуждения у двигателя с параллельным возбужде­нием соединены между собой параллельно. Следовательно, ток воз­буждения такого двигателя не зависит от тока якоря и от нагрузки двигателя.

На рис. 13.37 показана основная схема соединений двигателя о пусковым r_п и регулировочным r_ш реостатами. Пусковой реостат необ­ходим для того, чтобы ограничить ток в якоре при пуске, пока ЭДС якоря равна нулю или мала, так как согласно (13.6)

I_я = (U — E_я)/(r_я + r_п).

Электродвижущая сила Е_я пропорциональна потоку Ф; желательно, чтобы при пуске двигателя ЭДС Е_я возрастала возможно быстрее.

По этой причине при пуске обмотку возбуждения следует включать сразу на полное напряжение сети при выведенном регулировочном реостате г_ш.. Вращающий момент двигателя (13.2) также пропорциона­лен магнитному потоку Ф, поэтому если пуск двигателя происходит при наибольшем потоке, то наибольшего значения достигает и вращаю­щий момент, что существенно облегчает процесс пуска, так как соот­ветственно может быстрее снизиться пусковой ток.

В схеме на рис. 13.38 такое соединение обмотки возбуждения предусмотрено. Пусковой реостат снабжен металлической дугой т, которой касается скользящий контакт, укрепленный на рукоятке рео­стата. Пока рукоятка эта стоит на холостом контакте О пускового реостата, обе цепи двигателя выключены. Затем, когда во время пуска рукоятка перемещается по контактам реостата, обмотка возбуждения двигателя все время находится под полным напряжением сети.

Первый контакт пусково­го реостата соединен с мед­ной дугой т, благодаря чему при выключении двигателя обмотка возбуждения оказы­вается замкнутой на якорь и пусковой реостат. Тем самым

предупреждается возникновение большой ЭДС самоиндукции при размыкании цепи возбуждения, так как обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью. Благодаря наличию замкнутого контура с резистором при выключении двигателя энергия магнитного поля обмотки возбуждения преобразуется в этом резисторе в тепло. Секции пускового реостата рассчитываются так, чтобы при нормальном пуске ток якоря не превышал примерно двойного значения номинального тока якоря. Ток якоря при работе двигателя равен 1_я=(U — Е_я)/r_я.

Так как Е_я = с_ЕФп, то

n = (U — r_яI_я)/с_EФ (13.7)

— это уравнение частоты вращения двигателя с параллельным воз­буждением.

Общее уравнение электромагнитного момента (13.2) машины по­стоянного тока определяет вращающий момент двигателя с парал­лельным возбуждением:

(13.8)

М_вр = с_мФ1_я

Этот момент уравновешивает тормозной момент, приложенный к валу двигателя (статический момент).

При увеличении нагрузки на валу двигателя сначала равновесие моментов нарушается и двигатель несколько уменьшает частоту вра­щения. Но это вызывает уменьшение Е_я, а следовательно, и увеличение I_я. Пропорционально I_я возрастает вращающий момент, и при немного понизившейся частоте вращения п равновесие моментов восстанавливается. На основании (13.7) и (13.8) зависимость п от вращающего момента можно выразить также следующим образом:

n = — MBP.

(13.9)

Реакция якоря может оказывать некоторое влияние на работу двигателя. При увеличении тока якоря I_я уменьшается главный маг­нитный поток Ф (в наибольшей степени у двигателей без дополнитель­ных полюсов). Согласно уравнению (13.9) ослабление потока увели­чивает п, а следовательно, противодействует снижению частоты вращения, вызываемому увели­чением r_яI_я. Вместе с тем ослаб­ление потока уменьшает вра­щающий момент, а следователь­но, вызывает увеличение тока якоря, необходимое для поддер­жания равновесия моментов.

Большинство двигателей с параллельным возбуждением для компенсации влияния реакции якоря на главный магнитный поток снабжается дополнитель­ной последовательной обмоткой возбуждения из небольшого числа витков, называемой стабилизирующей обмоткой. Она соединяется согласно с параллельной обмоткой возбуждения и на вид характери­стик двигателя практически не влияет, поэтому двигатели с такой дополнительной обмоткой рассматриваются как двигатели с паралле­льным возбуждением, хотя фактически в них осуществлено смешан­ное возбуждение. Однако наличие этой дополнительной обмотки необ­ходимо учитывать, если использовать двигатель для каких-либо спе­циальных целей.

Следовательно, если считать магнитный поток Ф неизменным, то (13.9) — естественная механическая характеристика двигателя с па­раллельным возбуждением п = F (М), — изображается прямой линией, слегка наклоненной в сторону оси абсцисс (рис. 13.39). При изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной частота вращения большинства двигателей параллельного возбуждения умень­шается лишь на 3—8 % (тем меньше, чем больше номинальная мощ­ность двигателя). Таким образом, естественную механическую характе­ристику двигателей с параллельным возбуждением следует считать жесткой.

Угол наклона механической характеристики можно изменить, вклю­чив последовательно с якорем реостат г. В этом случае уравнение частоты вращения двигателя будет:

п =. (13.10)

Изменяя сопротивление реостата r, можно получить семейство искусственных механических характеристик (реостатных характерис­тик) более мягких, чем естественная механическая характеристика двигателя. Все эти характеристики будут пересекать ось ординат в одной и той же точке, определяемой условием I_я = 0 или Е_я = с_Еп_х Ф = U; здесь п_х — частота вращения якоря при идеальном холостом ходе двигателя. Заметим, что идеальный холостой ход дви­гателя соответствует отсутствию тормозного момента на его валу. Так как трение в подвижных частях двигателя всегда создает тормоз­ной момент, то идеальный холостой ход можно получить только воздей­ствием на вал машины внешнего вращающего момента от вспомогатель­ного двигателя.

Если при неизменном моменте на валу постепенно увеличивать сопротивление реостата г в цепи якоря, то точка п, показывающая на диаграмме рис. 13.39 частоту вращения двигателя, будет переме­щаться с одной характеристики на другую (точ­ки n₁— n₄). Следовательно, посредством рео­стата r можно регулировать частоту вращения двигателя. Однако такое регулирование неэко­номично, так как ток в цепи регулировочного реостата равен току якоря I_я а это обуслов­ливает значительную мощность потерь rI²_я. По этой причине регулирование включением рео­стата в цепь якоря применяется лишь для двигателей небольших мощностей. По суще­ству реостатом регулируется напряжение на якоре. Положительной стороной такого регули­рования частоты вращения изменением напряжения является постоян­ство тока якоря и вращающего момента, развиваемого двигателем. Для большого числа приводов характерно постоянство нагрузочного момента при изменении частоты вращения. Следовательно, при работе двигателя на такой привод регулирование частоты вращения измене­нием напряжения не будет вызывать изменения тока якоря и послед­ний не будет перегружаться по току. По этой причине регулирование изменением напряжения называют регулированием с постоянным предельно допустимым моментом.

Уравнение (13.10) показывает, что частота вращения п обратно пропорциональна главному магнитному потоку Ф, а этот поток, пока магнитная цепь машины не насыщена, можно считать пропорциональ­ным току возбуждения I_в. Следовательно, частоту вращения двигателя можно регулировать изменением тока возбуждения, для чего в цепь возбуждения вводится реостат г_ш. Зависимость п = F (I_B) носит гиперболический характер; на рис. 13.40 показана эта характеристика двигателя при холостом ходе.

Процесс регулирования при постоянном тормозном моменте на валу двигателя протекает следующим образом.

Увеличение сопротивления реостата г_ш уменьшает ток возбуждения I_в, вследствие чего уменьшается магнитный поток Ф и индуктируемая им ЭДС Е_я в обмотке якоря. Понижение ЭДС Е_я вызывает увеличение тока в обмотке якоря:

I_я = (U-Е_я)/r₂

а следовательно, увеличение вращающего момента и частоты вращения двигателя. Благодаря этому равновесие моментов и равновесие элект­рическое

U = E_я + r_я1_я

восстанавливаются при возросших частоте вращения п и токе якоря I_Я. Таким образом, при М = const увеличение п двигателя посредством ослабления магнитного потока вызывает увеличение I_Я а следователь­но, некоторую перегрузку током коллектора и обмотки якоря.

Иные условия имеют место, если нагрузка на валу двигателя тре­бует постоянства мощности Р_н. Так как Р_н = М_вр = с_мФ1_яп/30 = кФ1_яп, то уменьшение магнитного потока будет вызывать увеличение частоты вращения и уменьшение вращающего момента при неизменном токе /_я. Следователь­ но, регулирование частоты вращения двига­теля путем изменения тока возбуждения вы­годно при постоянстве мощности на валу. По этой причине такое регулирование частоназывают регулированием с постоянной пре­дельно допустимой мощностью.

Рис. 13.41.

Механические характеристики двигателя при различном возбуждении наклонены не­одинаково к оси абсцисс (рис. 13.41). Чем меньше магнитный поток, тем больше при том же вращающем моменте М = с_мФ1_в должен быть ток I_я, а следовательно, тем большее изменение п = (U — r_яI_я)/с_EФ вызывает изменение нагрузки, т. е. с ослаблением магнитного потока механическая характеристика двигателя становится мягче.

Так как ток возбуждения I_в относительно мал — примерно (2—3 %) I_я, то и дополнительные мощности потерь r_BI²_B при регули­ровании частоты вращения ослаблением магнитного потока Ф относи­тельно малы, благодаря чему такое регулирование весьма экономично. Однако значительное увеличение частоты вращения может обусловли­вать перегрузку коллектора и якоря по току, сильное ухудшение условий коммутации, возникновение опасных механических центро­бежных сил в якоре, и т. п. По этим причинам серийные двигатели параллельного возбуждения рассчитываются на регулирование частоты вращения в пределах до 2 : 1. Возможность регулирования частоты вращения нагруженного двигателя в более широких пределах требует соответствующих конструктивных изменений машины. Такие изме­нения делаются заводами-изготовителями по специальным заказам, и в СССР выпускаются двигатели, рассчитанные на регулирование час­тоты вращения посредством изменения тока возбуждения в пределах 2,5 : 1; 3 : 1; 4 : 1.

Очень широкие пределы регулирования частоты вращения и без­реостатный пуск двигателя с параллельным возбуждением обеспечи­вает применение системы П—Д (преобразователь—двигатель). Особенно целесообразно ее применение для больших мощностей, например для приводов прокатных станов. В качестве преобразователей могут использоваться генераторы постоянного тока, тиристорные выпрями­тели и т. д.

При использовании генератора постоянного тока в качестве пре­образователя весь агрегат системы Г—Д (генератор—двигатель) стоит из четырех машин (рис.13.42), асинхронный (или синхронный) двигатель АД вращает с постоянной частотой мощный генератор постоянного тока Г и небольшой генератор В с парал­лельным возбуждением, служа­щий возбудителем для установ­ки.

Цепь якоря генератора Г замкнута непосредственно на цепь якоря двигателя Д. Цепи возбуждения генератора и двига­теля питаются от возбудителя В. Все операции управления частотой вращения двигателя осуществляются воздействием только на цепи возбуждения машин. Напряжение генератора регулируется с помо­щью реостата г_в.г, включенного в его цепь возбуждения. Для того чтобы иметь возможность изменять направление тока возбуждения генератора, этот реостат часто снабжают двумя подвижными кон­тактами и включают по схеме по­тенциометра. Изменение направле­ния тока возбуждения генератора изменяет напряжения на выводах генератора и, следовательно, вы­зывает реверсирование двигателя. Для пуска двигателя напряже­ние генератора понижается регу­лированием возбуждения генера­тора.

Пределы регулирования изме­нением напряжения для установки средней мощности — примерно от 5 :1 до 10 : 1. Механические харак­теристики в пределах этой области регулирования — параллельные прямые (рис. 13.43), только их угол наклона к оси абсцисс несколько больше, чем угол наклона естественной механической характеристики двигателя. Меньшая жесткость характеристики является следствием понижения напряжения генератора с увеличением нагрузки из-за влияния внутреннего сопротивления якоря г_Ягг генератора. Таким образом, уравнение частоты вращения двигателя в системе Г—Д будет:

(13.11)

n==— M_вр .

Уменьшение тормозного момента до нуля соответствует идеальному холостому ходу. Если далее воздействовать на вал машины внешним вращающим моментом (М < 0), то машина перейдет из режима двига­теля в режим генератора.

Дальнейшее расширение пределов регулирования частоты враще­ния системы Г—Д достигается изменением тока возбуждения двига­теля. Ослаблением магнитного потока двигателя можно обеспечить регулирование в пределах примерно до 4 : 1, а следовательно, для системы Г—Д в целом пределы регулирования будут от 12 : 1 до 16 : 1.

Регулирование в пределах второй зоны, т. е. ослабление магнит­ного потока, экономически выгодно при постоянстве мощности привода.

Недостатками системы Г—Д являются большие габариты, низкий КПД из-за потерь в трех преобразователях энергии и большая инерционность регулирования.

Во многих современных установках система Г—Д заменена тиристорной системой с фазовым регулированием.

Для машины с параллельным возбуждением может быть построена уни­версальная характеристика. Если посредством какого-либо независимого двигателя вращать якорь с частотой вращения, превосходящей частоту вращения иде­ального холостого хода п_х, то направление тока в якоре изменится и машина будет работать как генератор на сеть постоянного тока. Если же приложить к валу двигателя достаточно большой тормозной мо­мент, то двигатель остановится, а если тормозной момент активный, создаваемый, например, опускающимся достаточно большим грузом, то машина из режима двигателя перейдет в режим электромагнит­ного тормоза. В этом случае ток в якоре

1_я = (U + Е_я)/(r_я + r), (13.12)

где r — сопротивление реостата, который необходимо включить в цепь якоря, чтобы ограничить ток.

При номинальном напряжении и отсутствии реостата ток в якоре при остановке в режиме тормоза был бы слишком большим и произошло бы разрушение коллектора и обмотки якоря. Торможение, получаемое таким образом, именуется торможением противовключением. Наряду с ним для быстрой остановки привода используется режим динами­ческого торможения. Вращающийся якорь отключается от сети и замыкается на некоторый резистор. В этих условиях ЭДС якоря играет роль ЭДС генератора. Она создает ток в якоре и резисторе, а этот ток вызывает возникновение электромагнитного тормозного момента.

Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (6) и (7) при U=constиi_B=const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

(6)

(7)

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_aпотокФ_δнесколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скоростьn, согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряженияR_aI_aвызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8;1— при преобладании влияния R_aI_a;2— при взаимной компенсации влияния R_aI_aи уменьшения;3— при преобладании влияния уменьшенияФ_δ.

Ввиду того что изменение Ф_δотносительно мало, механические характеристикиn=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (7), приU=constиi_B==constсовпадают по виду с характеристикамиn=f(I_a) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1(рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида1(рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δпод воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения.

Изменение скорости вращения Δ_n(рис. 8) при переходе от холостого хода (I_a =I_a0) к номинальной нагрузке (I_a=I_aн) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% отn_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя па­раллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_{p в}(см. рис. 11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_pa= 0) и U = const характеристики n =f(I_a) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных значений R_р.в. ,I_B или Ф_δ имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(I_a) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_a, который равен

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку. Значения nпри установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривойМ_ст=f(п)для рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

Точка холостого хода двигателя (М = М₀,I_a = I_a0) лежит несколько правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращенияnвследствие увеличения механических потерьМ₀иI₀₀также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращенияn, тоЕ_а=c_eФ_δт будет увеличиваться, аI_аиМбудут, согласно равенствам

и

уменьшаться. При I_а = 0иМ. =0механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скоростиIаиМ изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Рис. 9. Механические и ско­ростные характеристики двига­теля параллельного возбужде­ния при разных потоках воз­буждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_pa(рис. 10, а), то вместо выражений (6) -и (7) получим

(8)

(9)

Сопротивление R_pa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M)иn=f(I_a)для различных значенийR_pa=constприU=constиi_B=constизображены на рис. 10, б (R_pa1 < R_pa2< R_pa3)- Верхняя характеристика (R_pa= 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точкес

и

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0, э.д.с.Е_аимеет противоположный знак и складывается с напряжением сетиU, вследствие чего

а момент двигателя М действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (I_a = I_a0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режимI_a=0, а затемI_a изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси ординат).

Как видно из рис. 10, б, при включении R_paхарактеристики становятся менее жесткими, а при больших величинахR_pa— круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления M_ст=f(n)имеет вид, изображенный на рис. 10, б штриховой линией, то значенияnпри установившемся режиме работы для каждого значенияR_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем большеR_pa, тем меньшеnи ниже к. п. д.

Рабочие характеристикипредставляют собой зависимости потребляемой мощностиР₁потребляемого токаI, скоростиn, моментаМи к. п. д.η] от полезной мощностиР₂, приU = constи неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис. 11.

Одновременно с увеличением мощности на валуР₂ растет и момент на валуМ.Поскольку с увеличениемР₂иМскоростьnнесколько уменьшается, тоМ = Р₂/прастет несколько быстрееР₂. УвеличениеР₂иМ, естественно, сопровождается увеличением тока двигателяI. ПропорциональноIрастет также потребляемая из сети мощностьР₁. При холостом ходе (Р₂ = 0) к. п. д.η= 0, затем с увеличениемР₂сначалаη| быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоряη снова начинает уменьшаться.

Рис. 11. Рабочие характеристики

двигателя параллельного возбуждения

Р_Н = 10 квт, U_Н = 220 в, п_Н = 950 об/мин

Двигатели параллельного возбуждения

Дата публикации: 12 марта 2013.
Категория: Машины постоянного тока.

Естественные скоростная и механическая характеристики

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (7) и (9), представленными в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при U = const и i_в = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_а поток Ф_δ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (7), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», будет стремится возрасти. С другой стороны, падение напряжения R_а × I_а вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три  вида скоростной характеристики, изображенные на рис. 1: 1 – при преобладании влияния R_а × I_а; 2 – при взаимной компенсации влияния R_а × I_а и уменьшения Ф_δ; 3 – при преобладании влияния уменьшения Ф_δ.

Ввиду того что изменение Ф_δ относительно мало, механические характеристики n = f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (9), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при U = const и i_в = const совпадают по виду с характеристиками n = f(I_а) (рисунок 1). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Рисунок 1. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения

Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью «Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока»). Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготавливаются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рисунок 1). В современных высокоиспользованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рисунок 1) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, намагничивающая сила которой составляет до 10% от намагничивающей силы параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δ под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей,  а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем параллельного возбуждения.

Изменение скорости вращения Δn (рисунок 1) при переходе от холостого хода (I_а = I_а0) к номинальной нагрузке (I_а = I_ан) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2 – 8% от n_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и прочее).

Рисунок 2. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_р.в (смотрите рисунок 1, б в статье «Общие сведения о генераторах постоянного тока» и рисунок 1 в статье «Пуск двигателей постоянного тока»). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_ра = 0) и U = const характеристики n = f(I_а) и n = f(M), определяемые равенствами (7) и (9), представленными в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», для разных значений R_р.в, i_в или Ф_δ имеют вид, показанный на рисунке 2. Все характеристики n = f(I_а) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_а, который, согласно выражению (5), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», равен

I_а = U / R_а .

Однако механические характеристики n = f(M) пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рисунке 2 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой M_ст = f(n) для рабочей машины, соединенной с двигателем (жирная штриховая линия на рисунке 2).

Точка холостого хода двигателя (M = M₀, I_а = I_а0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M₀ и I_а0 также увеличиваются (тонкая штриховая линия на рисунке 2).

Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то E_а [смотрите выражение (6) в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»] будет увеличиваться, а I_а и M будут, согласно равенствам (5) и (8), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», уменьшаться. При I_а = 0 и M = 0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости I_а и M изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рисунке 2 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготавливаются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов (смотрите статью «Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока») или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики

Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_ра (рисунок 3, а), то вместо выражений (7) и (9), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», получим

(1)

 

(2)

Сопротивление R_ра может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рисунок 3. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n = f(M) и n = f(I_а) для различных значений R_ра = const при U = const и i_в = const изображены на рисунке 3, б (R_ра1 < R_ра2 < R_ра3). Верхняя характеристика (R_ра = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс  (n = 0) в точке, для которой

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рисунке 3 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n < 0, э. д. с. E_а имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего

а момент двигателя M действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (I_а = I_а0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим I_а = 0, а затем I_а изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рисунке 3, б слева от оси ординат).

Как видно из рисунка 3, б, при включении R_ра характеристики становятся менее жесткими, а при больших значениях R_ра – круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления M_ст = f(n) имеет вид, изображенный на рисунке 3, б жирной штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения R_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше R_ра, тем меньше n и ниже коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря

Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря может осуществляется с помощью агрегата «генератор – двигатель» (Г – Д), называемого также агрегатом Леонарда (рисунок 4). В этом случае первичный двигатель ПД (переменного тока, внутреннего сгорания и тому подобный) вращает с постоянной скоростью генератор постоянного тока Г. Якорь генератора непосредственно подключен к якорю двигателя постоянного тока Д, который служит приводом рабочей машины РМ. Обмотки возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД питаются от независимого источника – сети постоянного тока (рисунок 4) или от возбудителей (небольших генераторов постоянного тока) на валу первичного двигателя ПД. Регулирование тока возбуждения генератора i_в.г должно производиться практически от нуля (на рисунке 4 с помощью реостата, включенного по потенциометрической схеме). При необходимости реверсирования двигателя можно изменить полярность генератора (на рисунке 4 с помощью переключателя П).

Рисунок 4. Схема агрегата «генератор – двигатель» для регулирования скорости двигателя независимого возбуждения

Пуск двигателя Д и регулирование его скорости осуществляют следующим образом. При максимальном i_в.д и i_в.г = 0 производят пуск первичного двигателя ПД. Затем плавно увеличивают i_в.г, и при небольшом напряжении генератора U двигатель Д придет во вращение. Регулируя, далее, U в пределах до U = U_н, можно получить любые скорости вращения двигателя до n = n_н. Дальнейшее увеличение n возможно путем уменьшения i_в.д. Для реверсирования двигателя уменьшают i_в.г до нуля, переключают ОВГ и снова увеличивают i_в.г от значения i_в.г = 0.

Когда рабочая машина создает резко пульсирующую нагрузку (например, некоторые прокатные станы) и нежелательно, чтобы пики нагрузки полностью передавались первичному двигателю или в сеть переменного тока, двигатель Д можно снабдить маховиком (агрегат Г – Д – М, или агрегат Леонарда – Ильгнера). В этом случае при понижении n во время пика нагрузки часть этой нагрузки покрывается за счет кинетической энергии маховика. Эффективность действия маховика будет больше при более мягкой характеристике двигателя ПД или Д.

В последнее время все чаще двигатель ПД и генератор Г заменяют полупроводниковым выпрямителем с регулируемым напряжением. В этом случае рассматриваемый агрегат называют также вентильным (тиристорным) приводом.

Рассмотренные агрегаты используются при необходимости регулирования скорости вращения двигателя с высоким к. п. д. в широких пределах – до 1 : 100 и более (крупные металлорежущие станки, прокатные станы и так далее).

Отметим, что изменение U с целью регулирования n по схеме рисунка 1, б, показанного в статье «Общие сведения о генераторах постоянного тока» и рисунка 3, а, не дает желаемых результатов, так как одновременно с изменением напряжения цепи якоря изменяется пропорционально U также ток возбуждения. Так как регулирование U можно производить только от значения U = U_н вниз, то вскоре магнитная цепь окажется насыщенной, вследствие чего U и i_в будут изменяться пропорционально друг другу. Согласно равенству (7), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»), n при этом существенным образом не меняется.

В последнее время все больше распространяется так называемое импульсное регулирование двигателей постоянного тока. При этом цепь якоря двигателя питается от источника постоянного тока с постоянным напряжением через тиристоры, которые периодически, с частотой 1 – 3 кГц включаются и отключаются. Чтобы сгладить при этом кривую тока якоря, на его зажимах подключаются конденсаторы. Напряжение на зажимах якоря в этом случае практически постоянно и пропорционально отношению времени включения тиристоров ко времени продолжительности всего цикла. Таким образом, импульсный метод позволяет регулировать скорость вращения двигателя при его питании от источника с постоянным напряжением в широких пределах без реостата в цепи якоря и практически без дополнительных потерь. Таким же образом, без пускового реостата и без дополнительных потерь, может производиться пуск двигателя.

Импульсный способ регулирования в экономическом отношении весьма выгоден для управления двигателями, работающими в режимах переменной скорости вращения с частыми пусками, например на электрифицированном транспорте.

Рисунок 5. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения Pн = 10 кВт, Uн = 200 В, nн = 950 об/мин

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности P₁, потребляемого тока I, скорости n, момента M, и к. п. д. η от полезной мощности P₂ при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рисунке 5.

Одновременно с увеличением мощности на валу P₂ растет и момент на валу M. Поскольку с увеличением P₂ и M скорость n несколько уменьшается, то M ∼ P₂ / n растет несколько быстрее P₂. Увеличение P₂ и M, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность P₁. При холостом ходе (P₂ = 0) к. п. д. η = 0, затем с увеличением P₂ сначала η быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.