Л 15. Тема: «Двигатели постоянного тока, их характеристики»

§1. Основные понятия.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на валу якоря электромагнитный момент М. Однако теперь этот момент является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим моментом. Под действием электромагнитного момента якорь машины начнет вращаться, т.е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую.

В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуктируется э.д.с. Е_а, направление которой можно определить по правилу правой руки. По своей природе эта э.д.с. ничем не отличается от э.д.с. наводящейся в якорной обмотке генератора. В двигателе же она направлена против тока I_а и поэтому называется противо-э.д.с. якоря.

Для двигателя, работающего с постоянной скоростью (частотой) вращения, можно составить уравнение э.д.с.

U=E_a+I_aR_a

E_a=c_m∙Ф_δ∙ω или E_a=c_Е∙Ф_δ∙n – противо-э.д.с.

Ток в якоре - общий характер формулы.

При U_a>Е_а – режим двигателя, при U_a<Е_а – режим генератора.

Ток якоря подставим в эти два равенства и получим

§2. Пуск двигателя постоянного тока.

а) прямой пуск при U_a=const, Ф_δ= const.

Пусковой ток I_пуск=, обычно R_а=0,05...0,1 Ом, поэтому I_пуск 10-15 раз превышает номинальный ток двигателя.

Достоинства: простота схемы.

Недостатки:

1. большой пусковой ток;
2. искрение (может быть круговой огонь) из-за повышенной плотности тока;
3. бросок электромагнитного момента;
4. отрицательное влияние пускового тока на питающую сеть и пускозащитные устройства.

Поэтому такой пуск используется для двигателей Р<0,5 кВт (в них I_пуск в 3-5 раз больше I_н).

§3. Рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость I_a, n, M, η=f(P₂) от мощности на валу при U=const, i_в= const.

3.1. Двигатель параллельного возбуждения.

а) скоростная характеристика – зависимость n=f(I_a).

Для анализа зависимости обратимся к формуле

На эту зависимость влияет падение напряжения в якорной цепи. Ток возбуждения не зависит от тока якоря. С другой стороны, влияет реакция якоря, которая стремится уменьшить магнитный поток Ф_δ.

В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не ставят, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузки на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом увеличивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь.

При R_доб получим искусственные характеристики.

б) моментная характеристика – зависимость M=f(I_a).

Электромагнитный момент .

в) рабочие характеристики М, n, I_a, P₁, η=f(P₂) при U=const, I_в= const.

Максимальное значение η_max достигает при условии равенства постоянных и переменных потерь.

, отсюда

3.2. Двигатель с последовательным возбуждением.

а) скоростная характеристика– зависимость n=f(I_a).

,

Ф_δ=k_ф∙I_а, где k_ф – постоянный коэффициент.

Магнитный поток является функцией тока якоря. При I_а<(0,8...0,9)I_ном, когда магнитная система машины не насыщена, при дальнейшем увеличении I_а поток Ф возрастает медленно, чем I_а. При больших нагрузках I_а>I_ном Ф≈const и характеристика становится линейной.

б) моментная характеристика– зависимость M=f(I_a).

- квадратичная зависимость.

Двигатель последовательного возбуждения обладает значительной перегрузочной способностью. При I_а>I_ном моментная характеристика линейная.

§4. Механические характеристики двигателей постоянного тока.

Это зависимость частоты вращения двигателя от момента на его валу.

n=f(M) или ω=φ(М) при U_a=const, i_в= const.

4.1. Двигатели параллельного возбуждения.

При R_доб=0 получаем естественную характеристику, при R_доб0 – искусственные характеристики.

4.2. Двигатели последовательного возбуждения.

n=f(M) или ω=φ(М) при U_a=const.

При изменении нагрузки ток якоря меняется, при этом меняется и ток возбуждения. При малых нагрузках двигатель идет в разнос. Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке.

,

отсюда

Для двигателей параллельного возбуждения М=I_а, а для двигателей последовательного возбуждения М=.

При пуске допускается I_пуск=(1,5...2,0)I и двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент. Для двигателей параллельного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. Они широко используются для электрической тяги, для грузоподъемных и поворотных механизмов.

§5. Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением.

Зависимости n=f(P₂) и М=f(P₂) являются нелинейными, Р₁= f(P₂), I_а= f(P₂) и η= f(P₂) имеют примерно такой же характер как у двигателя с параллельным возбуждением.

При мягкой характеристике двигателя с последовательным возбуждением частота вращения n обратно пропорциональна . В результате

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂, а следовательно Р₁ и ток I_а у двигателей с последовательным возбуждением изменяется в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузку. Например, при заданной кратности перегрузки по моменту М/М_ном=k_М ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в k_М раз, а в двигателе с последовательным возбуждением только в раз. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, т.к. при заданной кратности пускового тока I_п/I_н=k_i пусковой момент его , а у двигателя с параллельным возбуждением .

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

Двигатель со смешанным возбуждением.

В этом двигателе магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики 3 и 4 располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения м.д.с. параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой м.д.с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой м.д.с. параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он обладает мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, т.к. его частота вращения n₀ имеет конечное значение.

Дата добавления: 2014-01-13