Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – схема работы. Виды возбуждения и схемы включения двигателей постоянного тока

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 " ", 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.

Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью " "). 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 " " 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 = M 0 , I а = I а0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M 0 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 P н = 10 кВт, U н = 200 В, n н = 950 об/мин

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности P 1 , потребляемого тока I , скорости n , момента M , и к. п. д. η от полезной мощности P 2 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 P 2 растет и момент на валу M . Поскольку с увеличением P 2 и M скорость n несколько уменьшается, то M ∼ P 2 / n растет несколько быстрее P 2 . Увеличение P 2 и M , естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I . Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность P 1 . При холостом ходе (P 2 = 0) к. п. д. η = 0, затем с увеличением P 2 сначала η быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.

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 = I я + I в.

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

При холостом ходе М = 0 и n х = U/С Е Ф.

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

n = n х – b М, (1.8)

где b = R я /С Е Ф.

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 n х 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 = ,

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>n x). 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 n x . Если n>n x , то Е>U c (где U c – 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 a 1 – 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 a 2 , 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 a 1 перейдет в положение a 3 на новой характеристике. Из-за появления М тор частота вращения n будет быстро падать до тех пор, пока рабочая точка a 3 не перейдет в положение a 4 , 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 a 5 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 a 1 переходит на одну из характеристик 4, например, в точку a 6 , 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.

Существует несколько возможных разновидностей построения эл моторов, работающих от источника постоянного напряжения. Принцип их действия одинаков, а отличия заключаются в особенностях подключения обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (Я).

Свое название эл двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением получил потому, что его обмотка Я и ОВ соединяются друг с другом именно таким образом. Электродвигатель такой разновидности обеспечивает нужные режимы, превосходя изделия последовательного и смешанного типов тогда, когда требуется практически постоянная скорость его функционирования.

• Заключение

Построение двигателя и область его применения

Схема электродвигателя рассматриваемого типа изображена ниже.

• общий ток, потребляемый эл мотором от источника, составляет I = I Я + I В, где I Я, I В – токи через якорь, обмотку возбуждения, соответственно;
• одновременно I В не зависит от I Я, то есть не зависит от нагрузки.

Устройство применяется тогда, когда пуск не требует обеспечения высокого момента, то есть когда режимы эксплуатации приводных механизмов не предполагают создание больших стартовых нагрузок. Это типично для станков и вентиляторов.

Для практики ценны такие полезные тяговые параметры подобных эл механизмов как

• устойчивость работы при колебаниях нагрузки;
• высокая экономичность из-за того, что I Я не протекает через ОВ.

Пуск при недостаточном моменте обеспечивается переходом на схему смешанного типа.

Поведение электромотора при изменении нагрузок

Механическая характеристика показывает устойчивость работы электромотора в широком диапазоне изменения нагрузок, описывая зависимость момента, создаваемого эл двигателем, от скорости функционирования вала.

Тяговые характеристики механизма рассматриваемого типа позволяют сохранить величину момента при значительных изменения количества оборотов. Обычно тяговые параметры агрегата должен обеспечивать уменьшение этого параметра не более чем на 5 %. Несложное исследование демонстрирует: тормозные параметры из-за обратимости процессов оказываются аналогичными. Эти положения распространяются также на случай применения смешанного возбуждения.

Говоря иными словами, для такого эл мотора характерна жесткая характеристика. Такой характер работы считается важным преимуществом агрегата рассматриваемого типа.

Разновидности подходов к регулированию частоты вращения

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Принцип действия параллельного включения обмоток обеспечивает плавный пуск в сочетании с большим диапазоном изменения оборотов в процессе работы с помощью реостатов. Они же обеспечивают нормальный пуск двигателя ограничением тока.

Для агрегатов параллельного типа используются способы управления скоростью функционирования изменением:

• магнитного потока главных полюсов;
• сопротивления цепи якоря;
• подаваемого на него напряжения.

Объектом воздействия являются обмотка возбуждения, обмотка якоря, его рабочее напряжение.

Изменение магнитного потока осуществляется с помощью последовательного реостата R Р. При увеличении его сопротивления ОВ пропускает меньший ток, что сопровождается уменьшением магнитного потока. Внешним проявлением такого действия становится наращивание оборотов Я на холостом ходу. Исследование показывает, что происходит увеличение угла наклона характеристики.

Второй принцип основан на включении в цепь питания якоря дополнительного последовательного регулировочного реостата. При увеличении его сопротивления скорость вращения Я уменьшается, тогда как его естественная механическая характеристика приобретает больший наклон. Из-за последовательного включения с основной обмоткой реостата дополнительного сопротивления, на котором рассеивается значительная мощность, происходит заметное падение экономичности.

Третий принцип сопровождается определенным усложнением схемных решений и требует применения отдельного регулируемого источника питания с сохранением возможности раздельного регулирования. В случае его применения в реальных условиях возможно только уменьшение частоты вращения вала.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения реализует третий подход к регулированию и интересен тем, что ОВ и М питаются от разных источников, схема его представлена ниже.

Для моторов в данном конструктивном исполнении I в устанавливается неизменным, а меняется только напряжение, приложенное к М. Это сопровождается изменением числа оборотов на холостом ходу, но жесткость характеристики изменений не претерпевает.

Принцип работы такого агрегата за счет независимого функционирования двух источников оказывается более сложным. Однако, его применение дает такие важные для практики преимущества как

• плавное экономичное управление скоростью функционирования с большой глубиной;
• пуск мотора при пониженном напряжении без реостата.

В случае, если пуск происходит на нормальном напряжении, реостат ограничивает величину I в.

Исследование показывает, что максимальное количество оборотов ограничено только сопротивлением М, а минимальное — условиями отвода выделяемого тепла в процессе работы.

Характеристики в части энергопотребления и скорости срабатывания управляющей системы улучшаются в случае последовательного включения с М различных тиристорных регуляторов. Для установки числа оборотов вала и их стабилизации в процессе приведения в движение различных механизмов находят применение различные способы. Их общим характерным признаком является включение тиристорного регулятора в цепь частотной отрицательной обратной связи. Пуск такого агрегата требует реализации специальных процедур.

Заключение

Двигатель с параллельным возбуждением является очень гибким приводным механизмом и может использоваться в очень большом количестве областей там, где не требуются большие моменты при старте. Имеет несложные и надежные цепи регулирования скорости вращения, отличается простотой запуска.

Лекция №9

Двигатели постоянного тока

По габаритам;

По способу защиты;

По мощности;

По скорости вращения;

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.

Рис. 9.1 Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное

Основные формулы и уравнения

Если принять скорость вращения якоря в системе СИ (рад/с), то формула 4.13 из лекции №4 примет вид

М - электромагнитный момент машины постоянного тока, Н/м (ньютон делить на метр)

k - постоянная для данной машины величина;

Ф - основной маг­нитный поток, Вб (вебер)

р - число пар полюсов обмотки якоря

N - число пазовых сторон обмотки якоря

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря

I а или просто I - ток якоря, А;

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения, можно получить уравнение на­пряжений (Э.Д.С.) для цепи якоря генератора:

Это уравнение получают на основании второго закона Кирхгофа

. (9.3)

Сумма сопротивлений всех участков цепи якоря:

Обмотки якоря r а или, r я

Обмотки добавочных полюсов r д,

Компенсационной обмотки r ко,

Последовательной обмотки возбуждения r с

Переходного щеточного контакта r щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указан­ных обмоток в (9.4) не входят соответствующие слагаемые.

Из (9.3) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря.

На основании (9.3) получим формулу тока якоря

. (9.5)

Умножив обе части уравнения (9.3) на ток яко­ря I а, получим уравнение мощности для цепи якоря:

, (9.6)

, (9.7)

(9.8)

ω- угловая частота вращения якоря;

Электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромаг­нитную мощность двигателя.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики двигателя представлены на рис 9.2б

Частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р 2 уменьшается, а график ω= f(Р 2) приобретает падающий вид . Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбу­ждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последо­вательную обмотку возбуждения, которую называют стаби­лизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от но­минальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

, (9.12)

∆ω ном = 100

где 0 (n 0) - частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения ∆ω ном =2-8%, поэтому характеристику частоты вращения двигателя па­раллельного возбуждения называют жесткой .

Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двига­теля снижается, и поэтому зависимость криволинейна .

График зависимости М эл =f(Р 2) проходит параллельно кривой М 2 =f(Р 2) .

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС Е а =0. Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

I п = (9.13)

Обычно сопротивление невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10-20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7-1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3-5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя.

Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо реостат ввести, т.е поставить наибольшее сопротивление. Затем включают рубиль­ник и постепенно уменьшают сопротивление реостата.

Рис. 9.4. Схема включения пускового реостата

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

. (9.14)

Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения.

Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор-двигатель».

Реверсирование двигателей

Реверсирование двигателя - это изменение направления вращения якоря.

Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя М эм и соответственно направление вращения якоря.

КПД машин постоянного тока

η = P 2 /P 1 , (9.20)

Р 2 - полезная мощность машины (у генератора - это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя - механическая мощность на валу);

Р 1 - подводимая к машине мощность (у генератора - это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя - мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P 1 включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).

Очевидно, мощность Р 1 может быть выражена следующим образом: Р 1 = Р 2 + ΣΔP,

где ΔP - сумма перечисленных выше потерь мощности.

С учетом последнею выражения

η = P 2 /(P 2 + ΣΔP). (9.21)

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р 2 равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η=f(Р 2) приведен на рис. 9.5.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р 2 , достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р 2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.

Литература: Кацман М.М. Электрические машины. Глава 29.

§29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6, 29.8, 29.10

Лекция №9

Двигатели постоянного тока

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в промышленности в случае необходимости регулирования скорости ЭП (электропривода). В основном применяются системы УВ-Д (управляемый выпрямитель-двигатель), которые обеспечивают регулирование скорости с высоким качеством.

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Двигатели с независимым возбуждением и параллельным возбуждением обладают одинаковыми свойствами, поэтому эти группы объединяют и относят к одной группе: двигатели с независимым возбуждением предназначенные для работы в регулируемых ЭП.

Промышленность выпускает двигатели постоянного тока основной общепромышленной серии 2П и 4П, они подразделяются по следующим признакам:

По габаритам;

По способу защиты;

По мощности;

По скорости вращения;

По напряжению на якоре (110В, 220В, 340В, 440В);

На напряжению обмотке возбуждения (110 и 220 В);

Если напряжение на якоре и на обмотке возбуждения (ОВ) совпадают, то обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря.

Кроме серий 2П и 4П выпускаются и другие специализированные серии.

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.

В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.

Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока

Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь , подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат . Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения) . Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.

Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.

Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.

Схемы включения двигателя постоянного тока

Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.

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.

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.

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.

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.

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