§ 8.10. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Классификация двигателей. Свойства двигателей постоянного тока как генераторов в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением. Схемы включения двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения тока при пуске.

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

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

откуда

Если Е > U, то ток Iа совпадает по направлению с ЭДС Е, и машина работает в генераторном режиме (рис. 8.58, а). При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения п, т. е. является тормозным. Уравнение (8.79) для генераторного режима имеет вид

Если Е < U, то ток Iа в уравнении (8.79) изменяет знак и направлен против ЭДС Е. В соответствии с этим изменяет знак и электромагнитный момент М, т. е. он действует по направлению вращения n. При этом машина работает в двигательном режиме (рис. 8.58,б) и уравнение (8.79) принимает вид

Рис. 8.58. Схемы работы машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах

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

Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их ЭДС Е меньше напряжения сети U. Эти двигатели автоматически переходят в генераторный режим, когда их ЭДС Е больше U. (8.83) (8.84)

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

но момент имеет противоположное направление. Из (8.83) и (8.82) можно получить формулу для определения частоты вращения

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 8.59, а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rр.в., а в цепь якоря — пусковой реостат Rп . Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iа (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно (8.84) и (8.85) получаем, что зависимости М = f(Ia ) и n = f(Ia) (моментная и скоростная характеристики) линейные (рис. 8.59,б). Следовательно, линейна и механическая характеристика двигателя n = f(M) (рис. 8.60, а).

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

Рис. 8.59. Схема двигателя с параллельным возбуждением и его моментная и скоростная характеристики

Рис. 8.60.  Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением

где n0 = U/(сеФ) — частота вращения при холостом ходе; Δп = (ΣRа + Rп )Iа /(сеФ) — снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Δп , зависящая от суммы сопротивлений ΣRа + Rп , определяет наклон скоростной n = f(Ia) и механической n = f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления Rп указанные характеристики жесткие (естественные характеристики 1 на рис. 8.59,б и 8.60,а), так как падение напряжения Iа ΣRа в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3 — 5% от Uном. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата Rпl. Rп2 и Rп3. Чем больше сопротивление Rп , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели большой и средней мощностей с параллельным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе Iном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат Rp.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. Как следует из (8.86), при этом изменяется и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь.

Рабочие характеристики рассматриваемого двигателя (рис. 8.60,б) представляют собой зависимости потребляемой мощности Р1 тока Ia ≈ Iн частоты вращения n, момента М и КПД η от отдаваемой мощности Р2 на валу двигателя при U = const и Iв = const. Характеристики n = f(P2) и М = f(P2) являются линейными, а зависимости Р1 = f(P2), Ia = f(P2) и η = f(P2) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря Ia.

Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Ia .

Рис. 8.61.  Схема двигателя с последовательным   возбуждением   и его моментная и скоростная характеристики

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 8.61, а) ток возбуждения Iв = Ia, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Ia. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При Ia < (0,8 ÷ 0,9)Iном, когда магнитная система машины не насыщена, Ф = kф Ia , причем коэффициент пропорциональности kф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф возрастает медленнее, чем Ia , и при больших нагрузках (Ia > Iном ) можно считать, что Ф ≈ const. В соответствии с этим изменяются в зависимости n = f(Ia) и М = f(Ia).

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

где С1 и С2 - постоянные.

При Ia > Iном скоростная характеристика становится линейной, так как частота вращения

где С'1 и С'2 — постоянные.

Аналогично можно получить зависимость электромагнитного момента от тока якоря М = f(Ia). При Ia < (0,8 ÷ 0,9) Iном моментная характеристика М = f(Ia) имеет форму параболы. (рис. 8.61,б), так как электромагнитный момент

где С3 — постоянная.

При Ia > Iном моментная характеристика линейная, так как

где C'3 — постоянная. Механические характеристики n = f(М) (рис. 8.62, а) можно построить на основании зависимостей n = f(Ia) и М = f(Ia). При Ia < (0,8 ÷ 0,9) Iном частота вращения изменяется по закону где С4 — постоянная.

При Ia > Iном зависимость n = f(М) становится линейной.

Рис. 8.62. Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением

Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями Rп1, Rп2 и Rп3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше Rп , тем ниже располагается характеристика.

Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением приведены на рис. 8.62, б. Зависимости n = f(Р2) М = f(Р2) являются нелинейными; зависимости P1 = f(Р2), Iа = f(Р2) и η = f(Р2) имеют примерно такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Из рассмотрения рис. 8.62, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 ÷ 0,25) Iном ; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения п почти не зависит от момента М, поэтому мощность

где С5 — постоянная.

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

где С5 — постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р2, а следовательно, мощность Р1 и ток Iа у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением; кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегрузки по моменту М/Мном = kм ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в kм раз, а в двигателе с последовательным возбуждением — только в √kм раз. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока Iп/Iном = ki пусковой момент его Мп = ki2Мном , а у двигателя с параллельным возбуждением Мп = kiМном .

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

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 8.63, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. 8.63,б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при

Рис. 8.63. Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики

номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения n0 имеет конечное значение.