Пример:

В качестве примера рассмотрим работу двигателя при U = 110 В, Е_а= 105 В, r = 0,08 Ом и токе якоря

А.

Если магнитный поток Ф уменьшить путем уменьшения тока возбуждения на 5%, то э.д.с. Е_а в первый промежуток времени, когда скорость еще не успела возрасти, будет равна приблизительно 100 В, а ток якоря

А,

т. е. при уменьшении Ф на 5% ток возрастает приблизительно на 100%.

Мы устанавливаем, что момент М, развиваемый двигателем, повышается, потому что I_a увеличивается больше, чем уменьшается Ф. Увеличение М приводит к увеличению скорости вращения. При ее увеличении будет возрастать э.д.с. Е_а, следовательно, будут уменьшаться I_a и М. Режим устанавливается при более высокой скорости вращения, при которой момент двигателя М будет равен моменту нагрузкиМ_ст.

Применяя аналогичные рассуждения, можно доказать, что при увеличении тока возбуждения скорость вращения будет падать.

№ 32. Механические и регулеровочные характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование скорости вращения якоря изменением тока возбеждения.

Механические характеристики:

Рассмотрим  двигатель с  параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 3). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Рис. 3

     , откуда 

(11.6)

     Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.       Уравнение (11.6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением. Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения  такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 11).

Рис. 11

Регулировочные характеристики:

регулировочные характеристики – зависимости скорости вращения от напряжения на входе при различных значениях момента нагрузки

Регулирование скорости вращения изменением тока возбуждения. 

Изменяя сопротивление r_в реостата в цепи возбуждения, можно изменять ток I_в возбуждения (рис. 2.58). Для удобства анализа примем, что при этом напряжение U сети остается неизменным.

Рис. 2.58. Регулирование реостатом тока в обмотке возбуждения: а — двигатель с параллельным возбуждением; б — двигатель с последовательным возбуждением

тиво э. д. с, в результате ток I_а спадает и момент М уменьшается. Процесс увеличения скорости вращения двигателя и уменьшения момента происходит до тех пор, пока момент М не становится равным моменту нагрузки М_ст, после чего переходный процесс заканчивается.

На рис. 2.59 представлен случай, когда моменты в начале и в конце процесса равны, т. е. M₁ = М₂ — М_ст. Момент двигателя в первоначальном и в конечном установившемся режимах один и тот же (М = С_мI_аФ = const), а поток Ф в конечном режиме уменьшается, поэтому при новом установившемся режиме I_а2>I_а1.

Этот способ является вполне экономичным, так как регулирование производится малым током I_в, и потери в реостате цепи возбуждения невелики. Однако этим способом регулируют скорость вращения в основном лишь в сторону увеличения.

Имеются двигатели, у которых допускается уменьшение скорости вращения на 15—20%.

№33. Регулирование скорости ДПТ параллельного возбуждения изменением напряжения на зажимах якоря.

Изменение питающего напряжения на зажимах якоря. При изменении питающего напряжения от U₁ до U₂ частоты вращения определяются соответственно формулами

(8.116)

п₁ = (U₁ - I_a ΣR_a )/(с_еФ) = U₁/(c_eФ)- I_a ΣR_a /(с_еФ) = п₀₁ - Δп₁;

(8.117)

п₂ = (U₂ - I_a ΣR_a)/(с_еФ) = U₂/(c_eФ) - I_a ΣR_a /(с_еФ) = п₀₂ - Δп₂.

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения при холостом ходе изменяется пропорционально изменению напряжения, т. е. n₀₂/n₀₁ = U₂/U₁, а уменьшение частоты вращения, обусловленное воздействием нагрузки, при М_н = const остается неизменным: Δn₁ = Δn₂ = const. В связи с этим скоростные характеристики двигателя с параллельным возбуждением представляют собой семейство параллельных прямых 1, 2 и 3 (рис. 8.70, а). Механические характеристики n =f(M) получаются из скоростных путем изменения масштаба оси абсцисс, так как момент пропорционален току якоря.

Рис. 8.70. Скоростные и механические характеристики двигателей при регулировании частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря

Скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением строят аналогично (рис. 8.70, б). Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения напряжения на зажимах якоря обычно ведут «вниз», т. е. уменьшают напряжение и частоту вращения по сравнению с номинальными.

№34. Двигатель постоянного тока независимого возбеждения, пуск двигателя, рабочие и регулировочные характеристики.

Электродвигатель с независимым возбуждением. В этом электродвигателе (рис. 125, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику в напряжением U_B. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат R_рв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат R_П. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения I_в не зависит от тока I_я в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. При этом получим, что зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения п от тока I_я будут линейными (рис. 126, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя — зависимость п (М) (рис. 126,б).

При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением R_П скоростная и механическая характеристики будут жесткими, т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напряжения в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3—5 % от U_HOM. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 126, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением R_П угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным

Рис. 125. Принципиальные схемы электродвигателей с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением

Рис. 126. Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением: а — скоростные и моментная; б — механические; в — рабочие

значениям R_п1, R_п2 и R_п3. Чем больше сопротивление R_п, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Регулировочный реостат R_рв позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и его магнитный поток Ф. При этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря I_я и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Ф_ост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток I_я. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения п будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором E=U — I_я ? R_я).

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

Следует отметить, что частота вращения n₀ соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I₀, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности, и развивает некоторый момент М₀, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше nо.

Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р₂ (рис. 126, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря I_я и мощности Р₁ от Р₂ также практически линейны. Ток I_я и мощность Р₁ при Р₂ = 0 представляют собой ток холостого хода I₀ и мощность Р₀, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин.

№ 35. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, пуск двигателя, рабочие и регулировочные характеристики.

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

Рис. 8.61.  Схема двигателя споследовательным   возбуждением   и его моментная и скоростная характеристики

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

где С₁ и С₂ - постоянные.

При I_a > I_ном 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(I_a). При I_a < (0,8 ÷ 0,9) I_ном моментная характеристика М = f(I_a) имеет форму параболы. (рис. 8.61,б), так как электромагнитный момент

где С₃ — постоянная.

При I_a > I_ном 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(I_a) и М = f(I_a). При I_a < (0,8 ÷ 0,9) I_ном частота вращения изменяется по закону

где С₄ — постоянная.

При I_a > I_ном 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 R_п1, R_п2 и R_п3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше R_п , 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), I_а = 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) I_ном ; 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

(8.92)

Р₂ = Мω = 2πnМ/60 = С₅М,

где С₅ — постоянная.

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

(8.93)

Р₂ = Мω = 2πnМ/60 = С'₅√М,

где С₅ — постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂, а следовательно, мощность Р₁ и ток I_а 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/М_ном = k_м ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в k_м раз, а в двигателе с последовательным возбуждением — только в √k_м раз. Поэтому двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока I_п/I_ном = k_i пусковой момент его М_п = k_i²М_ном , а у двигателя с параллельным возбуждением М_п= k_iМ_ном .

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.

Пуск двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением производится также при помощи пусковых устройств. Пусковая диаграмма представляет собой отрезки нелинейной механической характеристики для различных сопротивлений цепи якоря. Пуск при относительно небольших мощностях может выполняться вручную, а при больших — путем замыкания накоротко секций пускового реостата контакторами, которые срабатывают при управлении вручную или автоматически.