Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию постоянного тока в механическую.

Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов переменного тока, производство двигателей постоянного тока увеличивается, и они находят новые области приме нения.

Двигатели постоянного тока благодаря наличию механического преобразователя частоты – коллектора допускают плавное и экономичное регулирование частоты вращения. Это преимущество перед двигателями переменного тока обеспечивает применение двигателей постоянного тока в электроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения. Двигатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных станов, станков, на транспорте и в других системах автоматического управления.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (см. рис.6). Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением, когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока, и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением, когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.

Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие и механические характеристики. Характеристики холостого хода и короткого замыкания снимаются так же, как и в генераторном режиме.

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения представлены на рис.7.1, а. Это – зависимости , , , и при постоянном напряжении сети и неизменном положении реостата в цепи обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузки на валу двигателя растет момент на валу двигателя , а частота вращения немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности забираемой из сети, и росту тока якоря . Зависимость КПД от нагрузки имеет такой же вид, как и для других электрических машин.

Рисунок 7.1. – Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения а и механические характеристики двигателей при различных схемах возбуждения б (1 – параллельное; 2 – последовательное; 3 – смешанное при согласном включении обмоток).

Зависимости , , мало изменяются для двигателей с различными схемами возбуждения. Отличаются только характеристики . Характеристика при постоянном напряжении сети и неизменных сопротивлениях регулировочных реостатов называется механической характеристикой двигателя и описывается равнением:

. (7.1)

На рис.7.1, б представлены механические характеристики двигателей постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения – жесткая. Двигатель последовательного возбуждения имеет удобную для транспортных установок механическую характеристику, когда с уменьшением частоты вращения растет момент. Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения – промежуточная между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.

В двигателях последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря.

В двигателях параллельного возбуждения момент пропорционален потоку, а в двигателях последовательного возбуждения – квадрату тока, поэтому двигатели последовательного возбуждения имеют большой пусковой момент и большую перегрузочную способность.

Двигатели последовательного возбуждения из-за особенностей своей механической характеристики не могут применяться в электроприводах, в которых возможно уменьшение момента сопротивления до нуля, что приведет к уменьшению тока в якоре и снижению потока, и двигатель пойдет в разнос. При этом увеличится частота вращения, и машина может выйти из строя.

Частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать путем изменения напряжения, введения сопротивления в цепь ротора и изменения потока.

Наиболее распространенный способ регулирования частоты вращения – изменение потока возбуждения путем регулирования тока в обмотке возбуждения. Наиболее простой способ регулирования тока возбуждения – варьирование сопротивления регулировочного резистора в контуре возбуждения (см. рис.6, а, б).

При изменении тока возбуждения имеют место механические характеристики такие, как это показано на рис.7.2, а. Таким способом можно регулировать частоту вращения в пределах 1:1,5 и 1:2. Глубокое уменьшение потока недопустимо, так как при нагрузке реакция якоря будет «опрокидывать» поле возбуждения, что приведет к неустойчивой работе двигателя. Увеличение потока в обычных двигателях параллельного возбуждения нецелесообразно, так как магнитная система двигателей насыщена. При увеличении массы двигателя и принятии специальных мер можно увеличить пределы регулирования частоты вращения в ненасыщенных двигателях до 1:5, 1:8. Хотя этот способ обеспечивает сравнительно небольшие пределы регулирования частоты вращения, он является экономичным и находит широкое применение, когда пределы изменения частоты вращения небольшие.

Рисунок 7.2. – Регулирование частоты вращения путем изменения потока возбуждения а и сопротивления в цепи якоря б.

Регулирование частоты вращения путем введения позволяет изменять частоту вращения в широких пределах, но этот способ неэкономичен, так как регулировочный резистор включается в силовую цепь и на нем выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока нагрузки.

Механические характеристики при этом способе регулирования показаны на рис.7.2, б. Механические характеристики при различных выходят из одной точки, так как при холостом ходе ( ) практически не влияет на падение напряжения. При регулировании частоты вращения путем изменения тока возбуждения механические характеристики сходятся вблизи точки , где – установившейся ток короткого замыкания. Ток короткого замыкания определяется внутренним сопротивлением двигателя и напряжением, которое равно напряжению сети.

Регулирование частоты вращения путем введения сопротивления в цепь якоря применяется в двигателях последовательного и смешанного возбуждения. В двигателях последовательного возбуждения для регулирования частоты вращения применяется также шунтирование обмотки возбуждения активным сопротивлением. При тех же пределах регулирования частоты вращения последовательное включение в цепь якоря и шунтирование обмотки возбуждения дают одни и те же технико-экономические показатели.

Лучшие механические характеристики и меньшие потери в двигателе постоянного тока достигаются при регулировании частоты вращения за счет подводимого к двигателю напряжения. Но, как и в машинах переменного тока, при этом способе регулирования частоты вращения необходимо иметь громоздкое устройство, обеспечивающее регулирование напряжения.