3.3. Естественные характеристики двигателя с независимым возбуждением

Электрический двигатель проектируется и изготавливается для определенного расчетного режима, называемого номинальным режимом работы (см. гл. 5). Этот режим реализуется в естественной схеме включения, которая для двигателя с независимым возбуждением приведена на рис.3.2. Она соответствует отсутствию добавочных сопротивлений в якорной цепи и номинальным значениям напряжения U_я=U_HOM и потока Ф=Ф_ном. Электромеханическая и механическая статические характеристики двигателя, соответствующие этим условиям работы, называются естественными характеристиками:

где _0ном- скорость идеального холостого хода при работе на естественной характеристике; _е- модуль статической жесткости естественной механической характеристики; с - коэффициент ЭДС и момента при номинальном потоке.

Естественная механическая характеристика двигателя дает основные представления об электромеханических свойствах двигателя. Она определяет его рабочую - номинальную - скорость и показывает, как изменяется скорость электропривода при изменениях нагрузки в статических режимах работы. Чем выше модуль жесткости естественной характеристики _е, тем более стабильна скорость электропривода при широких пределах изменения его нагрузки, и напротив, при малой жесткости механической характеристики изменения рабочей скорости механизма при изменениях нагрузки могут быть значительными.

Другой оценкой стабильности рабочей скорости электропривода при различных нагрузках является статизм механической характеристики двигателя. Количественной оценкой статизма может служить номинальный перепад скорости _ном=_0ном-_ном, соответствующий изменению момента двигателя от М=0 до М=М_ном. Его значения связаны с модулем жесткости механической характеристики соотношением, определяемым из (3.18):

Таким образом, статизм механической характеристики обратно пропорционален модулю ее жесткости. Для получения необходимых представлений о реальных жесткостях естественных механических характеристик различных двигателей с независимым возбуждением необходимо записать уравнение механической характеристики в относительных единицах.

В качестве базисных величин обычно принимаются U_ном, I_ном, Ф_ном, R_я.ном=U_ном/I_ном; _0ном; M_ном при этом уравнения (3.9) и (3.10) в относительных единицах имеют следующий вид:

здесь

Уравнения естественных электромеханической и механической характеристик в относительных единицах могут быть получены с помощью (3.25) и (3.26) при Ф_*=1 и _0*=1:

Так как при Ф=Ф_ном М_*=I_я*, уравнения (3.27) и (3.28) идентичны и естественные электромеханическая и механическая характеристики в относительных единицах совпадают (рис.3.3,a). Номинальный перепад скорости на естественной характеристике _ном* в относительных единицах, как это следует из (3.27), равен относительному сопротивлению якоря R_Я*. Относительный ток короткого замыкания обратно пропорционален R_я*:

Собственное сопротивление якорной цепи R_я<<R_ном, поэтому ток короткого замыкания на естественной характеристике у двигателей средней и большой мощности превышает номинальный в 10-20 раз. Он значительно превосходит ток I_я.доп, допустимый по условиям коммутации, и лежит далеко за пределами показанного на рис.3.3,а рабочего участка естественной механической характеристики. Перегрузочная способность двигателей с независимым возбуждением нормального исполнения обычно лежит в пределах =М_доп/М_ном=22,5 и для компенсированных двигателей совпадает с кратностью допустимой по условиям коммутации перегрузки по току.

Благодаря малости относительного сопротивления якорной цепи номинальный перепад скорости на естественной характеристике для двигателей средней и большой мощности составляет несколько процентов скорости идеального холостого хода и уменьшается с возрастанием мощности двигателя. Соответствен но жесткость механической характеристики при этом возрастает обратно пропорционально сопротивлению:

Относительный перепад скорости _ном, для двигателей большой мощности весьма мал и лежит в пределах _ном=0,015,03. Двигатели небольшой мощности имеют на порядок больший статизм естественной механической характеристики, причем форма их характеристик отличается от показанной на рис.3.3,а.

Уравнение (3.22) с достаточной точностью описывает механические характеристики двигателей с независимым возбуждением, имеющих компенсационную обмотку. Все двигатели малой мощности и значительная часть двигателей средней мощности не имеют компенсационной обмотки, поэтому для них уравнение (3.22) описывает механические характеристики приближенно.

Для некомпенсированных двигателей форма механической характеристики отклоняется от показанной на рис.3.3,а в связи с действием продольной составляющей поперечной реакции якоря. Эта составляющая при U_B=const вызывает уменьшение потока двигателя Ф по мере роста тока якоря в нелинейной зависимости. Рассматривая уравнение механической характеристики (3.10), можно установить, что такое влияние реакции якоря подобно нелинейной положительной обратной связи по току, так как при увеличении тока якоря увеличивается расчетное значение .скорости идеального холостого хода. При малых токах якоря действие реакции якоря проявляется слабо и kФ=const. В этой зоне, соответствующей I_я<I_ном, реальная естественная характеристика двигателя имеет примерно постоянную жесткость:

где Ф₀ - поток двигателя в режиме идеального холостого хода.

В номинальном режиме работы (I_Я=I_ном) реакция якоря может заметно снижать поток двигателя, поэтому обычно Ф_ном<Ф₀, а жесткость механической характеристики не определяется (3.16), так как существенное влияние на изменения скорости при изменениях тока и момента двигателя оказывают изменения ₀. Номинальный перепад скорости при этом меньше, чем у компенсированной машины того же типа, в связи с тем, что Ф_ном<Ф₀:

Соотношение (3.31) можно преобразовать к виду

где '_ном=I_НОМ·R_я/k·Ф₀ - номинальный перепад скорости компенсированной машины.

Если в (3.32) ввести номинальный перепад потока Ф'_ном, то она примет вид

Формула (3.33) показывает, что реакция якоря уменьшает номинальный перепад скорости в тем большей степени, чем относительно меньше сопротивление якорной цепи.

В области перегрузок (I_Я>I_ном) размагничивающее действие реакции якоря возрастает и увеличение первого члена в уравнении (3.9) может превышать возрастание его второго члена, обусловленного падением напряжения на R_я.Следовательно, в механической характеристике некомпенсированных двигателей могут быть участки, где _ст=dM/d>0. При дальнейшем увеличении тока якоря и момента двигателя определяющим вновь становится возрастание падения напряжения в цепи якоря и жесткость механической характеристики становится отрицательной.

Проведенный анализ позволяет представить форму реальной механической естественной характеристики некомпенсированных двигателей с независимым возбуждением, как показано на рис.3 3,б (кривая 7). Здесь же показана характеристика 2 компенсированной машины, у которой Ф_ном=Ф₀. Кроме того, характеристика 3 показывает, как располагается относительно реальной естественной характеристики характеристика, рассчитанная по (3.23) при реальном потоке Ф_ном<Ф₀, вычисленном по паспортным данным двигателя (см. пример 3.1).

Рассматривая рис.3.3,б, можно установить, что продольная составляющая поперечной реакции якоря неблагоприятно сказывается на форме естественной механической характеристики двигателя, искажая ее форму. Кроме того, реакция якоря неблагоприятно сказывается на перегрузочной способности двигателя. При токе, соответствующем допустимой по условиям коммутации перегрузке, поток двигателя вследствие наличия реакции якоря снижается на 10-20 %. Соответственно пропорциональность между током и моментом нарушается и перегрузочная способность некомпенсированных двигателей при прочих равных условиях ниже, чем у компенсированных.

Изменение потока главных полюсов машины из-за реакции якоря неблагоприятно сказывается и на динамических свойствах электропривода, поэтому в некомпенсированных двигателях мощностью до 100 кВт применяют так называемые стабилизирующие обмотки, размещаемые на главных полюсах машин. Эти обмотки включаются в цепь якоря последовательно и создают небольшую положительную МДС, компенсирующую действие реакции якоря. Такие двигатели предназначаются для нереверсивного режима работы, так как при изменении направления вращения ток якоря в двигательном режиме имеет противоположное направление и стабилизирующая обмотка действует против МДС обмотки главных полюсов, усугубляя влияние реакции якоря.

Проведенный анализ естественных характеристик двигателя с независимым возбуждением свидетельствует о том, что его использование в разомкнутых системах электропривода, т. е. при питании от сети постоянного тока, целесообразно в тех случаях, когда для приводимого в движение механизма требуется работа при стабильной скорости, мало меняющейся при изменениях нагрузки. В замкнутых системах регулирования координат электропривода имеется возможность формировать требуемые для механизма механические характеристики, при этом естественные характеристики двигателя определяют исходные свойства электропривода, которые системой управления корректируются в требуемом направлении.