2.3 Двигатели постоянного тока

2.3.1 Режим двигателя постоянного тока

Рассмотрим машину постоянного тока к зажимам которой приложено напряжение U (Рис.2.22).

Рис.2.22

Ток I, протекая по обмоткам машины, создает вращающий момент М_д.

В результате, согласно II закону Кирхгофа имеем

и формула баланса мощностей будет

Диаграмма мощностей (Рис.2.23) иллюстрирует преобразование электрической энергии в механическую.

Рис.2.23

Согласно этой диаграмме получим формулу КПД для двигателя

Логическая диаграмма (Рис.2.24) помогает объяснить принцип действия двигателя постоянного тока.

I_в IN_в Ф_в E_пр

U Ф_р ЭМИ n

I_я IN_я Ф_я ЭМС М_д

Рис.2.24

1) под действием напряжения сети U в обмотке возбуждения течет ток I_в, который создает магнитный поток _в;

2) в обмотке якоря под действием того же напряжения U течет ток якоря I_я, который в свою очередь создает магнитный поток _я;

3) эти два потока складываются _p = _в  я и рабочий магнитный поток наводит противодействующую э.д.с. E_пр;

4) ток якоря I_я, взаимодействуя с рабочим магнитным потоком _p создает электромагнитные силы (ЭМС) и вращающий момент М_д. В результате якорь двигателя вращается с частотой n.

2.3.2 Характеристики двигателей постоянного тока

Наиболее важная характеристика двигателя механическая -это зависимость вращающего момента от частоты вращения M = f(n).

Важным также является возможность пуска двигателя при допустимом токе и максимальном вращающем моменте.

И, наконец, коэффициент регулирования частоты вращения, выраженный в процентах:

,

где: n_o - частота вращения холостого хода;

n_н - частота вращения при номинальной нагрузке.

3. Двигатель с независимым возбуждением (Рис.2.25)

+ +

I_я

Д I_в

R_п R_в

_ _

Рис.2.25

Согласно схеме, имеем две изолированные электрические цепи с соответствующими резисторами. Цепь возбуждения с R_в предназначена для создания магнитного поля и цепь якоря с пусковым реостатом, R_п, для ограничения пускового тока.

Рассмотрим процесс пуска двигателя подробно.

Ток якоря без пускового реостата определяется согласно II закону Кирхгофа

В момент пуска частота вращения якоря n и соответственно э.д.с. E равны нулю, ток якоря ограничивается лишь небольшим сопротивлением якоря

и может достигать 12-кратной величины от номинального значения.

Сопротивление пускового реостата R_п суммируется с R_я и в результате ток якоря при пуске ограничивается

Механическую характеристику M = f(n) определим из известных формул момента, тока и э.д.с

, .

В результате получим

.

Эта формула прямой линии, проходящей через точки М_п и n_o (Рис.2.26).

Рис.2.26

3. Двигатель с параллельным возбуждением (Рис.2.27)

+

I

I_я Д I_в

R_п R_в

_

Рис.2.27

В этом случае ток двигателя I = I_я + I_в и двигатель имеет практически те же характеристики, что и мотор с независимым возбуждением.

3. Двигатель с последовательным возбуждением (Рис.2.28)

Д I_в = I_я

+

R_п

_

Рис.2.28

Как известно вращающий момент определяется формулой

,

однако магнитный поток в этом случае пропорционален току якоря

,

и тогда получим

.

Итак, вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря и частота вращения известна

Отсюда получим, что функция n = f(I_я) гипербола, то есть:

- когда I_я  0, n   и M  0;

- когда I_я  I_п, n  0 и M  M_п.

В результате механическая характеристика такого двигателя имеет гиперболический характер (Рис.2.29).

На практике двигатель с последовательным возбуждением не может работать без нагрузки при номинальном напряжении.

Рис.2.29

2.3.6 Двигатель со смешанным возбуждением (Рис.2.30)

Этот двигатель имеет семейство характеристик промежуточных между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Такой двигатель нормально работает без нагрузки при номинальном напряжении и имеет хороший пусковой момент.

В качестве примера представим на рисунке 2.31 механические характеристики четырех типов ДПТ :

1 - двигатель смешанного возбуждения, когда магнитные потоки от двух обмоток вычитаются. В этом случае рабочий магнитный поток уменьшается пропорционально U - I_яR_я, то есть, получаем практически постоянную частоту вращения якоря;

2 - двигатель с независимым или параллельным возбуждением;

3 - двигатель смешанного возбуждения, когда магнитные потоки от двух обмоток складываются. В этом случае получается характеристика более мягкая, чем для двигателей с независимым или параллельным возбуждением;

4 - двигатель с последовательным возбуждением.

+ M

I _в.пар I 4 3 2 1

R_п

Д

R_в I _в.посл

_ n

Рис.2.30 Рис.2.31

26