§ 17.4. Генератор постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением

При параллельном возбуждении обмотку возбуждения с регулировоч­ным реостатом R_p включают параллельно якорю:

I_в = U_я/(R_в + R_p); I_я = I_в + I_н. (17.4)

Процесс самовозбуждения генератора можно объяснить наличием положительной обратной связи по напряжению: возрастание U_a вызывает рост I_в и Ф, что увеличивает Е_я и, следовательно, U_я.

Взаимосвязь основных параметров генератора параллельного возбуж­дения показана в виде графа на рис. 17.12, a. На рис. 17.12, б, в построены кривые U_я(U_в) и прямая U_я = U_в. Рис. 17.13,б соответ­ствует жесткому возбуждению, когда возможны три устойчивых режима - точки а, О, а' и два неустойчивых - точки b и b'. При включении генератор не возбуждается до тех пор, пока от внешнего источника не будет подведено напряжение, превышающее U_в. После этого начинается самовозбуждение генератора, приводящее к устойчивому режиму (точка а). При наличии остаточного намагничивания (рис. 17.12, в) происходит мягкое возбуждение, что приводит к устой­чивому режиму работы с напряжением того же знака, что и напряжение U_я0.

В табл. 17.2 приведены основные схемы возбуждения генерато­ров и соответствующие им внешние характеристики.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением может быть построена по точкам пересечения семейств нагрузочных характеристик (см. рис. 17.8) с прямой U_я = I_в(R_в + R_р). Эта характеристика (табл. 17.2) падает круче, чем у генератора с независимым возбуждением, потому что помимо составляющих R_яI_я и ΔU_ря уменьшение напряжения якоря вызывает саморазмагничивание генератора ΔU_ср. При критическом токе якоря I_я.кр генератор полностью размагничивается до U_я = 0.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения: параллельную (шунтовую) ОВ_ш и последовательную (сериесиую) ОВ_п. Последовательная обмотка может быть включена согласно или встречно с параллельной обмоткой. При согласном включении м. д. с. обеих обмоток складываются и, следовательно, последовательная обмотка подмагничивает генератор по мере увели­чения тока нагрузки, чем компенсируются реакция якоря и увеличение падения напряжения на R_я. Кривая 2 соответствует большему числу витков обмотки ОВ_п. При встречном включении последовательная обмотка размагничивает генератор и его внешняя характеристика становится круто падающей. Такие генераторы используют для питания электрической дуги в сварочных установках, печах, прожекторах.

Таблица 17.2

Вид воз- буждения	Схема возбуждения	Внешняя характеристика
Независимое
Параллельное
Последовательное
Смешанное согласное
Смешанное встречное

§ 17.5. Двигатели постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением

Одна и та же электрическая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В паспор­те машины указывают, в каком режиме она должна работать, гак как это влияет на условия коммутации (работа щеток) и компен­сации реакции якоря.

В двигателе осуществляется преобразование электрической энергии, поступающей из сети, в механическую, которая передается нагрузке (рабочему механизму) с вала якоря.

В табл. 17.3 приведены схемы возбуждения двигателей постоянного тока и соответствующие им механические характеристики.

Независимое возбуждение двигателя (табл. 17.3) используется в тех случаях, когда напряжение на зажимах якоря изменяется в процессе работы или напряжение возбуждения отличается от напряжения якоря.

Двигатели с параллельным возбуждением получили наибольшее распространение. В этих двигателях питание обмотки возбуждения производят от того же источника энергии, что и якоря. Ток двигателя

I=I_я+I_в=I_я+U/(R_в+R_р). (17.5)

Двигатели с последовательным возбуждением, обладая полезными для практики свойствами (большой пусковой момент, мягкая механи­ческая характеристика), нашли широкое применение. У таких двигателей I =I_в =I_я, а магнитный поток пропорционален току якоря:

Φ=k_фI_я, (17.6)

Таблица 17.3

Вид возбуждения	Схема возбуждения	Механическая характеристика
Независимое
Параллельное
Последовательное
Смешанное

Следовательно, электромагнитный момент пропорционален квадрату тока якоря:

M=kΦI_я=kk_фI_я²=k_мI_я², (17.7)

где k_м = kk_ф

У двигателей смешанного возбуждения последовательная обмотка ОВ_п имеет небольшое число витков и может быть включена встречно или согласно с обмоткой параллельного возбуждения.

Пуск двигателя постоянного тока. Двигатели небольшой мощ­ности (до 1÷2 кВт) запускают путем непосредственного включения в сеть. Для ограничения пускового тока двигателей большой мощ­ности в цепь якоря включают специальный пусковой реостат R_п (рис. 17.13), который по мере разгона двигателя и появления э.д.с. постепенно выводится. Пусковой ток

I_п = U/(R_я + R_п). (17.8)

Сопротивление R_п выбирают так, чтобы I_п/I_ном = 1,5÷2. По мере разгона двигателя в обмотке якоря появляется э.д.с. и ток умень­шается :

I_я = (U-E_я)/(R_я+R_п). (17.9)

Пусковой реостат не предназначен для длительной работы в цепи якоря. После окончания пуска его необходимо полностью вывести. Регулировочный реостат R_р при пуске должен обеспечивать макси­мальный ток возбуждения.

На рис. 17.14, a показана схема пуска двигателя параллельного возбуждения со ступенчатым пусковым реостатом. Изменение частоты вращения Ω и тока якоря I_я иллюстрирует рис. 17.14,б. Цифры 1 — 3 соответствуют положениям переключателя на рис. 17.14, а. При отключении двигателя движок ставится в положение «0». При этом цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на якорь и пусковой реостат, который поглощает энергию W = 0,5L_вI², запасенную в обмотке возбуждения.

Рабочие характеристики двигателя определяют зависимость числа оборотов n (частоты вращения Ω=πn/30), электромагнитного момента M, тока якоря I_я и к. п. д. η от полезной мощности на валу Р₂. На рис. 17.15, а, б приведены рабочие характеристики двигателей с парал­лельным и последовательным возбуждением. Иногда рабочие характе­ристики строят как зависимости n, I_я, η и Р₂ от полезного момента М_п = М - М₀ на валу (М₀ — момент потерь холостого хода) или зависимости n, M, η и Р₂ от тока I.

Полезный момент

(17.10)

212

Ток якоря

(17.11)

К. п. д.

(17.12)

где P₁ - потребляемая мощность; ΣPi - суммарная мощность потерь в двигателе.

Механическая характеристика двигателя (см. табл. 17.3) представ­ляет собой зависимость частоты вращения Ω от момента на валу М при U = const; R_p = const.

Для двигателя с параллельным возбуждением

(17.13)

Механическая характеристика такого двигателя представляет собой прямую линию. Для двигателя с последовательным возбуждением, учитывая (17.6), получим

(17.14)

Механическая характеристика представляет собой квадратичную гиперболу с асимптотой Ω = - R_я/(kk_ф),

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока. Сог­ласно (17.13) и (17.14), можно регулировать частоту двигателя, изменяя напряжение U_я (со стороны якоря), поток Φ (со стороны возбуждения) и сопротивление R_я.

Изменяя напряжение U_я (рис. 17.16, а) полу­чают линейные регулировочные характеристики с небольшой зоной нечувствительности, обу­словленной сухим трением (±U_тр). Однако этот способ требует наличия управляемого генерато­ра (УГ) или усилителя большой мощности. Изменение потока возбуждения (рис. 17.16,б) экономичнее. Из-за резко убывающей характеристики регулирования возникают большие труд­ности в некоторых

практических случаях: двигатель нельзя плавно остановить, уменьшение тока возбуждения ниже определенного предела приводит к неустойчивой работе и возможности разноса двигателя.

Реверсирование двигателей постоянного тока. Реверсированием назы­вают процесс изменения направления вращения ротора двигателя. Это достигается изменением направления тока в якоре при неизменной по­лярности магнитного потока или изменением направления тока воз­буждения при постоянном направлении тока в якоре. В большинстве случаев реверсирование осуществляют путем изменения направления тока в якоре (рис. 17.17) и только у машин малой мощности — пу­тем изменения направления тока возбуждения (рис. 17.18). Двигатели малой мощности иногда снабжают двумя обмотками возбуждения, которые работают раздельно и обеспечивают правое или левое направ­ление вращения.

Торможение двигателей постоянного тока. Рекуперативное (с возвра­том энергии в сеть) торможение осуществляют путем перевода двига­теля в генераторный режим, например увеличивая ток возбуждения. Динамическое торможение обеспечивается при замыкании якоря на ре­зистор R_д. Торможение противовключением имеет место, например, при реверсировании на ходу. Для этого переключают зажимы якоря и э. д. с. оказывается направленной согласно с напряжением (см. табл. 17.1). Для ограничения тока якоря включают резистор противовключения.

214