2. Механические и скоростные характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Механические характеристики предназначены для исследования и анализа совместной работы электродвигателя и рабочего механизма; скоростные – для исследования токов электродвигателя при его загрузке. Эти характеристики взаимосвязаны, так как электромагнитный момент электрической машины определяется ее током и магнитным потоком.

Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид, приведенный на рис.2.4.

Если существует необходимость включения в якорную цепь двигателя добавочного сопротивления, то для электроприводов малой мощности используются резисторы со скользящими контактами, позволяющие реализовать плавное изменение активного сопротивления. В приводах средней и большой мощности используются шунтирующие контакторы, при помощи которых осуществляется дискретное изменение активного сопротивления якорной цепи.

В связи с тем, что мощность цепи возбуждения сравнительно невелика (3 – 5% от мощности электродвигателя), здесь возможно применение резисторов со скользящими контактами в приводах практически любой мощности.

Рис.2.4. Схема включения электродвигателя постоянного тока

независимого возбуждения

ДП – обмотка дополнительных полюсов;

КО – компенсационная обмотка;

R_дп, R_ко – активные сопротивления обмотки добавочных полюсов и

компенсационной соответственно;

R_доб – добавочное сопротивление якорной цепи;

R_я – активное сопротивление обмотки якоря;

R_ов, R_вд – активные сопротивления обмотки возбуждения и

добавочного в цепи возбуждения соответственно;

U_с, Е – напряжение питания и ЭДС электродвигателя соответственно;

U_в – напряжение питания обмотки возбуждения;

I_я, I_в – токи якоря и возбуждения соответственно.

В установившемся режиме двигатель независимого возбуждения (рис.2.4) описывается следующими уравнениями:

(2.6)

(2.7)

где – активное сопротивление якорной цепи;

– активное сопротивление цепи возбуждения.

, (2.8)

где N, а – число активных проводников и параллельных ветвей обмотки якоря соответственно;

Ф – магнитный поток возбуждения, Вб;

– конструктивная постоянная электродвигателя.

Если скорость электродвигателя приведена во внесистемных единицах n (об/мин), то угловая частота вращения определяется как

. (2.9)

Из (2.6) получаем уравнение скоростной характеристики

. (2.10)

Известно, что электромагнитный момент электродвигателя равен

(2.11)

Подставим в (2.10) вместо тока якоря его значение из (2.11) и получим уравнение механической характеристики электродвигателя:

. (2.12)

Построенные в соответствии с (2.10) и (2.12) скоростная (а) и механическая (б) характеристики двигателя независимого возбуждения приведены на рис.2.5.

а) б)

Рис. 2.5. Скоростная (а) и механическая (б) характеристики двигателя

независимого возбуждения

Точка пересечения каждой характеристики с осью ординат при

М = 0;

называется точкой идеального холостого хода, а соответствующая ей угловая скорость w₀ – скоростью идеального холостого хода. Из (2.10) и (2.12) определяем

. (2.13)

Точки пересечения характеристик с осями абсцисс при w = 0 называются точками короткого замыкания, а ток и момент – током (I_якз) и

моментом (М_кз) короткого замыкания соответственно. Из уравнений скоростной и механической характеристик при w = 0 определяем

; (2.14)

. (2.15)

Из (2.14) и (2.15) следует, что ток короткого замыкания не зависит от магнитного потока электродвигателя и определяется только напряжением питающей сети и активным сопротивлением якорной цепи, а момент короткого замыкания пропорционален магнитному потоку Ф, напряжению сети и обратно пропорционален Rяц.

Из (2.10) и (2.12) видно, что при изменении какого-либо из параметров системы изменяется вид характеристик, то есть для каждого электродвигателя можно построить семейства скоростных и механических характеристик при различных параметрах электрической цепи. Из этих семейств выделяются естественная скоростная и естественная механическая характеристики. Все остальные характеристики называются искусственными и будут показаны ниже.

Естественными являются характеристики, полученные при номинальном напряжении сети, номинальном магнитном потоке и добавочном сопротивлении в якорной цепи, равном нулю. Номинальные данные электрической машины – это совокупность параметров, определяющих номинальный режим ее работы, то есть режим, для которого машина предназначена заводом-изготовителем.

Жесткость механических характеристик рассматриваемого электродвигателя равна

.

При изменении момента от нуля до момента короткого замыкания

то есть

. (2.16)

Подставляем в (2.16) вместо и их значения из (2.13) и (2.15) и получаем

, (2.17)

то есть жесткость механических характеристик двигателя независимого возбуждения является отрицательной и определяется его магнитным потоком и активным сопротивлением якорной цепи.

Статическое падение скорости Dw_с в данной точке характеристики при М = М_с называется ее крутизной, является величиной, обратной жесткости, и определяется следующим образом:

(2.18)

Одним из важнейших показателей электрических машин является их перегрузочная способность l, равная отношению допустимого момента М_доп к номинальному М_н:

(2.19)

У машин постоянного тока допустимый момент регламентируется условиями их нагрева (которые будут описаны ниже) и условиями коммутации.

В настоящее время в нефтегазодобывающей промышленности электроприводы постоянного тока применяются только в буровых установках, но имеется тенденция замены их на электроприводы с асинхронными электродвигателями, получающими питание от преобразователей частоты (ПЧ).