Глава 3. Механические характеристики электродвигателей

3.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения представлена на рис. 3.1. Направления токаи ЭДС вращения двигателя, показанные на рис. 3.1, соответствуют двигательному режиму работы, когда электрическая энергия потребляется двигателем из сети (от источника напряжения ) и преобразуется в механическую энергию, мощность которой равна .

Аналитическое выражение механической характеристики двигателя в установившемся режиме может быть получено из следующих уравнений:

;;.

(3.1)

Решая уравнения (3.1) относительно скорости получаем уравненияэлектромеханической и механической характеристик

;	(3.2)
,	(3.3)

где - - суммарное сопротивление якорной цепи, включающее сопротивление внешнего резистора ;

- внутреннее сопротивление якоря двигателя (при наличии дополнительных полюсов учитывается и их сопротивление) при рабочей температуре

;

- коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя, ( — число пар полюсов двигателя; N — число активных проводников обмотки якоря; — число пар параллельных ветвей обмотки якоря);

- скорость идеального холостого хода (скорость двигателя при токе )

;

(3.4)

- магнитный поток;

- постоянная двигателя при ;

- статическое падение угловой скорости (перепад) относительно угловой скорости идеального холостого хода

.

(3.5)

Электромеханическая и механическая характеристики двигателя при неизменных параметрах ,,представляются прямыми линиями.

Характеристика, полученная при отсутствии внешних резисторов в якорной цепи и номинальных значениях напряжения и магнитного потока двигателя, носит название естественной.

Из уравнений (3.4) и (3.5) следует, что скорость идеального холостого хода зависит от напряжения на якоре и магнитного потока и не зависит от дополнительного сопротивления в цепи якоря , а перепад скорости при постоянном моменте сопротивления () зависит от дополнительного сопротивления в цепи якоряи магнитного потока и не зависит от напряжения сети.

На рис. 3.2 приведены механические и электромеханические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при разных значениях якорного напряжения (а), ослабленных магнитных потоках (б), введении в якорную цепь дополнительных сопротивлений (в).

3.2. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

в тормозных режимах

Любая электрическая машина может работать не только в двигательном режиме, преобразуя электрическую энергию в механическую, но и в генераторном (тормозном), преобразуя механическую энергию, поступающую с вала двигателя, в электрическую.

Для электрических двигателей возможны три способа генераторного торможения, а именно:

1) торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное);

2) динамическое торможение;

3) торможение противовключением.

Рассмотрим особенности механических характеристик при указанных способах торможения.

1. Торможение с отдачей энергии в сеть (генераторный режим работы параллельно с сетью) осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его ЭДС больше приложенного напряжения. Двигатель здесь работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдает электрическую энергию; ток при этом изменяет свое направление

.

Такой режим возможен:

- в электроприводе электровоза (трамвая), идущего под уклон ( рис.3.4, а);

- при снижении напряжения на якоре ( рис.3.4,б).

Рис. 3.4. Механические характеристики в режиме рекуперативного торможения, а) при движении под уклон; б) при снижении напряжения

При снижении напряжения на якоре двигателя скорость идеального холостого хода скачком снижается сдо, а скорость двигателя за счет инерции остается равной, которая больше. Это означает, что ЭДС двигателя становится больше якорного напряжения, в результате чего ток меняет свое направление и момент, развиваемый двигателем, становится тормозным.

Такое торможение является весьма экономичным, поскольку оно сопровождается отдачей в сеть электрической энергии (за вычетом потерь в двигателе), которую двигатель преобразует из механической, поступающей к нему с вала. Но торможение этим способом может быть осуществлено в ограниченных пределах, так как не во всех приводах возможно соблюдение условия .

2.Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор (рис. 3.5). Обмотка возбуждения при этом должна оставаться присоединенной к источнику питания. При динамическом торможении механическая энергия, поступающая с вала двигателя в виде кинетической энергии, запасенной в элементах электропривода, преобразуется в электрическую и выделяется в виде теплоты в сопротивлениях якорной цепи.

Уравнение механической характеристики двигателя в режиме динамического торможения нетрудно получить из (3.3), приравняв напряжение сети нулю

. (3.6)

Семейство характеристик при торможении представляет собой прямые, проходящие через начало координат (рис. 3.6). Наклон этих прямых зависит от сопротивления якорной цепи .

Для ограничения тормозных токов до допустимой величины, определяемой перегрузочной способностью двигателя, якорная цепь замыкается на сопротивление, минимальная величина которого определяется уравнением

(3.7)

Динамическое торможение широко используется для останова привода при отключениях его от сети. Оно достаточно экономично, хотя и уступает в этом отношении торможению с отдачей энергии в сеть.

3. Торможение противовключением (генераторный режим работы последовательно с сетью) осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону.

Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза (рис. 3.7). Механическая характеристика этом случае является продолжением характеристики двигательного режима в области квадранта 4.

Режим противовключением получается и при смене полярности напряжения на якоре двигателя. (рис. 3.8). При скорости равной нулю двигатель необходимо отключить от сети, в противном случае возможен его реверс.

Для ограничения тормозных токов до допустимой величины, определяемой перегрузочной способностью двигателя , в якорную цепь необходимо ввести дополнительное сопротивление не менее

(3.8)