21.4. Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока в отличие от синхронных и асинхрон­ных электродвигателей способны обес­печить любые механические характерис­тики, могут в больших пределах и плавно изменять частоту вращения, а также надежно работать при понижен­ной частоте вращения, частых пусках, реверсах и остановках. Однако электро­двигатели постоянного тока значительно сложнее в конструктивном отношении, поэтому менее надежны в работе и нуждаются в более тщательном уходе; они дороже синхронных и асинхронных электродвигателей и могут быть исполь­зованы только при наличии преобразо­вателей переменного тока в постоянный, которые дополнительно уменьшают на­дежность работы установки и увеличи­вают капитальные затраты и эксплуата­ционные расходы. Поэтому электродви­гатели постоянного тока используют в основном лишь в тех случаях, когда необходимо широкое и плавное регули­рование частоты вращения рабочей ма­шины или последняя работает в повтор­но-кратковременном режиме. На элект­ростанциях электродвигатели постоян­ного тока применяют также для привода некоторых ответственных резервных машин небольшой мощности, не требую­щих регулирования частоты вращения, когда по соображениям надежности в

качестве резервного источника электро­энергии используется аккумуляторная батарея.

Наибольшее применение в электро­приводе получили электродвигатели па­раллельного возбуждения, так как в , большинстве случаев их характеристики более полно соответствуют характе­ристикам рабочих машин. Однако нахо­дят некоторое применение и электро­двигатели с другими схемами возбуж­дения.

Независимо от схемы включения обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока связь между его маг­нитным потоком, ЭДС, током якоря, частотой вращения, электромагнитным моментом и подведенным напряжением определяется следующими выражения­ми:

где

Е — ЭДС электродвигателя; I_я - ток якоря; R_я — сопротивление последова­тельно соединенных обмоток в цепи якоря; ΔU_щ — падение напряжения в щетках; R_p — сопротивление резистора, включенного в цепь якоря; п — частота вращения; Ф — магнитный поток одного полюса; р — число пар главных полюсов электродвигателя; N_я - число проводни­ков обмотки якоря; а_я — число пар параллельных ветвей обмотки якоря. Из выражений (21.28) и (21.29) следует

С учетом (21.30)

Зависимость (21.32) обычно называют уравнением механической характеристи­ки электродвигателя постоянного тока (хотя в него входит не момент на валу электродвигателя, а электромагнитный момент). Выражения (21.31) и (21.32) имеют сравнительно простой вид. Одна­ко входящий в эти выражения магнитный поток полюса в общем случае является сложной функцией тока якоря и опреде­ляется схемой включения обмотки воз­буждения электродвигателя.

У электродвигателей параллель­ного возбуждения (рис. 21.11,а), снабженных дополнительными полюса­ми и компенсационной обмоткой (до­полнительные полюсы имеют почти все машины постоянного тока мощностью более 1 кВт, а компенсационную обмот­ку — многие машины средней и большой мощности), магнитный поток можно счи­тать не зависящим от тока якоря. По­этому при неизменном токе возбуждения уравнение механической характеристики таких электродвигателей имеет простой вид

где

Уравнение (21.33) показывает, что в случае постоянства напряжения питаю­щей сети механические характеристики электродвигателей параллельного воз­буждения представляют собой прямые, наклон которых определяется сопро-

тивлением резистора R_p, включенного в цепь якоря (рис. 21.11, б). Все эти прямые сходятся в одной точке, которой соответствует частота вращения n₀ = =U/k_E, называемая частотой вращения идеального холостого хода. Наиболее жесткой является естественная характе­ристика, которая получается при отсут­ствии добавочных сопротивлений в якор­ной цепи; в последнем случае изменение нагрузки электродвигателя от нуля до номинальной приводит к снижению час­тоты вращения не более чем на 7 — 8%.

У электродвигателей последова­тельного возбуждения (рис. 21.12, а) ток якоря одновременно явля­ется током возбуждения, поэтому маг­нитный поток изменяется с изменением их нагрузки.

При небольших нагрузках электро­двигателя последовательного возбужде­ния его магнитная цепь не насыщена, т. е. магнитный поток пропорционален току якоря:

где с_Ф — постоянная величина. Поэтому электромагнитный момент, как видно из (21.30), пропорционален квадрату маг­нитного потока и уравнение механиче­ской характеристики (21.32) имеет вид

Таким образом, механическая харак­теристика электродвигателя последова­тельного возбуждения при малых на­грузках имеет гиперболический характер, как показано на рис. 21.12, б. С уменьше­нием нагрузки магнитный поток элект­родвигателя быстро уменьшается и час­тота вращения резко возрастает. Правда, наличие механических потерь, обуслов­ленных трением, а также небольшого потока намагничивания приводит к тому, что частота вращения электродвигателя при холостом ходе оказывается ограни­ченной. Однако она может превышать номинальную в 5 — 6 раз, тогда как по условиям механической прочности бан­дажей ротора и коллектора превышение номинальной частоты вращения более чем в 3 — 3,5 раза недопустимо. Поэтому нагрузку электродвигателей последова­тельного возбуждения нельзя снижать более чем до 15 — 20% номинальной.

Рост нагрузки электродвигателя со­провождается насыщением его магнит­ной системы, в результате чего увели­чение магнитного потока сначала за­медляется, а затем практически совсем прекращается. Поэтому при больших нагрузках механические характеристики близки к линейным. Увеличение сопро­тивления якорной цепи электродвигателя последовательного возбуждения приво­дит к смещению его механической ха­рактеристики и к уменьшению ее жест­кости (рис. 21.12,6).

Электродвигатели последовательно­го возбуждения применяют в основном

в электротяговых и подъемных устрой­ствах.

Электродвигатели смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения — параллельную и после­довательную (рис. 21.13, а). Поэтому маг­нитный поток таких машин зависит от токов обеих обмоток, а механические характеристики сочетают в себе свойства характеристик двигателей как параллель­ного, так и последовательного возбужде­ния (рис. 21.13, б) и зависят от доли участия той или иной обмотки в созда­нии магнитного потока. Благодаря па­раллельной обмотке возбуждения маг­нитный поток машины даже при отсут­ствии нагрузки остается значительным, поэтому работа электродвигателя на хо­лостом ходу допустима. А наличие последовательной обмотки возбуждения приводит к увеличению пускового мо­мента и уменьшению частоты вращения электродвигателя при его нагрузке. С увеличением сопротивления цепи якоря механические характеристики электро­двигателя смешанного возбуждения, как это видно из рис. 21,13,6, смещаются и становятся более мягкими, однако независимо от сопротивления R_p при отсутствии нагрузки все характеристики проходят через одну точку, соответ­ствующую частоте вращения идеального холостого хода.