3.3.7. Двигатели постоянного тока

Диаграмма, поясняющая принцип действия двигателя постоянного тока, имеет вид

U F М_кр

I_я

Под воздействием приложенного напряжения по обмоткам якоря и возбуждения протекают токи. Ток возбуждения создает магнитный поток. На проводники якоря с током в магнитном поле действует сила, заставляющая якорь вращаться.

Классификация двигателей по способу подключения обмотки возбуждения:

• двигатели независимого возбуждения (ДНВ);

• двигатели с параллельным возбуждением, шунтовые (рис. 3.46, а);

• двигатели с последовательным возбуждением, сериесные (рис. 3.46, б);

• двигатели со смешанным возбуждением, компаундные (рис. 3.46, в).

На рис. 3.46 представлены схемы включения двигателей, где R_о.в – сопротивления в цепи обмотки возбуждения; R_д – добавочное сопротивление в цепи якоря; ОВ_с и ОВ_ш – сериесная и шунтовая обмотки возбуждения.

Рис. 3.46. Схемы включения шунтового (а),

сериесного (б) и компаундного (в) двигателей

Противоэдс в двигателе. При направлении тока, указанном на рис. 3.47, якорь будет вращаться против часовой стрелки (правило левой руки).

Индуцируемая ЭДС будет направлена против тока (правило правой руки).

В

Рис. 3.47. Направление тока

и ЭДС в обмотке якоря

двигателях ЭДС направлена против тока и поэтому называется противоэдс.

На основании второго закона Кирхгофа для якорной цепи имеем уравнение электрического равновесия для двигателя

,

из которого находим

.

Зависимость магнитного потока и момента от тока якоря в двигателе. У шунтового двигателя машины Ф = const, так как i_в не зависит от I_я. У сериесного двигателя Ф создается током якоря.

а б

Рис. 3.48. Зависимость магнитного потока (а) и момента (б) от тока якоря

(1 – сериесный двигатель; 2 – компаундный; 3 – шунтовый)

У компаундного двигателя зависимость Ф = f(I_я) занимает промежуточное положение между зависимостью для сериесного и шунтового двигателей. При максимальный поток у сериесной машины.

У шунтовой машины , так как. У сериесной машины. Учитывая, что(начальный участок зависимости), получаем. ЗависимостьM = f(I_я) у компаундного двигателя занимает промежуточное положение между этой же зависимостью для сериесного и шунтового двигателей.

При перегрузке максимальный момент – у сериесного двигателя, поэтому он обладает большой перегрузочной способностью, так как при перегрузке развивает максимальный момент.

Механическая характеристика ДТП (рис. 3.49).Используя соотношения

получаем

–электромеханическая характеристика;

–механическая характеристика.

Рис. 3.49. Механические характеристики

двигателей: 1 – шунтовый; 2 – компаундный;

3 – сериесный

Особенностью сериесных двигателей является то, что при ток якоря иФ тоже стремятся к нулю, а n стремится к бесконечности. Поэтому эти двигатели нельзя оставлять работать в холостую.

Пуск ДТП. Проблемы пуска:

1. Большой пусковой ток якоря I_я.п. Из уравнения электрического равновесия для якорной цепи имеем

.

Пусть при, тогда= = (10…30) I_я.н.

2. Тяжелые условия коммутации, связанные с большими пусковыми токами.

3. Большой пусковой момент, который приводит к ударной нагрузке на исполнительный механизм во время пуска.

Самый распространенный способ пуска – введение в цепь якоря добавочных сопротивлений R_д (реостатный пуск). За счет введения R_д уменьшается пусковой ток и пусковой момент. На рис. 3.50 изображены механические характеристики, иллюстрирующие процесс пуска (М₁ и М₂ – заданные пределы изменения момента при пуске; М_с – момент сопротивления механизма).

Рис. 3.50. Реостатный пуск

Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока. Из выражения вытекают три способа регулирования скорости:

• за счет изменения питающего напряжения при постоянном магнитном потоке;

• введением в цепь якоря добавочных сопротивлений;

• изменением магнитного потока.

1. Регулирование скорости изменением питающего напряжения при постоянном магнитном потоке. Механические характеристики при регулировании скорости изменением питающего напряжения имеют вид

А

Рис. 3.51. Регулирование

скорости изменением U

нализируяМ в этой системе уравнений, имеем

Метод позволяет регулировать скорость плавно и в широких пределах.

2. Регулирование скорости путем введения в цепь якоря добавочного сопротивления (рис. 3.52). Анализируя М, имеем

Метод позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее уменьшения от исходной.

Недостаток метода – большие потери энергии в добавочном сопротивлении.

3. Регулирование скорости за счет уменьшения магнитного потока. На рабочем участке механических характеристик (рис. 3.53).

Метод позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее увеличения.

Вывод: двигатели постоянного тока позволяют осуществлять плавную регулировку скорости в широких пределах, что является основным их достоинством по сравнению с асинхронными двигателями.

Общие сведения о режимах торможения:

1. Торможение противовключением: двигатель принудительно вращается в сторону, противоположную к М_вр.

2. Генераторное торможение: двигатель принудительно вращают со скоростью > n₀.

3. Динамическое торможение: двигатель отключается от сети, якорь замыкается на сопротивление. Согласно принципу Ленца, в якоре индуцируется ток, вызывающий тормозной момент.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в якоре. Одновременное изменение токов в обмотке возбуждения и в якоре не приводит к реверсу двигателя. Это позволяет создавать коллекторные двигатели, работающие как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока.

Общие сведения об универсальном коллекторном двигателе. Двигатель может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Особенности данного двигателя:

1. Двигатель делают с последовательной обмоткой возбуждения, чтобы не было сдвига фаз между I_я и Ф.

2. Так как двигатель работает в цепи переменного тока, то магнитный поток тоже переменный, и для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники полюсов делают шихтованными.

Преимущество коллекторного двигателя по сравнению с асинхронным – возможность получения скорости более 3000 об/мин для стандартной частоты.

Недостатки – малый КПД и плохая коммутация.