6.2.5. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Пуск двигателя. Внутреннее сопротивление якоря машины невелико. У дви­гателей средней и большой мощности оно имеет величину порядка десятых-сотых долей Ома. При прямом включении двигателя в сеть пусковой ток I_Я.П =(14) достигает (10-30)I_Н.

Поэтому прямой пуск двигателя недопустим. Такой боль­шой пусковой ток опасен для двигателя и сети, напряжение в сети может значи­тельно снизиться, кроме того, возникнет толчок момента, действующего на передачу и рабочий механизм.

Для ограничения силы пускового тока последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат r_П (рис.27). Тогда токI_Я.П = (15)

Сопротивление пускового реостата выби­рают таким образом, чтобы сила пускового тока не превышала кратковременно допустимого но­минального значения силы тока якоря (2-2,5) I_Я. По мере увеличения частоты вращения двигате­ля растет противодействующая ЭДС якоря, ко­торая направлена против подведенного напря­жения, и ток снижается, поэтому сопротивле­ние пускового реостата постепенно уменьшают до нуля. Пусковой реостат включается на 2-3 секун­ды и не рассчитан на длительное протекание тока. Двигатели мощностью до 1 кВт имеют сравни­тельно большое сопротивление якоря, поэтому их включают без пусковых реостатов.

При номинальной частоте вращения двига­теля имеемI_Я= (16)

Для определения частоты вращения двига­теля подставим в формулу (16) значение ЭДС из формулы (6), получимI_Я=,откуда n = (17)

Уравнение (17) п = f(I_Я) носит название скоростной характеристики и указывает на то, что частота вращения двигателя прямо пропорциональна под­веденному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку.

При пуске двигателя регулировочный реостат в цепи возбуждения полно­стью выводится, чтобы обеспечить максимальное значение силы тока в цепи возбуждения и магнитного потока статора. Из формулы (17) видно, что при большом пусковом токе в якоре уменьшается числитель, а при большом токе в цепи возбуждения увеличивается знаменатель, что обеспечивает плавный пуск двигателя при достаточном вращающем моменте якоря для преодоления меха­нического сопротивления.

На практике пользуются зависимостью п=f(М), называемой механичес­кой характеристикой. Подставим в уравнение (17) значение момента двигате­ля (10) М = С_мФ I_Я, в результате чего получимп= — (18)

Полученное уравнение является уравнением механической характеристи­ки, связывающим зависимость установившейся частоты вращения двигателя от момента при постоянном напряжении сети и сопротивлении цепи якоря.

Рис. 27. Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

В двигателях параллельного и независимого возбуждения поток Ф прак­тически постоянный, поэтому механическая характеристика представляется уравнением прямой (рис. 28), слегка наклоненной к оси абсцисс. В выраже­нии (18) первое слагаемое уравнения носит название частоты идеального холостого хода и обозначается n₀ , второе слагаемое - потери частоты вращения двигателя под нагрузкой ∆n. Тогда уравнение механичес­кой характеристики двигателя можно записать так: п = п₀ - ∆n. Изменение час­тоты вращения двигателя при номинальной нагрузке составляет (3-8) % п₀. Такая механическая характеристика считается жесткой.

Регулирование частоты вращения двигателя с параллельным воз­буждением. Рассмотрим способы регулирования частоты вращения двигателя при неизменном тормозном моменте на валу.

Из уравнения механической характеристики (18) видно, что изменение п возможно при регулировании напряжения питания U, потока возбуждения Ф и величины сопротивления цепи якоря r_Я , C_Е и С_М - конструктивные коэффициен­ты, изменить которые мы не можем.

Регулирование частоты вращения изме­нением приложенного напряжения не при­меняется, так как с изменением силы тока изменяется и магнитный поток машины, а при малых напряжениях можно размагни­тить машину.

А) Регулирование «на уменьшение по­тока» (полюсное регу­лирование)

Из формулы п₀ = следует, чточастота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна потоку. Пока магнитная система машины не насыщена, поток можно считать пропорциональным силе тока возбуждения I_В. Следовательно, частоту вращения двигателя можно регулировать изменением силы тока возбуждения, для чего в цепь возбуждения вво­дится реостат (рис. 27). С увеличением сопротивления r_В уменьшается сила тока возбуждения I_В, вследствие чего уменьшается поток Ф. Уменьшение по­тока возбуждения ведет к увеличению частоты вращения идеального холосто­го хода п₀. Потери частоты вращения ∆n будут обратно пропорциональны квад­рату магнитного потока.

Таким образом, изменением потока возбуждения можно регулировать ча­стоту вращения двигателя. На рис. 29 приведены искусственные механичес­кие характеристики. При значительном уменьшении силы тока возбуждения (особенно при обрыве цепи возбуждения) силы тока якоря и частота вращения ненагруженного двигателя сильно возрастают, что может привести к опасным механическим повреждениям. Это явление недопустимо, поэтому двигатель должен быть снабжен автоматической защитой, отключающей его от сети при предельном уменьшении потока (ниже '/₃Ф_Н).

Регулирование «на уменьшение по­тока», называемое еще полюсным регу­лированием, весьма распространено, так как оно экономично и удобно в связи с тем, что сила тока возбуждения мала и мощность потерь в реостате мала.

Б) Реостатное регулирование. При этом способе регулирования, при Ф=const, последовательно с якорем вклю­чается регулировочный реостат. Уравнение механической характеристики имеет вид: п= — (19)

Анализ уравнения (19) показыва­ет, что при изменении r_Р изменяется толь­ко ∆n, т. е. увеличивается наклон меха­нической характеристики (рис.30). Из­меняя r_Р, увеличивая его, можно получить семейство механических характеристик, более мягких, чем естественная механи­ческая характеристика с частотой враще­ния п₁, п₂ и п₃. У всех этих характеристик общая точка п₀ - частота вращения иде­ального холостого хода двигателя. Такое регулирование неэкономично, так как че­рез регулировочный реостат проходит весь ток якоря I_Я, а это обусловливает значи­тельные потери мощности ∆Р = r_Р I².

Рис. 28. Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением

Рис. 29.Искусственные механические характеристики двигателя

Реверсирование двигателей постоянного тока. Под реверсированием понимают изменение направления вращения якоря двигателя.

Если изменить направление магнитного потока или тока якоря, то знак, а значит, и направление вращения двигателя изменятся. Однако одновременное изменение направления потока и тока якоря к изменению знака вращающего момента не приводит. Практически реверсирование осуществляется переклю­чением выводов обмотки якоря или обмотки возбуждения.

Рис. 30. Механические характеристики реостатного регулирования