6, При каком условии осуществляется устойчивая работа двигателей постоянного тока?

При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и так далее). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы вследствие чего возникает момент M_дини изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы, например скорости вращения, тока якоря и так далее. Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение режима (n, I_а и так далее) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму с возрастанием амплитуд колебаний n, I_а и так далее. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики M = f(n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения M_ст = f(n). Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, M_ст ≈ const, то есть M_ст не зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов M_ст ∼ n_в квадрате.

Рисунок 1. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя

На рисунке 1, а и б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (M = M_ст) со скоростью вращения n₀ соответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости M = f(n), и M_ст = f(n) имеют вид, изображенный на рисунке 1, а, то при случайном увеличении n в результате возмущения на Δn тормозной момент M_ст станет больше движущего M (M_ст > M) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости n₀. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на Δn, то будет M_ст < M, поэтому ротор станет ускоряться и снова будет n= n₀. Таким образом, в рассматриваемом случае работа устойчива. Как следует из рисунка 1, а, при этом

(2)

что и является признаком, или критерием, устойчивости работы двигателя.

При зависимостях M = f(n) и M_ст = f(n) вида рисунка 1, б работа неустойчива. Действительно, при увеличении n от n = n₀ до n = n₀ + Δn будет M > M_ст, возникнет избыток движущего момента, скорость n начнет нарастать, причем избыточный момент M – M_ст увеличится еще больше, n еще возрастет и так далее. Если в результате возмущения n = n₀ – Δn, то M < M_ст и n будет непрерывно уменьшаться. Поэтому работа в точке M = M_ст и n = n₀ невозможна. Как следует из рисунка 1, б, в этом случае

(3)

что является признаком неустойчивости работы двигателя.

Из изложенного следует, что двигатель с данной механической характеристикой M = f(n) может работать устойчиво или неустойчиво в зависимости от характеристики M_ст = f(n) рабочей машины. Возникновение неустойчивости наиболее вероятно при такой механической характеристики двигателя M = f(n) или n = f(M), когда M и n увеличиваются или уменьшаются одновременно (рисунок 1, б). В частности, в этом случае работа неустойчива при M_ст = f(n) = const (например, металлорежущие станки). Поэтому двигателей с такими механическими характеристиками не строят.

Изложенное здесь в равной мере относится к устойчивости двигателей как постоянного, так ипеременного тока, а также любых видов двигателей.