2.4.2. Механические характеристики При эксплуатации двигателей постоянного тока чаще пользуются механическими характеристиками, представляющих зависимости n(m).

Двигатели параллельного и независимого возбуждения

Механическими характеристиками такого двигателя называются зависимости n(M) при U=const; i_b=const; ΣR_a=R_a+R_д=const. В общем случае предполагается, что в цепь обмотки якоря включается добавочное сопротивление R_д.

Тогда

. (2.29)

Электромагнитный момент двигателя равен М=С_м·I_a·Ф. Отсюда I_a=M/C_м·Ф. Следовательно,

, (2.30)

где - частота вращения при холостом ходе;

, если допустить, что Ф = const.

Уравнение (2.30.) при сделанных допущениях является уравнением прямой. Поэтому механические характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представляют собой линейные зависимости и показаны на рис. 2.34.

При R_д=0 характеристика называется естественной. При этом n₀>>C. При R_д>0 получаем кривые 2 и 3, так как с ростом R_д увеличивается C и наклон характеристики.

Двигатели последовательного возбуждения

Выражение для механической характеристики можно получить из (2.29), предполагая, что магнитная цепь насыщена и I_a  Ф. Тогда

М = C ^_м · I_a² и .

. (2.31)

Это уравнение представляет собой уравнение гиперболы.

При R_д=0 механическая характеристика называется естественной. При R_д>0 крутизна механической характеристики возрастает (рис. 2.35).

Механические характеристики двигателей смешанного возбуждения, так же как и скоростные характеристики, при согласном включении обмоток занимают промежуточное положение между характеристиками параллельного и последовательного возбуждения.

2.5. Регулирование частоты вращения

Частоту вращения двигателя постоянного тока, исходя из (2.29), можно регулировать тремя способами:

1) изменением сопротивления в цепи обмотки якоря R_д;

2) изменением магнитного потока возбуждения Ф;

3) изменением напряжения, подводимого к обмотке якоря, U.

Рассмотрим эти способы.

Регулирование n изменением R_д

Двигатели параллельного и независимого возбуждения.

В цепь обмотки якоря включается дополнительный реостат (R_д), рассчитанный на длительный режим работы. Если при этом U=const; ; M_c=const, то ток в обмотке якоря в первый момент времени уменьшаются и возникает неравенство моментов на валу M<M_c. Частота вращения якоря двигателя и E_a=C_e·n·Ф начнут уменьшаться, а ток I_a возрастать. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока I_a и M не примут первоначальных значений при меньшей величине частоты вращения n.

Этот способ регулирования частоты вращения характеризуется следующим: подводимая к двигателю мощность P₁=U·I_а остается без изменений; полезная мощность P₂=M₂·Ω=M₂·2π·n и КПД =P₂/P₁ уменьшаются; условия охлаждения двигателя ухудшаются.

Пределы регулирования от n_н до 0. Это наглядно видно из механических характеристик, построенных при разных R_д и изображенных на рис. 2.34.

В двигателях последовательного возбуждения процесс регулирования n введением в цепь якоря добавочного сопротивления аналогичен.

Регулирование n изменением Ф

Рассмотрим двигатели параллельного и независимого возбуждения. Предположим, как и прежде, что U=const; M_c=const, а R_д=0. Как следует из (2.29) n обратно пропорционален потоку возбуждения Ф. При уменьшении i_В, поток Ф и E_a=C_e·n·Ф тоже уменьшаются, а ток растет. Обычно E_a=(0.90.96)·U. Поэтому небольшие изменения Ф соответствуют во много раз большим изменениям тока I_a и электромагнитный момент M=C_м·I_a·Ф и частота вращения увеличиваются.

Рассмотрим пример. Двигатель характеризуется следующими данными: U_н=110В; E_а1=105В; R_а=0.08Ом, а ток обмотки якоря равен Уменьшим основной магнитный поток на 5%, тогда в первый момент ЭДС станет равной E_a2=100В, а ток . Другими словами при уменьшении магнитного потока на 5%, ток в обмотке якоря увеличился вдвое. Электромагнитный момент вращения M=C_м·I_a·Ф увеличивается тоже приблизительно в два раза, что приводит к росту частоты вращения.

Установившийся режим наступает при более высокой скорости вращения так как M_c=M=C_м·I_a·Ф=const. Этот способ достаточно экономичен и КПД двигателя изменяется незначительно.

При изменении режима работы в пределах номинального режима механические характеристики (2.30) при изменении Ф практически параллельны между собой. При изменении Ф двигатель переходит с одной характеристики на другую.

В двигателях последовательного возбуждения процесс регулирования n изменением Ф осуществляется аналогично, но изменение величины основного магнитного потока производится шунтированием обмотки возбуждения некоторым сопротивлением или изменением числа витков обмотки возбуждения.

Регулирование n изменением U

Лучшие механические характеристики и меньшие потери в двигателях постоянного тока достигаются при регулировании частоты вращения при изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря. В этом случае напряжение к обмотке якоря двигателя Д должно подаваться от автономного генератора Г.

Эта система называется „генератор-двигатель”. Её схема представлена на рис. 2.36. Обмотка возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД включены к независимому источнику постоянного тока, которым может быть генератор постоянного тока, соединённый с валом первичного двигателя генератора (АД) или выпрямитель.

Напряжение на зажимах обмотки якоря двигателя U можно регулировать плавно в пределах от U_н до 0. В связи с этим механические характеристики (2.30) будут изображены параллельными линиями, как показано на рис. 2.37.

В такой системе можно осуществить и безреостатный пуск двигателя при пониженном напряжении.

Если дополнительно ещё и регулировать ток в обмотке возбуждения двигателя, то пределы плавного изменения частоты вращения получаются очень большими.

В последние годы АД и Г в рассматриваемой системе стали заменять регулируемыми выпрямителями. В этом случае весь агрегат получил название вентильный привод.

Импульсное регулирование n

В настоящее время в связи с развитием полупроводниковой техники все больше распространяются импульсные системы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

В этом случае к двигателю (см. рис. 2.38) с помощью электронного коммутатора К подаются импульсы напряжения высокой частоты (2003000 Гц).

В установившемся режиме работы изменение U и i_a во времени представлены на графике рис. 2.39. Во время  ток i_a растёт, а в период пауз – уменьшается, причём в этот период ток замыкается через обратный диод Д, шунтирующий обмотку якоря. Для уменьшения пульсаций тока последовательно с обмоткой якоря включают дроссель L. Если параметры таковы, что пульсации не превосходят 510%, то работа двигателя ничем практически не отличается от работы при постоянном напряжении.

Регулирование частоты при этом происходит так, как и при изменении U. При этом среднее значение напряжения равно

, (2.32)

где I_a = I_ср .