Глава десятая двигатели постоянного тока

§ 10-1. Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Схемы двигателей и генераторов с данным видом возбуждения одинаковы (рис. 9-1). В двигателях независимого возбуждения токи

якоря 1_а и нагрузки / равны: / = 1_а, в двигателях параллельного и смешанного возбуждения / = = /_а + /,ив двигателях последовательного возбуждения / = 1_а = /_в. С независимым .возбуждением от отдельного источника тока обычно выполняются мощные двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования

Рис 10-1 Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения

величины тока возбуждения. По своим свойствам двигатели независимого и параллельного возбуждения почти одинаковы, и поэтому первые ниже отдельно не рассматриваются.

Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбужден ния изображена на рис. 10-1. Первичная мощность Р_х является электрической и потребляется из питающей сети. За счет этой мощности покрываются потери на возбуждение р_в и электрические потери рд_ла = P_aRa в цепи якоря, а оставшаяся часть составляет электромагнитную мощность якоря Р_Эм = EJ_a, которая превращается в механическую мощность Р_мх. Потери магнитные р_мг, добавочные р_д и механические р„_х покрываются за счет механической мощности, а остальная часть этой мощности представляет собой, полезную механическую мощность Р₂ на валу.

Аналогичные энергетические диаграммы, иллюстрирующие преобразование энергии в двигателе, можно построить и для других типов двигателей.

Уравнение вращающих моментов. Электромагнитный момент двигателя

который является движущим и действует в сторону вращения, расходуется на уравновешивание тормозящих моментов: 1) момента М_о, соответствующего потерям р_ш, р_д и р_мх, покрываемым за счет механической мощности [см. равенство (9-6)]; 2) М_в — момента нагрузки на валу, создаваемого рабочей машиной или механизмом; 3) М_та — динамического момента [см. равенство (9-7)]. При этом

является статическим моментом сопротивления.

При установившемся режиме работы, когда п = const и поэтому

В дальнейшем индекс «эм» у М_Эм будем опускать. Обычно М_о мал по сравнению с М_в, и поэтому приблизительно можно считать, что при установившемся режиме работы М_э„ = М является полезным моментом на валу и уравновешивается моментом М_в. Можно также величину М_о включить в величину М_в.

Укажем, что если выразить Р в кет, a Q — через число оборотов в минуту п_н, то между Р, п_м и М в кгс >м будет существовать зависимость

Уравнения напряжения и тока. В двигателях направление действия э. д. с. якоря Е_а противоположно направлению тока якоря /_о (см. § 1-1), и поэтому Е_а называется также противоэлектродвижущей

силой якоря. Уравнение напряжения для цепи якоря двигателя можно записать следующим образом:

Здесь R_a — полное сопротивление цепи якоря [см. равенство (9-15)]. В режиме двигателя всегда U >> Е_а. Из равенства (10-4) следует, что

Скорость вращения и механические характеристики. Решая уравнение (10-4) совместно с (10-6) относительно п, находим уравнение скоростной характеристики п = f (I_a) двигателя:

Определив отсюда значение 1_а и подставив его в (10-7), получим уравнение механической характеристики п = f (M) двигателя:

которое определяет зависимость скорости вращения двигателя от развиваемого момента вращения.

Вид механической характеристики п = f (М) или М = f (n) при U = const зависит от того, как с изменением нагрузки или М изменяется поток машины Фе, и различен для двигателей с различными способами возбуждения. Это же справедливо и для скоростных характеристик (см. § 10-4 — 10-6).

§ 10-2. Пуск двигателей постоянного тока

При пуске двигателя в ход -необходимо: 1) обеспечить надлежащую величину пускового момента и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

Возможны три способа пуска двигателя в ход: 1) прямой пуск, когда цепь якоря приключается непосредственно к сети на ее полное напряжение; 2) пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря; 3) пуск при пониженном напряжении цепи якоря.

При п = 0 также Е_а = 0 и, согласно выражению (10-5),

L=U_a/R_a.                              (10-10)

В нормальных машинах R_a^. — 0,02 -н 0,10, и поэтому при прямом пуске с U = U_u ток якоря недопустимо велик:

/_в = (50ч-10)/_н.

Вследствие этого прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых R_a относительно велико и поэтому при пуске l_a sg (4 ■*- 6) /_н, а процесс пуска длится не более 1—2 сек.

Самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений (рис. 10-2).

При этом вместо выражения (10-5) имеем

где R_n — сопротивление пускового реостата, или пусковое сопротивление. Величина R_n подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было 1_а = (1,4 -г- 1,7) /_н (в малых машинах до (2,0 4- 2,5) /_н).

Рассмотрим подробнее пуск двигателя параллельного возбуждения с помощью реостата (рис. 10-2, а).

Перед пуском (t <; 0) подвижный контакт П пускового реостата стоит на холостом контакте 0 и цепь двигателя разомкнута. В начальный момент пуска (t = 0) подвижный контакт Я с помощью рукоятки переводится на контакт /, и через якорь пойдет ток /_а, определяемый равенством (10-12). Цепь обмотки возбуждения ОВ подключается к неподвижной контактной дуге д, по которой скользит

контакт Я, чтобы во время пуска цепь возбуждения все время была под полным напряжением. Это необходимо для того, чтобы i_B и Фв при пуске были максимальными и постоянными, так как при этом, согласно выражению (10-8), при данных значениях 1_а развивается

Рис 10-2 Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б)

наибольший момент М. С этой же целью регулировочный реостат возбуждения ставится при пуске в положение R_{p в} = 0.

При положении контакта Я пускового реостата на контакте / (t = 0) возникают токи 1_а и i_B, а также момент М, и если М > М_ст, то двигатель придет во вращение и скорость п будет расти со значения п — 0 (рис. 10-3). При этом в якоре будет индуктироваться э. д. с. Ег^п и, согласно выражениям (10-1J) и (10-8), 1_а и М, а также скорость нарастания п будут уменьшаться. Изменение этих величин' при М_ст = const происходит по экспоненциальному закону.

Когда 1_а достигнет значения Л» мин = (Ы -*■ 1,3) /_н, контакт Я пускового реостата переведется на контакт 2. Вследствие уменьшения R_n ток 1_а ввиду малой индуктивности цепи якоря почти мгновенно возрастет, М также увеличится, п будет расти быстрее и в результате увеличения Е_а величины 1_а и М снова будут уменьшаться (рис. 10-3). Подобным же образом развивается процесс пуска при последовательном переключении реостата в положения 3, 4 и 5, после чего двигатель достигает установившегося режима работы со значениями /_о и п, определяемыми условиями М=М„ [см. равенства (10-7) и (10-8)].

Рис 10-3 Зависимость 1_ф М и п от времени при пуске двигателя

При пуске на холостом ходу М„ = М_о. Ток 1_а — 1_а0 в этом случае мал и составляет обычно 3—8% от /_н.

Заштрихованные на рис. 10-3 ординаты представляют собой, согласно выражению (10-2), значения избыточного, или динамического, момента

под воздействием которого происходит увеличение п.

Количество ступеней пускового реостата и величины их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при надлежащих интервалах времени переключения ступеней максимальные и минимальные значения 1_а на всех ступенях получились одинаковыми. По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.

Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью рубильника или другого выключателя. Схема рис. 10-2 составлена так, чтобы при отключении двигателя цепь обмотки возбуждения не размыкалась, а оставалась замкнутой через якорь. При этом ток в обмотке возбуждения после отключения двигателя уменьшается до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени. Благодаря этому предотвращается индуктирование в обмотке возбуждения большой э. д. с. самоиндукции, которая может повредить изоляцию этой обмотки.

Применяются также несколько видоизмененные по сравнению с рис. 10-2, а схемы пусковых реостатов, без контактной дуги д. Конец цепи возбуждения при этом можно присоединить, например, к контакту 2, и при работе двигателя последовательно с обмоткой возбуждения будут включены последние ступени пускового реостата. Поскольку их сопротивление по сравнению с R_B = r_B + R_{p B} мало, то это не оказывает большого влияния на работу двигателя.

Автоматизировать переключение пускового реостата неудобно. Поэтому в автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рис. 10-2, б), которые поочередно шунтируются контактами Kl, К2, КЗ автоматически работающих контакторов. Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1—2 ступени).

Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.

В этом случае поток возбуждения исчезает не сразу, а поддерживается индуктируемыми в ярме вихревыми токами. Однако этот поток будет быстро уменьшаться и скорость п, согласно выражению (10-7), будет сильно увеличиваться («разнос» двигателя). ° результате ток якоря значительно возрастет и возникнет круговой

огонь, вследствие чего возможно повреждение машины, и поэтому, в частности, в цепях возбуждения не ставят предохранителей и выключателей.

Ограничение пускового тока достигается также в случае питания цепи якоря при пуске от отдельного источника тока с регулируемым напряжением (отдельный генератор постоянного тока, управляемый выпрямитель). Параллельную обмотку возбуждения при этом необходимо питать от другого источника, с полным напряжением, чтобы иметь при пуске полный ток г_в. Этот способ пуска применяют чаще всего для мощных двигателей, притом в сочетании с регулированием скорости вращения (см. § 10-4).

Пуск двигателей последовательного и смешанного возбуждения производится аналогичным образом. Схема пуска двигателя смешанного возбуждения ничем не отличается -от схемы пуска двигателя параллельного возбуждения (рис. 10-2), а схема пуска двигателя последовательного возбуждения упрощается за счет исключения параллельной цепи возбуждения.

Для изменения направления вращения (реверсирования) двигателя необходимо изменить направление тока в якоре (вместе с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой) или в обмотке (обмотках) возбуждения.

§ 10-3. Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателя

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений' (10-7) и (10-9). Возможны три способа регулирования скорости вращения.