Работа машины постоянного тока в режиме двигателя
Электродвигатели
преобразуют электрическую энергию в
механическую, поэтому двигателю
необходимо сообщить электрическую
энергию. Для этого обмотку якоря включают
в сеть постоянного тока. Кроме того,
нужно создать магнитное поле. Для этого
по обмотке возбуждения пропускают
постоянный ток. Ток якоря взаимодействует
с магнитным полем возбуждения, возникают
электромагнитные силы и момент
,
который приводит якорь во вращение с
частотой
об/мин. Величина момента пропорциональна
магнитному потоку и току
.
При вращении якоря
в магнитном поле в его обмотке наводится
ЭДС
.
Эта ЭДС направлена встречно току якоря (против приложенного к двигателю напряжения). Поэтому ее часто называют противо-ЭДС. Напряжение , подведенное к цепи якоря двигателя, уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения на сопротивлении цепи якоря
.
(4)
В двигателях средней мощности при номинальной нагрузке составляет 90– 95 % от , а падение напряжения – соответственно 10 – 5 %.
Из уравнения (4) можно определить ток якоря
.
(5)
Рассмотрим процесс
пуска в ход двигателей постоянного
тока. В момент включения двигателя в
сеть якорь неподвижен (
),
следовательно, противо-ЭДС обмотки
равна нулю (
).
С учетом этого величина начального
пускового тока
,
согласно выражению (5), определится как
.
Обычно сопротивление невелико (у двигателей средней мощности 10-200 кВт оно имеет величину порядка десятых-сотых долей Ома), поэтому величина может в 10-20 раз превышать номинальный ток двигателя.
Для ограничения
пускового тока и обеспечения плавности
пуска двигателя применяют пусковой
реостат
,
включаемый последовательно с обмоткой
якоря (рис.7). В начальный момент пуска
пусковой реостат вводят полностью.
Затем, по мере нарастания скорости
вращения якоря, а следовательно, и
противо-ЭДС, ток якоря, согласно
соотношению (5), начнет уменьшаться.
Поэтому по окончании пуска реостат
полностью выводят (пусковые реостаты
обычно рассчитывают на кратковременную
работу).
Из формулы (1)
следует, что при пуске необходимый
момент может быть создан лишь при
значительном магнитном потоке, а значит
и значительном токе возбуждения, что
достигается выведением реостата
(см. рис.7).
Различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
Двигатель параллельного возбуждения
В двигателе
параллельного возбуждения обмотку
возбуждения включают параллельно
обмотке якоря (см. рис. 7). Величина тока
в обмотке возбуждения
меньше тока якоря
и составляет 2 – 5% от
.
Эксплуатационные свойства двигателей оцениваются рабочими, механическими и регулировочными характеристиками.
Рис. 7
На рис. 8 показаны
рабочие характеристики двигателя
параллельного возбуждения: зависимость
частоты вращения
,
величины тока якоря
,
вращающего момента
,
коэффициента полезного действия
и потребляемой из сети мощности
от
полезной мощности
при неизменных напряжении
и токе возбуждения
.
Рис. 8
Механическая
характеристика двигателя представляет
собой зависимость частоты вращения
якоря от момента на валу при неизменных
напряжении и сопротивлении цепи
возбуждения
.
Она показывает влияние механической
нагрузки на валу двигателя на частоту
вращения, что особенно важно знать при
выборе и эксплуатации двигателей.
Механические характеристики могут быть
естественными и искусственными.
Характеристика двигателя при номинальных
,
и сопротивлении
называется естественной. Подставив в
уравнение (4) выражение для противо-ЭДС,
получим формулу для частоты вращения
двигателя
.
(6)
Заменяя ток якоря его значением из формулы (1), получим уравнение механической характеристики:
,
где
– частота вращения при идеальном
холостом ходе (
);
– изменение частоты
вращения, вызванное действием нагрузки.
Так как у двигателей постоянного тока сопротивление обмотки якоря мало, то с увеличением нагрузки на валу частота вращения n изменяется незначительно. Характеристики подобного типа называются жесткими.
Если пренебречь
размагничивающим действием реакции
якоря и принять
,
то естественная механическая характеристика
двигателя параллельного возбуждения
имеет вид прямой, слабо наклонной к оси
абсцисс (рис.9, прямая 1).
Если в цепь якоря
двигателя ввести пускорегулировочный
реостат
,
то зависимость
будет определяться выражением
.
(7)
Ч
астота
вращения при идеальном холостом ходе
остается неизменной, а изменение частоты
вращения
увели-чивается, и угол наклона механической
характеристики к оси абсцисс возрастает
(рис. 9, прямая 2). Полученная таким образом
механическая характеристика называется
искусственной.
Принудительное изменение частоты вращения двигателя при постоянном моменте нагрузки на валу называется регулированием. Рис. 9
Регулирование частоты вращения в двигателях параллельного возбуждения возможно двумя способами: изменением магнитного потока и изменением сопротивления в цепи якоря.
Р
егулирование
частоты вращения изменением сопротивления
в цепи якоря осуществляется при помощи
пуско-регулировочного реостата
.
При увеличении сопротивления
частота вращения уменьшается по формуле
(7). Этот способ неэкономичен, так как
сопровождается значительными потерями
на нагрев реостата.
Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока осуществ-ляется посредством реостата , включен-ного в обмотку возбуждения (см. рис. 7). Рис. 10
При увеличении уменьшается ток в обмотке возбуждения , уменьшается магнитный поток , что вызывает увеличение частоты вращения, см. формулу (8).
При малых значениях
тока возбуждения, а тем более при обрыве
цепи возбуждения (
),
то есть при незначительном магнитном
потоке
,
частота вращения резко увеличивается,
что ведет к «разносу» двигателя и к его
механическому разрушению. Поэтому очень
важно следить за тем, чтобы все
электрические соединения в цепи
возбуждения были надежны.
Зависимость частоты вращения от тока возбуждения называется регулировочной характеристикой двигателя (см. рис. 10).
Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока очень экономично, но не всегда приемлемо, так как при изменении значительно меняется жесткость механических характеристик.
Двигатели параллельного возбуждения благодаря линейности и «жесткости» механических характеристик, а также возможности плавного регулирования скорости вращения в широких пределах, получили распространение как в силовом электроприводе (для механизмов и станков), так и в системах автоматического управления.