4.3.6. Двигуни постійного струму

Рис. 4.67. Електрична схема двигуна з незалежним (а), паралельним (б), послідовним (в) та мішаним (г) збудженням

Раніше було вказано, що залежно від способу включення між собою обмотки якоря і обмотки збудження ДПС (рис. 4.67) поділяють на: з незалежним, паралельним, послідовним і мішаним збудженням. Більшість експлуатаційних особливостей ДПС залежить від того постійним чи змінним є потік збудження при роботі машини. Разом з тим, незалежно від способу збудження всі ці двигуни мають і спільні властивості. Сюди можна віднести процеси, які відбуваються при пуску, реверсі, регулюванні частоти обертання якоря і гальмуванні двигунів, а також властивості двигунів що до саморегулювання обертового електромагнітного моменту.

4.3.6.1. Спільні властивості двигунів постійного струму.

Пуск ДПС малої потужності (до 1 кВт) як правило здійснюють без прийняття спеціальних заходів. У більш потужних двигунів, так званий прямий пуск, супроводжується неприпустимо великим струмом якоря і різким поштовхом моменту на валу машини. Це пояснюється тим, що при вмиканні двигуна на номінальну напругу U_н проти-ЕРС у обмотці нерухомого якоря дорівнює нулю (Е = с_еФn_я = 0 при n_я = 0) і пусковий струм _п обмежується тільки малим внутрішнім опором R_я якоря:

.

Такий великий струм викликає небезпечне іскріння на колекторі і вельми великий пусковий момент:

.

Щоб цього уникнути пуск ДПС звичайно здійснюють з використанням пускового реостату R_п (рис. 4.67), якій обмежує стрибок струму до короткочасно припустимого значення за рахунок зменшення напруги живлення двигуна:

.

У загальному випадку процес пуску (стрибок струму) може тривати від часток секунди до десятків секунд. Далі, по мірі розгону двигуна збільшується ЕРС і, отже, зменшується струм якірної обмотки:

.

Після розгону двигуна пусковий реостат вручну або автоматично повністю виводять і тим самим збільшують напругу на якірній обмотці до номінального значення.

Наголосимо, що серед всіх видів електричних двигунів ДПС мають найкращі пускові властивості. Адже вони при відносно не великому пусковому струмі (2...2,5)_н здатні створювати достатньо великий пусковий момент М_п = (2,5...4)М_н.

Якщо напрям обертання якоря з будь-яких причин потрібно змінити на протилежний, то для цього слід змінити напрям дії обертаючого моменту.

З рівняння обертаючого електромагнітного моменту (М_ем = с_мФ_я) випливає, що це можна зробити шляхом зміни напрямку дії струму в обмотці якоря _я, або змінивши на протилежний напрямок магнітного потоку Ф головних полюсів (напрямок дії струму _зб в обмотці збудження) двигуна. На практиці реверс ДПС переважно здійснюють за рахунок зміни напрямку дії _я, оскільки зміна напрямку дії _зб призводить до перемагнічування полюсів і отже зайвих втрат енергії.

Звертаємо увагу, що одночасна зміна напрямків струмів _я і _зб не призводить до зміни напрямку дії обертаючого моменту і, отже реверсування двигуна. Далі буде показано, що ця особливість ДПС використовується в так званих колекторних двигунах змінного струму (див. розділ 4.3.7).

При роботі під навантаженням будь-який за способом збудження ДПС, здатен автоматично розвивати обертовий електромагнітний момент рівний гальмуючому моменту з боку робочої машини. Іншими словами, ДПС здатні до саморегулювання.

Так, при збільшенні навантаження з боку робочої машини, коли обертовий електромагнітний момент двигуна стає меншим за гальмуючий М_г, частота обертання якоря дещо зменшується. Зменшення n_я автоматично викликає зменшення ЕРС якірної обмотки Е = с_еФn_я і, відповідно, збільшення струму якоря _я = (U – E)/R_я. Струм якоря збільшується до значення при якому електромагнітний момент двигуна буде дорівнювати новому гальмуючому моменту з боку робочої машини М_ем = с_мФ_я = М_г.

При зменшенні навантаження з боку робочої машини відбувається зворотне. У перший момент часу, коли М_ем > М_г частота обертання якоря двигуна дещо збільшується, що призводить до збільшення ЕРС і зменшення струму якоря.

Таким чином, кожному рівню статичного навантаження на валу нерегульованого ДПС відповідає певна електрична потужність Р₁ = U_я двигуна і частота обертання його якоря.

Можливі способи регулювання n_я ДПС випливають із результатів аналізу формули, одержаної шляхом підстановки Е = с_еФn_я у рівняння розрахунку струму _я = (U – E)/R_я двигуна:

.

Як бачимо, регулювання n_я ДПС можна здійснювати шляхом зміни напруги живлення U обмотки якоря (якірне регулювання), опору кола якоря за рахунок включення туди регулювального реостату (R_я + R_д)_я (реостатне регулювання) та магнітного потоку Ф головних полюсів (полюсне регулювання).

Якірне регулювання може буди здійснено тільки шляхом зменшення напруги живлення двигуна по відношення до номінального значення. Оскільки меншому значенню напруги живлення відповідає менша потужність двигуна, то цей спосіб достатньо рідко застосовують для регулювання частоти обертання силових ДПС. Крім того, зміна напруги живлення тільки якірної обмотки, без перекомутації обмотки збудження, може бути здійснена виключно в двигунах із незалежним збудженням.

Прикладом схеми реостатного регулювання може слугувати будь яка із схем наведених на рис. 4.67, при умові заміни пускового реостату R_п на регулювальний R_д. Цей спосіб дає можливість регулювати частоту обертання двигуна в досить широких межах, але він є не вигідний через великі втрати енергії в реостаті і зменшення ККД двигуна.

В окремих електротранспортних засобах, де одночасно працюють декілька тягових двигунів, швидкість обертання регулюють реостатами R_д і зміною електричної схеми з’єднання двигунів (рис. 4.68). При цьому “грубе” збільшення обертів здійснюють змінюючи за допомогою спеціального перемикача-контролера, послідовне з’єднання на паралельне. При послідовному ввімкненні двох двигунів кожен з них працює при напрузі U_д меншої за 0,5U_н, при паралельному – при U_д > 0,5U_н. Точне регулювання обертів здійснюють реостатом R_д.

Н

Рис. 4.68. Послідовне (а) та паралельне (б) ввімкнення тягових двигунів

айбільш поширеним у промисловості є регулювання швидкості обертання двигуна зміною магнітного потоку. На практиці це роблять за допомогою регулювального реостату R_рег, ввімкненого у коло обмотки збудження двигуна (рис. 4.67). В двигунах із незалежним, паралельним і мішаним збудженням регулювальний реостат вмикають послідовно з обмоткою збудження. Враховуючи відносно малий струм збудження цих машин втрати енергії у регулювальному реостаті малі. Із збільшенням опору R_рег, зменшується струм _зб, відповідно зменшується магнітний потік полюсів і, отже збільшуються оберти якоря. В серієсних двигунах, регулювальний реостат вмикають паралельно з обмоткою збудження. Із збільшенням опору паралельної вітки (реостату R_рег) струм в обмотці збудження збільшується і, отже, оберти двигуна зменшуються.

Зазначимо, що полюсне регулювання може бути реалізоване і без використання регулювального реостата ввімкненого у коло обмотки збудження двигуна. В ряді конструкцій двигунів, зокрема серієсних, для стрибкоподібного регулювання обертів у обмеженому діапазоні від обмотки збудження роблять декілька додаткових виводів (рис. 4.69).

Гальмування ДПС здійснюють механічним і електричними способами.

Механічне є простішим і найбільш поширеним способом гальмування електричних двигунів, у тому числі і ДПС. За цим способом, після відключення живлення двигуна, до деякої обертової частини приводу або робочої машини, притискають, наприклад, спеціальні гальмуючі колодки.

Рис. 4.69. До стрибкоподібного регулювання частоти обертання серієсного двигуна

Електричне гальмування застосовують для швидкої зупинки ДПС. Принципово, реалізація цього способу зводиться до переводу двигуна у режим, при якому електромагнітний момент машини стає гальмівним. Розрізняють три види електричного гальмування: динамічне, противмиканням і рекуперативне.

Спосіб динамічного гальмування є достатньо простим і надійним у реалізації. Оскільки він дозволяє здійснювати і плавну зупинку двигуна, то широко використовується на практиці. При динамічному гальмуванні обмотку якоря ДПС відключають від джерела живлення і замикають на реостат. Оскільки коло обмотки збудження при цьому залишається ввімкненим у мережу, то ДПС фактично “перетворюється” у генератор із незалежним збудженням. За таких умов швидкість зупинки якоря машини визначається опором (швидкістю зменшення опору) навантажувального реостату.

Для реалізації гальмування противмиканням змінюють напрямок дії струму або у колі обмотки якоря або у колі обмотки збудження (здійснюють реверс) після чого швидко вимикають живлення двигуна. Оскільки при зміні напрямку дії струму тільки в одній з обмоток ЕРС машини і напруга джерела додаються, то для обмеження _я при гальмуванні противмиканням у коло обмотки якоря звичайно вмикають додатковий резистор. Зазначимо, що цей спосіб гальмування супроводжується великими втратами енергії і не передбачає плавної зупинки двигуна. Його не бажано використовувати для зупинки двигуна приводу інерційної робочої машини, оскільки при цьому може зазнати пошкоджень передаючій пристрій (муфта, передача і таке інше) приводу і навіть вал двигуна.

Рекуперативне гальмування ДПС на промислових підприємствах практично не застосовують. Цей спосіб передбачає повернення енергії у мережу живлення і може бути реалізований за умови, що ЕРС якоря перебільшує напругу мережі. Таке має місце, наприклад, коли на вал двигуна прикладений додатковий механічний момент, який співпадає за напрямком дії з електромагнітним моментом МПС. Зазначимо, що застосування способу рекуперативного гальмування не дає можливості здійснювати повну зупинку двигуна, а дозволяє тільки обмежити частоту обертання якоря. Цей спосіб використовують для гальмування руху тролейбусів на трасі Сімферополь – Ялта під час спуску з перевалу.