Электрические машины МПТ

11

Классификация машин постоянного тока

по способу возбуждения

машины постоянного тока

с независимым возбуждением

с самовозбуждением

С магнито-

С электро-

С парал-

С последо-

Со смешан-

электриче-

магнитным

лельным

вательным

ным

ским

Рис. 2.1.

Двигатели постоянного тока

Пуск в ход двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ), в зависимости от мощности, может быть запущен в ход тремя способами:

1.Прямой пуск – прямое включение в сеть;

2.Реостатный пуск – при помощи реостата, включенного в цепь якоря;

3.Пуск на пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске обмотка якоря сразу включается на полное напряжение сети. Пусковой ток (Iп) определяется напряжением сети (U) и внутренним сопротивлением обмотки якоря (Rя).

Iп =

По мере разгона пусковой ток уменьшается за счет действия противо Э.Д.С., которая возрастает с увеличеним частоты вращения якоря (n).

12

Iп = , где E = Ce ∙ n ∙ Ф

Вдвигателях малой мощности (до 1 кВт) сопротивление якоря велико и пусковой ток может превышать номинальный в 2- 2,5 раза, что вполне допустимо при кратковременном воздействии, поэтому прямой пуск применяется только для этой группы машин.

Вкрупных ДПТ, сопротивление якорных обмоток которых составляет доли Ома, пусковой ток может превышать номинальный в 1050 раз, что совершенно недопустимо для целосности конструкции двигателей и питающей сети.

При реостатном пуске, добавочное сопротивление реостата (Rяд), включается последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.2.) и по мере разгона двигателя, до номинальной частоты вращения, это сопротивление уменьшается до нуля (рис. 2.3.). Перед пуском двигателя его обмотка возбуждения включается на полное номинальное напряжение (если в схеме имеется добавочное сопротивление обмотки возбуждения (Rвд), то оно закорачивается! (рис. 2.2.)). На рис. 2.2., в качестве примера, представлена схема включения ДПТ с параллельным возбуждением.

Iп =

Рис. 2.2. Рис. 2.3.

При пуске на пониженном напряжении используется регулятор напряжения, который изменяет напряжения на обмотке якоря от нуля до номинального значения, по мере разгона двигателя.

Все перечисленные способы пуска широко используются в различных применениях.

13

Регулирование частоты вращения ДПТ и его

механическая характеристика

Преобразуем основное уравнение двигателя

U = E + Iя∙Rя к виду

U = Ce ∙n∙Ф + Iя∙Rя ,

откуда частота вращения двигателя, с учетом добавочного сопротивления в цепи обмотки якоря, имеет вид

n =

Из выражения следует, что регулировать частоту вращения ДПТ можно изменением:

1.напряжения питания двигателя (U);

2.добавочного сопротивления (Rяд) в цепи якоря;

3.магнитного потока (за счет изменения тока в обмотке возбуждения).

Подставив в последнее выражение значение тока Iя = M /Cм ∙Ф, получим уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока

n = ,

где n0 = U/Ce∙Ф - частота вращения идеального холостого хода для момента сопротивления нагрузки М = 0; n = ()∙М/ - изменение частоты вращения, под действием нагрузки и момента сопротивления собственных нужд двигателя.

Исследуем графическую зависимость полученного уравнения на примере

ДПТ с независимым и параллельным возбуждением, т.к. качественно ха-

рактеристики этих двух машин идентичны. Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря и принять Ф = const, то механическая характеристика двигателя примет вид прямой, наклонной к оси абсцисс (рис. 2.4., кривая Rя = 0). Эта механическая характеристика носит название естественной т.к. она снята при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря. Если же в цепь якоря двигателя ввести добавочное сопротивление, то механическая характеристика больше наклонится к оси абсцисс (рис. 2.4., кри-

вые R|яд ≠ 0 и R||яд ≠ 0). Такие механические характеристики носят название

14

искусственных характеристик. Естественная характеристика двигателя является «жесткой», т.к. при изменении момента нагрузки частота вращения изменяется незначительно (на 5- 10%). Искусственные характеристики двигателя более «мягкие».

На вид механической характеристики оказывает влияние величина магнитного потока возбуждения. Так, при уменьшении потока Ф увеличивается частота идеального холостого хода n0 и одновременно повышается n (рис. 2.5.). Это приводит к резкому уменьшению жесткости механической характеристики машины.

Внимание! При большом уменьшении потока возбуждения ток якоря и частота вращения ненагруженного двигателя резко возрастают, увеличивается искрение коллектора и появляется опасность механического повреждения машины! Такой режим работы машины недопустим!

Рис. 2.4.

Рис. 2.5.

Рис. 2.6.

При изменении напряжения на якоре двигателя U изменяется частота n0, а величина n остается постоянной (рис. 2.6.). В этом случае жесткость характеристик не меняется (если не учитывать реакцию якоря), они смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу.

Тормозные режимы работы машины

Электрическое торможение двигателя можно осуществить тремя способами:

1.режимом противовключения;

2.режимом генераторного рекуперативного торможения;

3.режимом генераторного динамического торможения.

Врежиме противовключения (электромагнитного тормоза), при сме-

не полярности напряжения на обмотке якоря, во вращающемся якоре изменя-

15

ется направление тока. Эта операция существенно повышает величину тока в обмотке якоря (направление тока и противо Э.Д.С. совпадают), что приводит к резкому увеличению тормозного момента. Во избежание чрезмерно больших токов, в цепь якоря включают добавочное сопротивление. Механическая характеристика этого режима является продолжением прямой в четвертом квадранте графика (рис. 2.7.).

Рис. 2.7.

Генераторное рекуперативное торможение возникает, если к валу включенного в сеть двигателя приложить момент от внешнего источника энергии, направленный в сторону вращения якоря. Тогда скорость вращения якоря возрастает до n0 и выше. Одновременно с этим возрастает и Э.Д.С. (Е). При E > U ток якоря изменит направление, и машина перейдет в режим генератора, отдавая запасенную энергию в сеть. Механическая характеристика этого режима является продолжением прямой во втором квадранте гра-

фика (рис. 2.7.).

При генераторном динамическом торможении отключают обмотку вращающегося якоря от сети и замыкают еѐ на реостат (сопротивление), при этом цепь обмотки возбуждения остается включенной в сеть. Возникает генераторный тормозной электромагнитный момент, приводящий к снижению частоты вращения якоря машины. Механическая характеристика этого режима находится во втором квадранте графика (рис. 2.7.).

Все виды торможения ДПТ широко используются в различных областях техники (электропоезда, станки, робототехника, электромобили, электронная техника и т.п.).

16

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения

На рис. 2.8. представлена схема включения ДПТ последовательного возбуждения, у которого в цепь якоря включено добавочное сопротивление Rяд.

На рис. 2.9. – его механические характеристики, естественная (Rяд = 0) и искусственная (Rяд ≠ 0).

Рис. 2.8. Рис. 2.9.

Сувеличением момента сопротивления нагрузки ток двигателя увеличивается, возрастает и магнитный поток, что соответственно приводит к снижению частоты вращения якоря. При этом мощность двигателя (P) практически не изменяется (P = M∙n). При снижении нагрузки на валу двигателя его частота вращения резко возрастает (в десятки раз больше номинальной). Поэтому такая машина не может работать в режиме холостого хода! В таком режиме двигатель идет вразнос, что неизбежно приводит к его разрушению!

Вэтой связи ДПТ последовательного возбуждения не могут соединяться с нагрузкой посредством ремѐнной передачи!

Сдвигателями последовательного возбуждения можно осуществлять динамическое торможение и торможение противовключением. Эти машины в основном применяются в качестве тяговых двигателей в транспортных системах.

Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения

Если синтезировать конструкции ДПТ с параллельным и последовательным возбуждением, то получится двигатель со смешанным возбуждением. Обмотки возбуждения такого двигателя можно включать согласно или встречно. При согласном включении магнитные потоки суммируются, при встречном - вычитаются. При фиксированной нагрузке, согласное включение обмоток возбуждения обеспечивает увеличение магнитного потока, что вызывает уменьшение частоты вращения якоря двигателя. При встречном –

17

частота вращения якоря возрастает. На рис. 2.10. 2.11. представлены, соответственно, схема включения двигателя и его механические характеристики для согласного и встречного включения.

Рис. 2.10. Рис. 2.11.

Эти машины широко применяются в качестве тяговых двигателей в транспортных системах, станках, робототехнике, в авиации, в научных установках и т.д.