Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (6) и (7) при U=constиi_B=const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

(6)

(7)

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_aпотокФ_δнесколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скоростьn, согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряженияR_aI_aвызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8;1— при преобладании влияния R_aI_a;2— при взаимной компенсации влияния R_aI_aи уменьшения;3— при преобладании влияния уменьшенияФ_δ.

Ввиду того что изменение Ф_δотносительно мало, механические характеристикиn=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (7), приU=constиi_B==constсовпадают по виду с характеристикамиn=f(I_a) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1(рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида1(рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δпод воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения.

Изменение скорости вращения Δ_n(рис. 8) при переходе от холостого хода (I_a =I_a0) к номинальной нагрузке (I_a=I_aн) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% отn_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя па­раллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_{p в} (см. рис. 11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_pa= 0) и U = const характеристики n =f(I_a) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных значений R_р.в. ,I_B или Ф_δ имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(I_a) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_a, который равен

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку. Значения nпри установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривойМ_ст=f(п)для рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

Точка холостого хода двигателя (М = М₀,I_a = I_a0) лежит несколько правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращенияnвследствие увеличения механических потерьМ₀иI₀₀также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращенияn, тоЕ_а=c_eФ_δт будет увеличиваться, аI_аиМбудут, согласно равенствам

и

уменьшаться. При I_а = 0иМ. =0механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скоростиIаиМ изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Рис. 9. Механические и ско­ростные характеристики двига­теля параллельного возбужде­ния при разных потоках воз­буждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_pa(рис. 10, а), то вместо выражений (6) -и (7) получим

(8)

(9)

Сопротивление R_pa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M)иn=f(I_a)для различных значенийR_pa=constприU=constиi_B=constизображены на рис. 10, б (R_pa1 < R_pa2< R_pa3)- Верхняя характеристика (R_pa= 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точкес

и

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0, э.д.с.Е_аимеет противоположный знак и складывается с напряжением сетиU, вследствие чего

а момент двигателя М действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (I_a = I_a0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режимI_a=0, а затемI_a изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси ординат).

Как видно из рис. 10, б, при включении R_paхарактеристики становятся менее жесткими, а при больших величинахR_pa — круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления M_ст=f(n)имеет вид, изображенный на рис. 10, б штриховой линией, то значенияnпри установившемся режиме работы для каждого значенияR_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем большеR_pa, тем меньшеnи ниже к. п. д.

Рабочие характеристикипредставляют собой зависимости потребляемой мощностиР₁ потребляемого токаI, скоростиn, моментаМи к. п. д.η] от полезной мощностиР₂, приU = constи неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис. 11.

Одновременно с увеличением мощности на валуР₂ растет и момент на валуМ.Поскольку с увеличениемР₂иМскоростьnнесколько уменьшается, тоМ = Р₂/прастет несколько быстрееР₂. УвеличениеР₂иМ, естественно, сопровождается увеличением тока двигателяI. ПропорциональноIрастет также потребляемая из сети мощностьР₁. При холостом ходе (Р₂ = 0) к. п. д.η= 0, затем с увеличениемР₂сначалаη| быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоряη снова начинает уменьшаться.

Рис. 11. Рабочие характеристики

двигателя параллельного возбуждения

Р_Н = 10 квт, U_Н = 220 в, п_Н = 950 об/мин