книги / Электротехнические устройства радиосистем

Если ток возбуждения меньше тока, соответствующе­ го режиму холостого хода генератора (*в<*во), то э. д. с. обмотки якоря будет меньше напряжения сети и ток в якоре изменит направление на обратное (рис. 3-23,6), что видно из выражения (3-18). При изменении направ­ ления тока в проводниках обмотки якоря также изме­ нится направление электромагнитного момента Л4ф, раз­

виваемого машиной, т. е. момент станет вращающим. Таким образом, машина, потребляя электрическую энер­ гию, вырабатывает энергию механическую, т. е. рабо­ тает двигателем.

Если отключить первичный двигатель, то якорь ма­ шины будет продолжать вращаться под действием раз­ виваемого электромагнитного момента Мф. При враще­

нии якоря в проводниках его обмотки создается э. д. с., направление которой противоположно направлению то­ ка. Поэтому ее называют противо-э. д. с. или обратной э. д. с.

Противоэ. д. с. играет роль регулятора потребляемой мощности, т. е. изменение потребляемого тока происхо­ дит вследствие изменения противо-э. д. с., равной

Е = спф.

(3-19)

Вращающий момент, развиваемый двигателем, равен:

м ф= ;м » /а.

(3-20)

В этих выражениях с и k представляют собой по­ стоянные конструктивные коэффициенты.

Приложенное напряжение уравновешено противо- э. д. с. и падением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактов. Поэтому для двигателя уравнение равновесия э. д. с. примет следующий вид:

U — E - \ - I ara,

(3-21)

где Е — составляющая приложенного напряжения, кото­ рая уравновешивает противо-э. д. с.

Ток в обмотке якоря определяется следующим выра­ жением:

/ л = - и<>~ Е ♦

(3-22)

гл.

Из формул (3-19) и (3-21) определяется скорость вращения якоря двигателя следующим выражением:

д =	(3-23)
Условием установившегося режима работы	двигателя яв­

ляется равенство моментов вращающего и тормозного. Если вращающий момент, развиваемый двигателем Мф, уравновешен тормозным на валу Мт, то скорость вращения якоря

остается постоянной. При нарушении равновесия момен­ тов появляется дополнительный момент, создающий по­ ложительное или отрицательное ускорение вращения якоря.

Если увеличить нагрузку (тормозной момент на валу двигателя Мт), то равновесие моментов нарушится (Мф<

< Мт) и скорость вращения якоря начнет уменьшаться.

При уменьшении скорости вращения якоря уменьшается также противо-э. д. с., что вызывает увеличение тока в якоре, а следовательно, и вращающего момента двига­ теля. Изменение скорости вращения, противо-э. д. с. и тока в якоре происходит до восстановления равновесия моментов, т. е. до тех пор, пока вращающий момент не окажется вновь равным тормозному моменту на валу двигателя. В случае, когда равновесие моментов не вос­ станавливается и тормозной момент остается всегда больше момента вращающего (Мт> М ф), скорость вра­

щения уменьшается непрерывно до остановки двига­ теля. Такие случаи могут возникать при больших тор­ мозных моментах на валу и значительных понижениях напряжения сети.

При уменьшении нагрузки на валу двигателя (Мф>

^> М Т) скорость вращения якоря начнет увеличиваться, что

вызывает увеличение противо-э. д. с. в его обмотке. Ток в обмотке якоря начнет уменьшаться, уменьшая вращаю­ щий момент двигателя. Изменение скорости, противо- э. д. с. и тока в якоре будет протекать также до восста­ новления равновесия моментов (Мф= Мт).

Однако в двигателях постоянного тока сравнительно часто создаются условия, при которых равновесие мо­ ментов не восстанавливается при любом изменении ско-

122

рости, так что вращающий момент остается больше тор­ мозного момента на валу двигателя (М > М Т). В таких

случаях скорость вращения якоря непрерывно увеличи­ вается, теоретически стремясь к бесконечности. Значи­ тельное -превышение номинальной скорости может вызвать разрушение машины. Такой аварийный режим называется р а з н о с о м д в и г а т е л я .

Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов'и от направления тока в проводни­ ках обмотки якоря. Для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов, переключив концы обмот­ ки возбуждения, либо изменить направление тока в об­ мотке якоря. Обмотка возбуждения обладает значитель­ ной индуктивностью, и переключение ее нежелательно. Поэтому обычно реверсирование двигателей постоян­ ного тока осуществляется переключением обмотки якоря.

3-10. ПУСК ДВИГАТЕЛЯ п о с т о я н н о г о ТОКА

В начальный момент пуска якорь двигателя неподви­ жен и противо-э. д. с. равна нулю (£ = 0 ). Поэтому при непосред­ ственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет воз­ никать чрезмерно большой ток, равный

/ - J L .

7ПУ2К --- г

'а

Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателей очень малой мощности, у которых падение напря­ жения в якоре представляет относительно большую величину и броски тока не столь велики.

В машинах постоянного тока большой мощности падение на­ пряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет не­

сколько	процентов от номинального напряжения и	пусковой ток
в случае	включения двигателя в сеть с номинальным	напряжением

во много раз превышает номинальный ток. Большой пусковой ток является опасным как для машины, так и для приемника механи­ ческой энергии, находящегося на валу двигателя. При большом токе происходит нагрев обмотки якоря машины и образуется .ин­ тенсивное искрение под щетками, вследствие которого коллектор может выйти из строя. На валу двигателя создаются механические удары, так как при большом токе резко нарастает вращающий мо­ мент до большей величины.

Для ограничения пускового тока используются пусковые рео­ статы, включаемые последовательно с якорем двигателя. Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчи­ тываемые на кратковременный режим работы, и выполняются сту­ пенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессе его пуска.

Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым рео* статом показана на рис. 3-24. Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, # , Ш. Зажим Л пу­

скового реостата соединен с его движком			и подключается к одному
из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я реостата							соединяется
с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря Я. За­
жим Ш реостата соединен с металличе­
ской шиной, помещенной на реостате.
Движок		реостата		скользит по этой шине
так, что между ними имеется непрерыв­
ный	контакт.		К зажиму Ш через регули­
ровочное		сопротивление гр присоединяет­
ся обмотка возбуждения UIi. Зажимы
якоря Яг и обмотки возбуждения Ш2со­
единены		между		собой перемычкой и под­
ключены		ко	второму полюсу рубильни­
ка, включающего двигатель в сеть.
ник	При пуоке в ход включают рубиль­
	и движок			реостата переводят				на
контакт		/,	так		что	последовательно
с якорем будет соединено полное сопро­
тивление пускового реостата ЯР, кото­
рое	выбирается			таким,		чтобы наиболь­
ший ток при пуске в ход /п.макс превы­
шал	номинальный				ток	не	более	чем
в 1,7— 2.5 раза,				т.	е.

				гп-- / и*
				'п.макс
	Если			пусковой	момент		окажется
	больше		тормозного		момента		на	валу
Рис. 3-24. Схема включе­	двигателя			( М Пу с к > М т ) ,		то	якорь ма­
ния двигателя параллель­	шины	придет -во вращение. В силу инер­
ного возбуждения.	ции	скорость вращения				якоря		будет
	постепенно			увеличиваться		по	экспонен­
	циальной		зависимости		(рис. 3-25).			проти-
При увеличении скорости вращения якоря увеличивается

во-э. д. с. и ток в якоре начнет уменьшаться, что вызывает умень­ шение вращающего момента двигателя. Если оставить длительно включенными все сопротивления пускового реостата, то скорость вра­ щения и ток в якоре приняли бы установившиеся значения, пока­ занные на графике пунктиром. Однако в рабочем режиме сопро­ тивление пускового реостата должно быть полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковременный режим работы.

В момент 11 ток в якоре уменьшится до небольшого значения /и.мин и движок пускового реостата переводится на контакт 2. 'При этом сопротивление пускового реостата уменьшится на одну ступень, что вызывает увеличение пускового тока. Сопротивления всех ступе­ ней пускового реостата выбираются так, чтобы при переводе движ­ ка реостата с одного контакта .на другой ток в якоре изменился от AI .MUH ДО /н.макс*

Увеличение тока в якоре вызывает увеличение вращающего мо­ мента, вследствие чего скорость вращения вновь увеличивается С увеличением скорости увеличивается противо-э. д. с., что вызы вает уменьшение тока в якоре. В момент / 2 ток в якоре достигает

вновь наименьшего значения и движок реостата переводится на контакт 3.

Таким образом, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока полностью не будет выведено (дви­ жок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и скорость якоря принимают установившиеся значения, соответствующие .тор­

мозному моменту на					валу
двигателя.				ток		при
Наименьший
пуске в ход зависит от ре­
жима	работы			двигателя.
Если	двигатель			пускается
три	полной		нагрузке,			то
/н.мив« 1 ,1 /* .			При		пуске
двигателя		без	нагрузки			или
при	малых			нагрузках
I н.мин	N-	ступеней			пуско­
Число
вого	реостата			зависит		от
раЗНОСТИ		/ н .м акс— /н.мин»
причем чем меньше разность							Рис. 3-25. Изменение тока в якоре и
этих	токов, тем			больше		чи­	скорости вращения якоря при пуске
сло ступеней. Обычно пуско­							двигателя постоянного тока.
вые	реостаты			имеют		от
двух	до	семи		ступеней.

При пуске двигателя в ход регулировочное сопротивление гр в це­

пи	возбуждения	должно	быть полностью	выведено,	т. е.
ток	возбуждения	должен	быть наибольшим,	что дает	возмож­

ность уменьшить пусковой ток. Для пуска двигателя необходимо

создать пусковой	момент,	больший тормозного		момента на	валу
( М Пу с к > М т ) . Так как М пус к = Л Ф /п у с к ,			то для	уменьшения пуско­
вого тока надо	увеличить	магнитный	поток, т.	е. увеличить	.ток

в обмотке возбуждения.

Металлическая шина пускового реостата имеет соединение с за­ жимом /. Это необходимо для того, чтобы при отключении двига­ теля от сети не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющей значительную индуктивность. При отключении двигателя движок пускового реостата переводится на холостой контакт 0 и рубильник отключается. При этом обмотка возбуждения будет замкнута на сопротивление пускового реостата и обмотки якоря, что дает воз­ можность избежать перенапряжений и дугообразования при отклю­ чении двигателя.

При построении диаграммы изменения тока в якоре в период пуска двигателя пренебрегалось индуктивностью обмотки якоря. В действительности за счет индуктивности ток не может претерпе­ вать мгновенных изменений.

3-11. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависи­

мости скорости вращения п, вращающего момента Мф, пот-

ребляемого тока /, и мощности Р„ к. п. д. т| от полезной мощности на валу А,, т. е.

п

М Ф I 1

Л

•Л

Эти зав'исимости соответствуют естественным усло­ виям работы двигателя, т. е. машина нерегулируема и напряжение сети остается постоянным. Так как при из­ менении полезной мощности Р% (нагрузки на валу) из­ меняется также и ток в якоре машины, то рабочие ха­ рактеристики часто строятся в зависимости от тока в якоре.

Схема двигателя параллельного возбуждения изобра­ жена на рис. 3-24, а его характеристики — на рис. 3-26.

Число оборотов двигателя определяется следующим выражением:

Увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмот­ ки якоря. Так как ток возбуж­ дения остается неизменным (машина нерегулируема), то магнитный поток также оста­ ется постоянным. Однако -при увеличении тока в якоре уве­ личивается размагничивающее действие потока реакции яко­ ря и магнитный поток Ф не­ сколько уменьшится. Увеличе­

Рис. 3-26. Характеристики ние падения напряжения в со­ двигателя параллельного противлении якоря вызывает

возбуждения. уменьшение скорости, а умень­ шение Ф увеличивает скорость.

Обычно падение напряжения влияет на изменение ско­ рости в несколько большей степени, чем реакция яко­ ря, так что с увеличением тока в якоре скорость умень­ шается. Изменение скорости у двигателя этого типа не­ значительно и не превышает 5% 'При изменении нагруз­ ки от нуля до номинальной, т. е. двигатели параллель-

126

него возбуждения имеют жесткую скоростную характе­ ристику.

При неизменном магнитном потоке зависимость мо­ мента от тока в якоре представляется прямой линией. Но за счет реакции якоря с увеличением нагрузки про­ исходит некоторое уменьшение магнитного потока и кри-

Рис. 3-28. Характеристики двигателя последовательно­ го возбуждения.

Рис. 3-27. Схема вклю­	вая момента	отклоняется
чения двигателя после-
довательного возбужде-	вниз от прямой линии.
»ия.	Схема двигателя после­
	довательного	возбуждения

показана на рис. 3-27. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два зажима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь. Характе­ ристики двигателя изображены на рис. 3-28.

Скорость вращения	двигателя	последовательного
возбуждения определяется следующим выражением:
__ U Г.	(га ~Ь гс)	9
	сф

где гс — сопротивление последовательной обмотки воз­ буждения.

В двигателе последовательного возбуждения магнит­ ный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки, что вызывает значительное из­ менение скорости.

Так как падение напряжения в сопротивлении якоря и обмотки возбуждения очень мало в сравнении с при­

ложенным напряжением, to скорость вращения можно приближенно определить следующим выражением:

Если пренебречь насыщением стали, то можно счи­ тать магнитный поток пропорциональным току в обмот­ ке возбуждения, который равен току в якоре, т. е. Ф = с7 п = с7 а, где с' — постоянная величина.

Так как напряжение сети постоянно, то выражению скорости вращения можно придать следующий вид:

п = - С ,	(3-24)
'а

где постоянная c"='Uclcc'

Это выражение показывает, что у двигателя последо­ вательного возбуждения скорость вращения резко умень­ шается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристику, близкую к гипербо­ ле. С уменьшением нагрузки скорость двигателя увели­ чивается. При холостом ходе (/а^ 0 ) скорость двигателя резко возрастает, т. е. двигатель идет вразнос.

Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопусти­ мость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет минимально допу­ стимую нагрузку, составляющую 25—30% номинальной. Поэтому в случаях, когда возможны сбросы или резкие уменьшения нагрузок, использование двигателей после­ довательного возбуждения недопустимо.

В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает разноса, так как механические потери дви­ гателя будут являться достаточно большой нагрузкой для него.

Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре ( Ф ^ /а), можно определить следующим выражением:

где kr — kcf,

т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока и зависимость момента представится параболой. Однако при больших токах сказывается насыщение стали и за­ висимость момента приближается к прямой линии. т а.

128

ким образом, двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты при малых оборотах, что имеет существенное значение при пуске больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели широко используются для привода подъемно-трапспортных устройств.

При смешанном возбуждении возможно как соглас­ ное, так и встречное включение обмоток возбуждения.

Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого применения, так как они обладают пло­ хими пусковыми свойствами и работают неустойчиво.

Скоростные характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного и последо­ вательного возбуждения.

С увеличением тока в якоре скорость вращения якоря уменьшается в большей мере, чем для двигателей параллельного возбуждения, за счет увеличения магнит­ ного потока, вызываемого увеличением тока в последо­ вательной обмотке возбуждения. При холостом ходе двигатель смешанного возбуждения не идет вразнос, так как магнитный поток не уменьшается <в большой сте­ пени за счет наличия параллельной обмотки возбужде­ ния.

При увеличении нагрузки в двигателях смешанного возбуждения происходит увеличение магнитного потока и вращающий момент возрастает в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, но в меньшей мере, чем в двигателях последовательного возбуждения.

13-12. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Так как скорость вращения якоря двигателя постоянного тока зависит от напряжения сети, сопротив­ ления цепи якоря и магнитного потока, то регулирование скорости вращения двигателя осуществляется измене­ нием любой из этих трех величин.

Регулирование скорости вращения изменением на­ пряжения сети возможно в случае, когда двигатель включен в сеть автономного источника электрической энергии.

Для регулирования скорости вращения двигателя из­ менением сопротивления цепи якоря используется регу­ лировочный реостат, включаемый последовательно с яко-

9—1468

129