Построение статистических характеристик двигателя постоянного тока. 
Режимы работы

Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 2.6, а. На рис. 2.6 приняты обозначения: I и IВ — токи якоря и обмотки возбуждения ОВ; ЕЭДС якоря; и М-скорость и момент двигателя; Rв и Rд — соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать); - полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоря rо, я, дополнительных полюсов rд, п, компенсационной rк, о и щеточного контактаrщ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения, хотя во многих случаях используется только один источник.

Рис. 2.6 Схема включения (а) и характеристики ДПТ НВ (б)

Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде.

(2.1).

(2.2).

М=kФФ. (2.3).

где — полное сопротивление цепи якоря, Ом;

Ф — магнитный поток ДПТ, Вб; - угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с; k=рN/(2а) — конструктивный коэффициент ДПТ; р — число пар полюсов; N — число активных проводников обмотки якоря; а — число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставляя (2.2) в (2.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ.

(2.4).

Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (2.4) заменой в нем тока на момент по выражению (2.3).

(2.5).

В соответствии с (2.4) и (2.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (2.4) и (2.5) представляются в следующей форме записи:

(2.6).

где — скорость идеального холостого хода двигателя,.

; (2.6, а).

— перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода,.

.

На рис. 2.6, б показаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряжения U, причем поскольку kФ=const, то М~I и характеристики представлены совмещенными линиями.

На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (2.4) и (2.5) при U=0.

; (2.7).

(2.8).

Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 2.7. Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети.

Полученные выражения (2.4) и (2.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря Rд, магнитного потока Ф и напряжения U, подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются Энергетический режим работы двигателя зависит от механических М, и электрических Е, I координат двигателя, определяющих его механическую и электромагнитную мощности.

Рис. 2.7 Схема динамического торможения ДПТ независимого возбуждения

В табл. 2.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов — двигательного и генераторного и двух граничных режимов — холостого хода и короткого замыкания.

Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента — нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания — равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.

Основываясь на данных табл. 2.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 2.6, б при положительной полярности U.

1. Режим холостого хода имеет место в точке А, где I=0, М=0, =0 и E=U=kФ0. Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 2.8, а.

Таблица 2.1.

2. Двигательный режим имеет место на участке I при 0<<0, т. е. в первом квадранте, где и М совпадают по направлению. В этом режиме |Е| <|U|, ток I=(U-E)/R совпадает по направлению с U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия ЭЭ (рис. 2.8, б) поступает из сети, а механическая энергия МЭ отдается с вала ДПТ.

Рис. 2.8. Энергетические режимы ДПТ независимого возбуждения: а — холостой ход; б — двигательный; в — генераторный параллельно с сетью; г — короткое замыкание; д — генераторный последовательно с сетью; е — генераторный независимо от сети

• 3. Генераторный режим работы ДПТ параллельно с сетью, или режим рекуперативного торможения, имеет место на участке II. На участке II >0, поэтому ЭДС становится больше напряжения сети, ток и момент изменяют свое направление на противоположное. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (рис. 2.8, в).
• 4. Режим короткого замыкания наступает при =0, E=0. В этом режиме согласно (3.1) I= Iк, з =U/R, электрическая энергия ЭЭ (рис. 2.8, г), поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как =0.
• 5. Режим генератора последовательно с сетью, или режим торможения противовключением, наступает при <0 (участок III характеристики). За счет изменения направления скорости изменяется направление ЭДС, которая теперь совпадает по направлению с напряжением сети. Двигатель оказывается включенным последовательно с сетью, ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е.. В результате этого электрическая энергия поступает из сети (рис. 2.8, д) и вырабатывается самим ДПТ за счет поступающей на его вал механической энергии. Электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. По этой причине рассматриваемый режим в тепловом отношении является для ДПТ наиболее трудным, так как связано необходимостью рассеивания в виде тепла значительного количества энергии.
• 6. Режим генератора независимо от сети, или режим динамического торможения, имеет место при отключении якорной цепи ДПТ от сети и закорачивании ее на добавочный резистор или накоротко (отметим, что закорачивание накоротко якоря электрической машины не означает для нее режима короткого замыкания). Ток в якоре протекает под действием ЭДС и совпадает с ней по направлению, электрическая энергия ЭЭ (см. рис. 2.8, е), вырабатываемая за счет механической энергии, поступающей с вала, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи.
• 31. Схема включения, статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Схема включения ДПТ последовательного возбуждения приведена на рис. 2.9, а. На этой схеме приняты те же обозначения, что и на схеме включения ДПТ независимого возбуждения (см. рис. 2.6, a).

Основной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является включение его обмотки возбуждения OB последовательно с обмоткой якоря, вследствие чего ток якоря одновременно является и током возбуждения.

ри получении выражений для статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения используем те же допущения, что и для ДПТ независимого возбуждения, и исходные формулы (2.1)-(2.3), в которых принято R=Rя+Rо, в+Rд. Согласно (2.1)-(2.3) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ последовательного возбуждения выражаются формулами.

(2.9).

(2.10).

Магнитный поток Ф и ток I якоря связаны между собой кривой намагничивания, которая показана на рис. 2.9, б сплошной линией. В общем случае эта кривая не имеет точного аналитического выражения, поэтому нельзя получить и точных выражений для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. Тем не менее можно представить эту кривую с помощью какого-либо приближенного аналитического выражения, что позволит проанализировать вид характеристик ДПТ последовательного возбуждения.

В простейшем случае можно представить кривую намагничивания прямой линией, как это показано штриховой линией на рис. 2.9, б. Такая аппроксимация означает пренебрежение насыщением магнитной системы ДПТ последовательного возбуждения и позволяет выразить зависимость потока от тока следующим образом:

(2.11).

где? = tg? (см рис. 2.9, б).

При принятой аппроксимации момент ДПТ является квадратичной функцией тока.

(2.12).

Подстановка (2.11) в (2.9) приводит к следующему выражению для электромеханической характеристики ДПТ последовательного возбуждения:

(2.13).

Если теперь в (2.13) с помощью выражения (2.12) выразить ток через момент, то получится следующее выражение для механической характеристики;

(2.14).

Для графического изображения характеристик ДПТ последовательного возбуждения отметим следующие положения, вытекающие из анализа выражений (2.13) и (2.14):

• 1. При I?0, M?0 ??, т. е. ось скорости является вертикальной асимптотой для характеристик ДПТ последовательного возбуждения.
• 2. При I??, М? ?-R/(k?), т. е. прямая с ординатой =-R/(k?) является горизонтальной асимптотой характеристик ДПТ.
• 3. Зависимости (I) и (М) имеют гиперболический характер. Выполненный анализ позволяет представить характеристики ДПТ в виде кривых, показанных на рис. 2.10. Рассмотрим с их помощью энергетические режимы работы ДПТ последовательного возбуждения

Особенностью такого ДПТ является отсутствие у него генераторного режима работы параллельно с сетью (режима рекуперативного торможения). Характеристики ДПТ не пересекают ось скорости и не переходят во второй квадрант. Для ДПТ последовательного возбуждения не может быть однозначно определена скорость идеального холостого хода 0, так как теоретически при I?0, М?0 Ф?0 и 0??. Отметим, что из-за наличия потока остаточного намагничивания Фост практически такая скорость может существовать. В этом случае она определяется выражением.

(2.15).

Остальные режимы работы ДПТ последовательного возбуждения аналогичны режимам работы ДПТ независимого возбуждения, а именно: двигательный режим, имеющий место при 0<

Регулирование координат ДПТ последовательного возбуждения может осуществляться теми же способами, что и ДПТ независимого возбуждения, — путем изменения сопротивления добавочного резистора Rд в цепи якоря, магнитного потока Ф, подводимого к ДПТ напряжения U. Кроме этих основных способов, практическое распространение получили импульсные способы, а также регулирование в схеме с шунтированием якоря.

Полученные выражения (2.13) и (2.14) дают лишь общее представление о характеристиках ДПТ последовательного возбуждения и не могут быть использованы для инженерных расчетов. Причина этого заключается в принятой линейной аппроксимации кривой намагничивания, в то время как выпускаемые промышленностью ДПТ последовательного возбуждения работают на колене кривой намагничивания или даже в области насыщения магнитной системы.

Рис. 2.10. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Для получения реальных естественных характеристик ДПТ последовательного возбуждения в практических расчетах используются так называемые универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения. Эти характеристики представляют собой зависимости относительных значений скорости ДПТ *=/ном и момента M=M/Mном от относительного тока I*=I/Iном. Универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения приведены на рис. 2.11.