Характеристики двигателей постоянного тока

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2,а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат RpB, а в цепь якоря—пусковой реостат Rn. Характерная особенность двигателя— его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря.

1а (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии, согласно E=ceФn и M=cMФIa, получаем, что зависимости M=f (Ia) и n = f (la) (моментная и скоростная характеристики) линейные (рис. 2,б). Следовательно, линейная и механическая характеристика двигателя n = f (M) (рис. 3,а).

Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат Rn, то п = [U-Iа (УRа + RП)]/(сеФ) = п0-Дп, (1).

по=U/(сеФ).

— частота вращения при холостом ходе;

Дп = (УRа + Rп)1а/(сеФ).

— снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Дn, зависящая от суммы сопротивлений УRа+RП, определяет наклон скоростной n = f (Iа) и механической n = f (M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления Rn указанные характеристики жесткие (естественные характеристики 1 на рис. 2,б и 3, а).

При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата Rnl, Rn2 и Rn3. Чем больше сопротивление Rn, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ц при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения з возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели большой и средней мощностей с параллельным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе Iном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат Rp. B позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. При этом изменяется и частота вращения п. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и может возникнуть искрение щеток.

Рабочие характеристики рассматриваемого двигателя (рис. 3,б) представляют собой зависимости потребляемой мощности С1, тока ЙбIн, частоты вращения n, момента М и КПД з от отдаваемой мощности Р2 на валу двигателя при U=const и IB = const. Характеристики n = f (Р2) и М = f (Р2) являются линейными, а зависимости Сй = f (С2), Ia = f (P2) и з = f (P2) имеют характер общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря 1а.

Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря 1а.

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 4,а) ток возбуждения Iв = Iа, поэтому.

магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря 1а. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При IаIНОМ) можно считать, что Фconst. В соответствии с этим изменяются зависимости.

n = f (Ia) и M = f (Ia).

При /а<(0,8…0,9)/ном скоростная характеристика двигателя n = f (la) (рис. 4,б) имеет форму гиперболы, так как частота вращения.

где С1 и С2 — постоянные.

При 1а > Iном скоростная характеристика становится линейной, так как частота вращения.

где С'1 и С'2 — постоянные.

Аналогично можно получить зависимость электромагнитного момента от тока якоря M=f (la). При Iа<(0,8…0,9)Iн* *Iном моментная характеристика M=f (Ia) имеет форму параболы (рис. 4,б), так как электромагнитный момент М=смФIа = смкф12а = С312а, (4).

где С3 — постоянная.

При Ia>IHOM моментная характеристика линейная, так как.

М=смФ1а = С'31а, (5).

где С’з — постоянная.

Механические характеристики n = f (M) (рис. 5,а) можно построить на основании зависимостей n = f (la) и М= f (la). При Iа<(0,8…0,9)Iном частота вращения изменяется по закону.

где С4 — постоянная.

При Ia>Iном зависимость n = f (M) становится линейной.

Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями Rnl9 Rn2 и Rn3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше Rn, тем ниже располагается характеристика.

Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением приведены на рис. 5,б. Зависимости n = f (P2), M=f (P2) являются нелинейными; зависимости P1 = f (P2)' Ia = f (P2) и з = f (P2) имеют примерно такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Из рассмотрения рис. 5,а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения п резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет «в разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2…0,25)IНОМ; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы.

в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко; применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением.

Мощность Р1 и ток 1а у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением; кроме того, они лучше переносят перегрузки. Двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент.

На рис. 6 показаны для сравнения характеристики двигателей с последовательным (индексы «1») и параллельным (индексы «2») возбуждением.

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 7,а) магнитный поток Ц создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — паралельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. 7, б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения п0 может быть ограничена на допустимом уровне.

Рис. 7 Схема двигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)