Механические характеристики ЭД постоянного тока независимого возбуждения

Электрический двигатель, в отличие от двигателей других типов, способен сам автоматически разгоняться до скорости установившегося режима работы, снижать скорость при увеличении момента сопротивления и из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью, увеличивать скорость при уменьшении момента сопротивления и переходить из установившегося режима с меньшей скоростью к установившемуся режиму с большей скоростью. Эта особенность электрического двигателя объясняется тем, что между скоростью вращения и вращающим моментом двигателя существует зависимость щ=f (М), в соответствии с которой с увеличением момента скорость уменьшается и наоборот. Называют эту зависимость механической характеристикой двигателя.

С помощью механической характеристики можно определить основные свойства электрического двигателя и проверить их соответствие требованиям технологической машины.

Оси абсцисс и ординат, по которым откладываются соответственно величины М и щ, разделяют плоскость на четыре квадрата. Первый номер принято присваивать верхнему правому квадрату, а остальные нумеровать против часовой стрелки.

В первом квадранте знаки М и щ, а значит и направление величин, совпадает. Поэтому в нём располагаются механические характеристики для двигательного режима работы электрической машины. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в третьем квадранте, так как знаки М и щ отрицательны.

Во втором квадранте скорость щ положительна, а момент М имеет отрицательный знак. Поэтому в нём располагаются механические характеристики, соответствующие режиму электрического торможения, когда под действием инерционных сил направление вращения сохраняется, а направление момента за счёт изменения схемы включения двигателя изменяется на противоположное. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в четвёртом квадранте, так как в нём щ имеет отрицательный знак, а М — положительный.

Схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением приведена на рис. 2.1.

Якорь двигателя и обмотка возбуждения LM получает питание от независимых источников напряжения U и Uв. Поэтому ток в обмотке возбуждения Ів не зависит от тока якоря Ія. Мощность источника Uв не превышает 15% от мощности источника U.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению к направлению U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

.

где щ — угловая скорость двигателя;

Рис. 2.1 — Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Фпоток двигателя;

— конструктивный коэффициент двигателя, данные, для расчёта которого приводятся в справочниках.

Здесь р — число пар полюсов двигателя; N — число активных проводников обмотки якоря; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока Iя, как и направление Е, на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя Iя.доп. ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток Iя.н. более чем в 2,5 раза — Iя.доп.? 2,5• Iя.н.

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя, уравновешивается падением напряжения в якорной цепи IЯRЯЦ и наведённой в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

.

где — суммарное сопротивление якорной цепи.

Здесь RЯ — сопротивление обмотки якоря; RДП — сопротивление обмотки дополнительных полюсов; RКО — сопротивление компенсационной обмотки; RП — сопротивление пускового реостата.

Величина IЯ в установившемся режиме будет равна:

.

В режиме пуска Е=0, поэтому из-за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток Iяп может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого Rп выбирается таким образом, чтобы IЯП? Iя.доп.

.

В цепи питания LM включён реостат с сопротивлением RВ. С его помощью уменьшается ток в обмотке возбуждения. В результате поток двигателя Ф ослабляется, становясь меньше номинального значения Ф? Фн.

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е, её значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя щ от тока якоря IЯ щ=f (IЯ), которая называется электромеханической характеристикой:

.

Вращающий момент двигателя М связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью М=кФIЯ. Подставив в уравнение электромеханической характеристики значения для тока IЯ=М/кФ, получим выражение для механической характеристики щ=f (М):

или ,.

где с=кФ — коэффициент, принимаемый постоянным и не зависящим от тока якоря, если у двигателя имеется компенсационная обмотка или если реакцию якоря не учитывать.

При неизменных параметрах U, Ф, RЯЦ уравнение механической характеристики есть уравнение прямой линии.

В режиме идеального холостого хода Мс=0 и М=0, поскольку в установившемся режиме двигатель работает с М=Мс. Тогда.

.

где щ0 -скорость идеального холостого хода.

При увеличении момента сопротивления скорость установившегося режима уменьшается на величину статического падения скорости Дщс, которое равно:

.

Таким образом, уравнение для механической характеристики двигателя можно записать в следующем виде:

.

Механическая характеристика двигателя, которая получается при отсутствии внешних сопротивлений в якорной цепи (RП=0) и номинальных значениях потока двигателя (Ф=Фн) и напряжения на якоре (U=Uн) называется естественной характеристикой. Следует отметить, что выполнение двух первых условий не вызывает трудностей. Третье условие (U=Uн) выполняется в том случае, если якорная цепь двигателя питается от источника бесконечной мощности или в замкнутой системе преобразователь-двигатель с обратной связью по напряжению преобразователя и астатическим регулятором напряжения.

Построить естественную характеристику, учитывая её линейность, можно по двум точкам — точке идеального холостого хода с координатами (М=0; щ=щ0) и точке, соответствующей номинальному режиму работы (М=Мн; щ=щн). На основании паспортных данных двигателя (Рн, Uн, Ін, nн) можно найти:

.

Рис. 2.2 — Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

При скорости двигателя ток щ=щ0 ІЯ=0, так как э.д.с. вращения Е=U и направлена по отношению к нему встречно. Работать в двигательном режиме со скоростью щ=щ0 двигатель не может, так как даже при отсутствии нагрузки со стороны технологической машины трение в подшипниках и крыльчатка вентилятора создают момент сопротивления холостого хода Мсхх. Двигатель в установившемся режиме будет работать с М= Мсхх и щ=щхх<�щ0. При этом Е0.

Найти величину щхх можно, изобразив в одном квадрате с механической характеристикой двигателя механическую характеристику технологической машины. Если предположить, что Мс не зависит от скорости, то через точку с координатами (щ=0; М=Мсхх) необходимо провести вертикальную прямую до её пересечения с механической характеристикой двигателя (точка А). В точке, А М=Мс, а её проекция на ось ординат равна щхх.

При увеличении момента сопротивления от Мсхх до Мс=Мн появится отрицательный динамический момент МД<0 и скорость двигателя начнёт уменьшаться. Следствием этого будет уменьшение э.д.с. вращения Е=кщФ, увеличение якорного тока ІЯ=(U-Е)/RЯЦ и вращающего момента М=кIЯФ. Снижение скорости и увеличение момента двигателя будет продолжаться до тех пор, пока МД не станет равным нулю, т. е. момент двигателя МД не станет равным Мс=Мн.

Благодаря тому, что в обмотке якоря наводится э.д.с. вращения Е, двигатель при увеличении Мс автоматически, снизив скорость вращения и увеличив вращающий момент, перешёл из установившегося режима с большей скоростью (щх.х.в точке А) в установившийся режим с меньшей скоростью (щн в точке В).

Статически падение скорости на естественной характеристике равно:

.

Если сопротивление пускового реостата RП>0, то Дщс при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике:

.

Поскольку величина щ0 не зависит от величины RП, то получаемая в этом случае характеристика, которая называется искусственной или реостатной, будет начинаться в той же точке, что и естественная, но проходить с большим наклоном к оси абсцисс.

Якорный ток Iя и момент двигателя М связаны прямой пропорциональной зависимостью. Поэтому ограничение с помощью Rп пускового тока значением Iя.доп.?2,5 Iян автоматически ограничивает и допустимое значение пускового момента Мдоп?2,5Мн. Механическая характеристика на рис. 2.2 в этом случае пересекает ось абсцисс в точке с координатами (щ=0; М=Мдоп=2,5Мн) и называется предельной пусковой. Реостатные характеристики, расположенные выше получаются при меньших величинах RП. Запускаясь при Мс=Мн по предельной пусковой характеристике, двигатель разгонится до скорости щ1 и перейдёт в установившийся режим работы. Для увеличения скорости двигателя необходимо уменьшить величину RП.