Додаткове завдання

1. Дослідити зовнішні характеристики двигуна, що відображають залежність частоти обертання та струму якоря від зміни навантаження на його валу.

2. Розробити схему і дослідити характеристики двигуна з незалежним збудженням.

3. Назвати фізичні закони, що проявляються в роботі двигуна постійного струму.

Теоретичні відомості

Робота МПС в режимі двигуна.

У режимі двигуна машина постійного струму перетворює електричну енергію в механічну. Принцип дії ДПС можна пояснити на спрощеній моделі (рис. 3). Якщо подати напругу U одночасно на обмотки збудження та провідну рамку, то в рамці протікатиме стум І_я, а обмотка збудження створить магнітне поле індукцією В. У такому випадку на активну частину рамки зі струмом діятиме пара сил F з боку магнітного поля індукцією В. Рамка буде обертатися в магнітному полі з певною швидкістю, завдяки чому виникатиме ЕРС – Е, яка зрівноважиться з величиною підведеної до нього напруги U.

Рис. 3. Будова двигуна постійного струму.

Перевага двигунів постійного струму полягає в тому, що вони можуть працювати практично на будь-якій частоті обертання якоря і розвивають при цьому великий пусковий момент.

Недолік пов’язаний з використанням колектора на якому виникає іскріння, що руйнує його та створює радіоперешкоди, а також великий пусковий струм. Пил від щіток забруднює двигун.

Розглянемо детальніше деякі особливості пуску таких двигунів. Якщо врахувати спад напруги на активному опорі якоря, то другий закон Кірхгофа запишеться у такому вигляді: . (1)

Нехай опір обмотки якоря R_я, що складає десяті або й соті частини Ома, увімкнено до електромережі постійного струму, наприклад, напругою 220 В. Під час пуску швидкість обертання якоря , а отже й ЕРС у ньому . Пусковий струм у якорі буде досить великим. Звідси слідує, що пускові струми у якорі досягають великих значень .

Для зменшення пускового струму та плавного його регулювання, іноді в коло якоря послідовно вмикають пускові реостати. При цьому попередній вираз запишеться так: .

Реостати розраховують так, щоб пусковий струм сягав значення .

При пуску двигуна, у випадку постійного навантаження і незмінному магнітному потокові індуктора, додатковий опір поступово виводять, тоді на якорі двигуна поступово зростає обертальний момент, його швидкість зростає і досягає номінальних значень. Разом з цим у якорі зростає ЕРС індукції, яка врівноважується з підведеною напругою та падінням напруги на активному опорі обмотки якоря, і двигун працює у стабільному режимі.

Принцип саморегулювання двигуна постійного струму

Розглянемо роботу двигуна в режимі навантаження. Магнітний потік у повітряному зазорі під башмаками індуктора пронизує площу, що визначається добутком довжини активної частини обмотки якоря l на полюсний крок (рис. 4). Його значення можна виразити так: . (2).

Рис. 4. Розподілення магнітної індукції під полюсами

Магнітна індукція під полюсами обмоток збудження не зовсім однорідна. Тому введемо поняття середнього значення індукції у повітряних зазорах . Звідки (3).

Підставимо вираз 3 у вираз 2, запишемо значення магнітного потоку, створеного індуктором: (4).

де: B_ср – середнє значення індукції магнітного поля; l– довжина робочої частини витка обмотки якоря, - полюсна відстань. Отже, магнітний потік під полюсами індуктора можна вважати однорідним, т.я. у правій частині виразу 4 всі величини постійні, тому середнє значення ЕРС в обмотці якоря

. (5)

Якщо якір обертається рівномірно, то швидкість руху обмотки відносно магнітних силових ліній , де t – час, протягом якого робоча частина обмотки опише дугу, що дорівнює полюсному кроку. Виразимо його значення через частоту обертання якоря двигуна п: . Підставимо цей вираз у рівняння 5. При цьому отримаємо значення ЕРС, що індукується в одному витку якоря двигуна: . Якщо у кожній секції обмотки N витків, то у стільки ж разів збільшиться у ній ЕРС. .

З останнього виразу слідує те, що ЕРС в обмотці якоря прямо пропорційна магнітному потокові статора Ф та швидкості обертання якоря n. Діаметр обмотки якоря D, кількість витків обмотки N та полюсний крок - величини постійні для даної конструкції двигуна. На цій основі перепишемо попередній вираз, замінивши сталі величини постійною величиною С:

(6)

Проналізуємо вираз (6). Якщо механічне навантаження на валу зростає, то його частота обертання n зменшується, а отже й електрорушійна сила якоря також зменшується (при постійному магнітному потокові Ф, створеному індуктором). При цьому ЕРС не врівноважує підведену напругу.

На основі виразу (1) запишемо значення струму якоря

. (7)

З (7) слідує принцип саморегулювання двигуна: при збільшенні навантаження на валу двигуна, його швидкість обертання зменшується, зменшується ЕРС самоіндукції. Так як напруга джерела живлення постійна, а ЕРС зменшується, то зростатиме напруга на якорі, а отже двигун споживає більший струм І_я, зростає обертальний момент до величини гальмівного моменту навантаження.

Порівнюючи ДПС з асинхронним двигуном, видно, що асинхронний двигун при перевантаженні зупинявся, тоді як двигун постійного струму зменшує оберти і розвиває більший крутний момент на валу.

Регулювання швидкості обертання якоря та реверсування двигуна.

Регулювання швидкості обертання якоря двигуна з паралельним та незалежним збудженням.

З виразу 6 визначимо частоту обертання якоря двигуна постійного струму:

. (8)

З рівняння 1 слідує, що ЕРС для кола якоря . Підставимо це значення до попереднього виразу. При цьому отримаємо частоту обертання якоря двигуна: . (9)

Отже, швидкість обертання якоря можна регулювати: зміною напруги U, зміною струму в колі якоря І_я, зміною струму збудження І_зб, який створює магнітний потік Ф. Найпоширенішим способом регулювання частоти обертання якоря п є регулювання за допомогою струму збудження.

Фізичний зміст процесу регулювання швидкості за допомогою магнітного потоку можна пояснити так: якщо струм якоря, частоту його обертання та механічне навантаження на валу не змінювати, то при зменшенні магнітного потоку за допомогою реостату (рис. 5) зменшиться проти-ЕРС, а отже порушиться електрична рівновага (1). У цей момент в якорі протікатиме більший струм, зросте обертовий момент і він почне обертатися з більшою швидкістю до відтворення електричної рівноваги. Електромагнітний момент зрівноважиться з механічним гальмівним моментом на валу, але при більшій швидкості його обертання.

І, навпаки, при збільшенні магнітного потоку індуктора швидкість обертання якоря зменшиться.

На рис. 6 зображено швидкісну характеристику двигуна з паралельним навантаженням.

Не варто занадто збільшувати опір у колі обмотки збудження при невеликих навантаженнях або на холостому ході двигуна, так як у колі якоря зменшиться проти-ЕРС, сила струму сягне великих значень (опір обмотки якоря незначний) і наступить аварійний режим роботи двигуна внаслідок великої швидкості обертання якоря. Така ж ситуація трапиться при обриві в колі обмотки збудження.

Рис. 5. Схема ввімкнення та реверсування двигуна ПС з паралельним збудженням	Рис. 6. Характеристика холостого ходу двигуна ПС з паралельним збудженням

Іншим способом регулювання швидкості обертання якоря навантаженого двигуна є зміна струму якоря за допомогою опору пускового реостату R_п (рисунок попередній). При цьому реостат у колі обмотки збудження опором R_зб виводять повністю, або обходяться без нього взагалі. Отже, обмотка збудження знаходиться під номінальною напругою мережі, що забезпечує номінальне значення магнітного потоку індуктора.

Якщо змінити опір реостата у колі якоря, то зміниться в ньому величина сили струму, відповідно до виразу

.

З виразу слідує, що при зменшенні опору пускового реостату, струм в обмотці якоря зросте, а отже збільшиться електромагнітний момент і швидкість його обертання. Зі збільшенням швидкості зростатиме проти-ЕРС і струм зменшуватиметься до попереднього значення, але уже при більших обертах якоря. Такий спосіб регулювання швидкості не ефективний, так як зазнаються великі втрати електроенергії на потужних реостатах.

Якщо ж опір регулювального реостату та опору в колі збудження не змінювати, то при збільшенні навантаження на валу, швидкість двигуна зменшуватиметься і, навпаки, при зменшенні гальмівного моменту, швидкість зростатиме.

Регулювання швидкості обертання якоря двигуна можна здійснювати за допомогою напруги в колі якоря, а напруга на індукторі при цьому не змінюється. Цей метод стосується двигунів з незалежним збудженням.

Регулювання швидкості двигунів з послідовним збудженням

Регулювання швидкості в такого типу двигунах, як і в попередньому випадку, здійснюють трьома способами: струмами у колі якоря та обмотки збудження і напругою живлення.

Рис. 7. Схема ввімкнення двигуна з послідовним збудженням.	Рис. 8. Швидкісна характеристика двигуна з послідовним збудженням.

Схема двигуна з послідовним збудження зображена на рис. 7. Конструкція такого двигуна дещо простіша завдяки малій кількості витків товстого дроту в обмотці збудження. Адже вона розрахована на протікання великих струмів навантаження – І_я. Швидкісна характеристика (рис. 8) побудована на основі рівняння: . (9)

З останнього виразу видно, що при зростанні струму навантаження, зростає спад напруги на опорах обмоток (від’ємник у чисельнику) та магнітний потік (у знаменнику) в обмотці збудження. Такі явища призводять до значного зменшення швидкості двигуна.

Навпаки, при малих навантаженнях та холостому ході двигун переходить в аварійний режим роботи.

Очевидно, що швидкісна характеристика двигуна залежить від напруги його живлення.

Регулювання швидкості двигунів зі змішаним збудженням.

Схема ввімкнення такого типу двигуна зображена на рисунку 9. Рівняння швидкості двигуна, відповідно схемі, матиме вигляд:

Де: Ф_ш – магнітний потік шунтової (паралельної) обмотки збудження; Ф_п –магнітний потік послідовної обмотки збудження. Знак “ ” вказує на узгоджене та неузгоджене з’єднання обмоток статора.

Рис. 9. Схема ввімкнення двигуна зі змішаним збудженням

Залежно від того, яка обмотка у таких двигунів є основною (створює більший магнітний потік), вони, відповідно, наближуються більше до двигунів паралельного або послідовного збудження. Частіше, основною (робочою) є послідовна обмотка, а паралельна – допоміжна.

Завдяки паралельній обмотці двигун не нарощує свою швидкість до безмежно великих величин при холостому ході та малих навантаженнях.

Узгоджене ввімкнення обмоток застосовують тоді, коли виникає потреба у великих пускових моментах, та зміні швидкості при навантаженнях, що змінюються від досить малих значень, починаючи від холостого ходу.

Зустрічне ввімкнення дає можливість отримати постійну швидкість обертання якоря при зміні навантажень. Дійсно, при зростанні навантаження, а отже струму якоря, зростатиме магнітний потік обмотки якоря, проте зменшиться струм та магнітний потік у шунтовій обмотці і навпаки. Отже, магнітний потік буде відносно стабільним, а отже і швидкість якоря незмінна.

Реверсування двигунів постійного струму здійснюють завдяки зміні напрямку протікання струму в обмотці якоря або обмотці збудження .

Характеристики двигунів постійного струму

Двигуни постійного струму мають характеристики трьох видів: пускові, робочі та регулювальні.

Пускові характеристики визначають параметри двигуна під час пуску, до моменту його роботи в усталеному режимі. Такими основними характеристиками є пусковий струм І_п та пусковий електричний момент сили М_п.

Робочі характеристики визначають параметри двигуна при його роботі в усталеному режимі: п – швидкість обертання якоря; М – обертовий момент сили; І_я – струм якоря і - коефіцієнт корисної дії.

Основними регулювальними характеристиками є зміна швидкості обертання якоря п, шляхом зміни величини струму (опору) вітки якоря І_я або струму котушки збудження І_зб. Розглянемо механічні характеристики різних типів двигунів.

Механічні характеристики двигунів постійного струму

На графіках (рис. 10) зображено механічні характеристики двигунів, що відображають залежність швидкості обертання якоря від навантаження : а – паралельного збудження; б - послідовного збудження; в – мішаного збудження.

З графіків бачимо, що для двигуна з паралельним збудженням, навантаження на валу М мало впливає на швидкість обертання якоря – пряма майже паралельна до вісі абсцис, а характеристика називається жорсткою. Тобто, навіть значні зміни навантаження викликають незначні зміни частоти обертання якоря, що складають всього лиш 3-8% .

а	б	в
Рис. 10. Механічні характеристики двигунів : а – з паралельним; б – послідовним; в –мішаним збудженням.

Для двигунів з паралельним збудженням крива на графіку не є жорсткою (рис. 10, б).

При зростанні навантаження на валу, такі двигуни розвивають великий електромагнітний момент при невеликих обертах та порівняно низьких струмах споживання. Тому подібне ввімкнення використовують на початку руху транспорту, при піднятті транспортних засобів на гору тощо

Проміжну м’яку характеристику (рис. 10, в) мають компаундні машини, у яких одна обмотка (частіше послідовна) є основною і створює до 70% магнітного потоку. У переважній більшості випадків обмотки вмикаються узгоджено, що дає можливість застосовувати їх, коли потрібно мати великий пусковий момент та зміну швидкості при змінних навантаженнях на валу (включаючи і холостий хід).

Двигуни з зустрічним ввімкненням застосовують тоді, коли є необхідність у постійній швидкості при змінних навантаженнях.