Характеристики электродвигателей постоянного тока

Свойства электродвигателей постоянного тока оцениваются по так называемым рабочим и регулировочным характеристикам. Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости: n, M, I,η =f(P₂) при U =const и r_в = const

соп и г согi

где n— частота вращения электродвигателя;

М— вращающий момент на валу электродвигателя;

I— ток, потребляемый электродвигателем из сети;

η— коэффициент полезного действия электродвигателя;

Р₂ - полезная мощность электродвигателя.

Так как Р₂ = U∙I∙η т. е. полезная мощность электродвигателя пропорциональна силе тока, то рабочие характеристики иногда представляют в виде следующих зависимостей:

n,M,P₂,η = f(I_я) при U =const и r_в = const

Характеристику n = f(P₂) часто называют внешней характеристикой электродвигателя.

Под регулировочными характеристиками понимаются зависимости вида n =f(i_в) при

U =const. Эти характеристики определяют возможности регулирования частоты вращения электродвигателей.

Оценка свойств электродвигателей в общем случае производится также по механическим характеристикам которые представляют собой зависимости n=f(M) и при U=const и r_в=const Эти характеристики обычно используются при анализе электрических приводов.

Электродвигатель параллельного возбуждения

Электродвигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно якорю, называется электродвигателем параллельного возбуждения . На рис. приведена его электрическая схема. На схеме обозначены: Я— якорь;ШО—обмотка возбуждения; r_п — пусковой реостат; r_р— регулировочный реостат в цепи возбуждения.

Для пуска электродвигателя необходимо замкнуть рубильник на сеть и плавно вывести пусковой реостат. Когда электродвигатель разовьет нормальную частоту вращения и перейдет в установившийся режим работы, имеют место следующие соотношения:

Рис . Схема электродвигателя параллельного возбуждения

U= E + I_яr_я; I_я= i_в = ; I=I_я +i_в; М=С_мФ∙I_я ; n= .

Анализ этих соотношений показывает, что сила тока возбуждения электродвигателя параллельного возбуждения не зависит от силы тока нагрузки. Это значит, что при неизменном напряжении источника питания электродвигатель работает практически с постоянным магнитным потоком. Поэтому сила тока, потребляемая электродвигателем из сети, и развиваемый им вращающий момент изменяются прямо пропорционально нагрузке на валу электродвигателя. Эту пропорциональность подтверждают рабочие характеристики М= f(P₂) и I=f(P₂), приведенные на рис.. Небольшое их отклонение от прямолинейности объясняется размагничивающим действием реакции якоря.

Рис. Рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения

При постоянных значениях U и i частота вращения n электродвигателя с изменением нагрузки также изменяется незначительно (характеристика n = f(Р₂) на рис. ). Это изменение, как видно из уравнения часто ты вращения, вызывается:

а) увеличением падения напряжения в якоре что ведет к уменьшению частоты вращения, и б) усилением действия реакции якоря, которая размагничивая машину, повышает частоту вращения. Однако влияние падения напряжения обычно превышает размагничивающее действие реакции якоря. По этому частота вращения с ростом нагрузки уменьшается.

Внешняя характеристика электродвигателя параллельного возбуждения, мало зависящая от нагрузки, называется жесткой. Эта жесткость характеристики определяется величиной, называемой номинальным изменением частоты вращения

∆n=

где n₀ — частота вращения при холостом ходе;

n_н- частота вращения при номинальной нагрузке.

Обычно ∆n =3 - 8%, причем большая цифра относится к электродвигателям меньшей мощности. Это постоянство частоты вращения является весьма ценным свойством электродвигателей параллельного возбуждения.

К. п. д. электродвигателя, определяемый по выражению

η =

сначала повышается, так как при небольшой, но возрастающей нагрузке суммарные потери (в основном на трение) практически остаются постоянными. При большой нагрузке резко возрастают потери в обмотке якоря, про пропорциональные квадрату силы тока, рост к. п. д. замедляется, и при перегрузке он начинает уменьшаться.

Подставляя в уравнение частоты вращения n = значение силы тока якоря

I_н= М/(С_мФ) из уравнения моментов, получим выражение, определяющее механическую характеристику:

n=

где U/(C_eФ)=n₀— частота вращения идеального холостого хода, т. е. частота вращения при М=0; она не зависит от момента нагрузки па валу;

r_яМ/(С_еС_мФ²)= ∆n — изменение частоты вращения, обусловленное изменением момента нагрузки на валу.

Механическая характеристика n=f(М) при i_в= const, когда можно считать Ф=const представляет прямую линию, несколько наклоненную к оси абсцисс (рис. ). Она, как и внешняя характеристика, жесткая. С увеличением сопротивления в цепи якоря (r_я+r) жесткость характеристики уменьшается. Механическая характеристика при r=0 называется естественной.

Так как механическая характеристика имеет падающий характер, то работа электродвигателя является устойчивой.

Частоту вращения электродвигателя можно регулировать, как указывалось ранее, изменением магнитного потока или изменением падения напряжения в цепи якоря. Изменение потока производится с помощью регулировочного реостата r_р в цепи возбуждения (рис. ). При изменении сопротивления r_р изменяется сила тока возбуждения i_в и, следовательно, магнитный поток Ф. При этом частота вращения, как это следует из уравнения n=(U-I_нr_н)/(С_еФ), изменяется обратно пропорционально магнитному потоку. На рис. представлена зависимость n=f(i_в) при U=const и I_н=I₀ т. е. при холостом ходе. Так как при холостом ходе I₀r_н мало, то им можно пренебречь. Тогда U=C_enФ =const, откуда nФ= const т. е. зависимость n=f(i_в) гиперболическая.

Рис. .Механические характеристики

Характер зависимости n = f(i_в) сохраняется и при регулировании под нагрузкой. Однако при этом имеет место следующее. Если процесс регулирования производится при постоянном тормозном моменте на валу электродвигателя, то уменьшение потока Ф вызывает пропорциональное уменьшение вращающего момента М = С_мФ I_я и обратной э. д. с. Е=С_еnФ. Уменьшение э. д. с. ведет к увеличению силы тока якоря I_н =(U-E)/r_н, благодаря чему восстанавливается равновесие моментов М=М_т. Другими словами, при М=const увеличение частоты вращении электродвигателя путем уменьшения магнитного потока вызывает увеличение силы тока якоря, а cледовательно, перегрузку якоря по току. Если же регулирование производится при Р_н= const, то ослабление потока будет вызывать увеличение частоты вращения и уменьшение вращающего момента при неизменной силе тока I_я якоря

Р_н = М∙π∙n/30 =C_м∙Ф∙I_я∙π∙n/30=k∙Ф∙I_я∙n

т. е. в этом случае не будет перегрузки якоря по току.

Регулирование частоты вращения электродвигателя путем изменения падения напряжения в цепи якоря обычно производится реостатом в цепи якоря. В самом деле, если при неизменных напряжении U, силе nока возбуждения i_в и моменте М_т ввести в цепь якоря сопротивление r_я (рис., а), то, как это следует из уравнения

n=

частота вращения электродвигателя уменьшится от n до n₁ (рис. , 6). Сила тока же в якоре, равная

I_я=

в первый момент резко уменьшится, а через некоторое время восстановится до прежней величины. Объясняется это тем, что при введении сопротивления напряжение на зажимах якоря понизится, а частота вращения благодаря инерции якоря уменьшится не сразу. По мере уменьшения частоты вращения уменьшается э. д. с. Е= C_enФ, а сила тока I_я возрастает до тех пор, пока не восстановится равновесие моментов М=С_мФI_н. Таким образом, изменяя сопротивление в цепи якоря, можно регулировать частоту вращения электродвигателя. Однако при таком регулировании потери в реостате значительны. Преимуществом данного способа регулирования является постоянство вращающего момента электродвигателя.

Необходимо отметить, что при работе электродвигателя разрыв цепи возбуждения недопустим. Действительно, при обрыве цепи возбуждения магнитный поток уменьшается до величины потока остаточного намагничивания. В результате при наличии большого момента сопротивления на валу электродвигатель остановится, так как М=С_мФI_я<М_т, а сила тока якоря достигнет силы тока короткого замыкания:

I_к.з.=

и якорь может выйти из строя. Наоборот, при работе двигателя вхолостую частота вращения якоря увеличивается, Достигая опасных пределов.

Таким образом, основные свойства электродвигателя параллельного возбуждения кратко можно сформулировать так.

1. Частота вращения электродвигателя при колебаниях нагрузки от холостого хода до номинальной изменяется незначительно.

2. Электродвигатель допускает регулировку частоты вращения в широких пределах и, кроме того , может работать вхолостую

3. Электродвигатель развивает вращающий момент, силе тока в якоре (Ф=const) и потребляет силу тока из сети, пропорциональную нагрузке на валу.

4. Электродвигатель не допускает обрыва цепи возбуждения, так как в этом случае при работе вхолостую пойдет вразнос, а при работе под нагрузкой может сгореть обмотка якоря.