6.1.10. Эксплуатационные характеристики двигателей постоянного тока

Механическая характеристика двигателя постоянного тока

С изменением момента нагрузки на валу двигателя изменяется его режим работы. При этом меняется частота вращения. Зависимость частоты вращения n от момента нагрузки на валу M называется механической характеристикой двигателя (n=f(M)).

Для анализа этой зависимости необходимо использовать аналитические выражения, определяющие ЭДС обмотки якоря (6.1.20), электромагнитный вращающий момент (6.1.14) и уравнение электрического состояния цепи якоря двигателя постоянного тока (6.1.4):

; (6.1.32)

; (6.1.33)

. (6.1.34)

Предположим, что при работе двигателя момент сопротивления нагрузки возрос и стал больше момента, развиваемого двигателем. При этом двигатель тормозится, т.е. частота вращения уменьшается. Тогда ЭДС в обмотке якоря, пропорциональная частоте вращения в соответствии с (6.1.32), тоже уменьшается. Это приводит к изменению тока якоря. Исходя из уравнения электрического состояния (6.1.34)

, (6.1.35)

Таким образом, при неизменных напряжении источника и сопротивлении цепи якоря уменьшение частоты вращения приводит к уменьшению противоЭДС и увеличению тока якоря.

В соответствии с (6.1.33) увеличение тока якоря обусловливает возрастание электромагнитного момента, развиваемого двигателем. Такое изменение режима работы происходит до тех пор, пока вращающий момент двигателя достигнет значения, равного тормозному моменту сопротивления. При этом двигатель работает в новом установившемся режиме с постоянной частотой вращения, меньшей, чем исходная, но с увеличенным вращающим моментом.

Описанный процесс определяет важное свойство двигателя постоянного тока – саморегулирование, то есть способность развивать вращающий момент, равный изменяющемуся моменту сопротивления нагрузки, при этом автоматически изменять частоту вращения.

Таким образом, с увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n уменьшается.

Для количественной оценки соотношения частоты вращения и момента пользуются аналитическим выражением механической характеристики. Исходя из (6.1.32):

. (6.1.36)

Выражая E_я из уравнения электрического состояния (6.1.34), получим:

. (6.1.37)

Ток якоря определяется моментом на валу из (6.1.33):

. (6.1.38)

Тогда выражение механической характеристики принимает вид:

. (6.1.39)

Как видно, при неизменных напряжении источника и магнитном потоке (токе возбуждения) с увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n уменьшается.

Вид механической характеристики существенно зависит от способа возбуждения машины. При независимом и параллельном возбуждении магнитный поток Ф_в практически не меняется и график механической характеристики имеет вид прямой линии (кривая 1 на рис. 6.1.20).

Рис. 6.1.20. Механические характеристики двигателей постоянного тока

Характеристика может быть определена двумя крайними точками: точкой холостого хода и точкой, соответствующей режиму пуска. В режиме холостого хода момент М=0, а частота вращения максимальна (n=n₀). При пуске частота вращения равна нулю (n=0), а момент максимален и равен пусковому моменту (M=M_пуск). Частота вращения холостого хода определяется из выражения (39) при М=0:

, (6.1.40)

а пусковой момент при n=0:

. (6.1.41)

График механической характеристики – прямая линия, проведенная через эти две точки. Рабочий диапазон механической характеристики ограничивается номинальным моментом M_ном. При изменении момента от М=0 до М=М_ном частота вращения меняется незначительно, то есть характеристика является жесткой.

В двигателе с последовательным возбуждением поток возбуждения меняется с изменением тока якоря, а значит, с изменением момента. При этом механическая характеристика имеет вид гиперболы (кривая 2 на рис. 6.1.20).

Механическая характеристика ДПТ смешанного возбуждения (кривая 3) занимает промежуточное положение между кривыми 1 и 2.

Пуск двигателя постоянного тока

Особенность пуска двигателя постоянного тока – сильное превышение пускового тока якоря над номинальным значением. Это объясняется тем, что в момент пуска, когда частота вращения равна нулю, противоЭДС в обмотке якоря не индуцируется. Как следует из выражения для ЭДС обмотки якоря (6.1.32), при n=0

. (6.1.42)

В соответствии с уравнением электрического состояния цепи якоря (6.1.34) при E_я = 0 пусковой ток якоря I_я,пуск определяется полным напряжением источника и небольшим сопротивлением обмотки якоря и значительно больше номинального:

> . (6.1.43)

При этом двигатель развивает большой пусковой момент:

> . (6.1.44)

Большой пусковой момент играет положительную роль, т.к. уменьшает время пуска. Однако, значительный пусковой ток ( ) может привести к перегреву и разрушению обмотки.

Для ограничения пускового тока в цепь якоря включают пусковой реостат с сопротивлением R_п (рис. 6.1.21). Тогда пусковой ток

. (6.1.45)

Рис. 6.1.21. Схема включения двигателя независимого возбуждения при пуске

Величина R_п выбирается такой, чтобы ток якоря не превышал кратковременно допустимого значения:

. (6.1.46)

По мере разгона двигателя до номинальной частоты вращения пусковой реостат выводится до нуля и ток якоря становится равным номинальному.

Другой способ ограничения пускового тока – уменьшение напряжения питания в цепи якоря. Для этого якорь ДПТ подключается к источнику регулируемого напряжения. По мере разгона двигателя напряжение увеличивают (вручную, или автоматически) от нуля до номинального значения.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока

Для анализа способов регулирования частоты вращения обратимся к уравнению механической характеристики ДПТ (6.1.39). Как видно, при неизменном моменте на валу можно регулировать частоту вращения тремя способами: изменением магнитного потока Ф_в, изменением сопротивления в цепи якоря R_я и изменением напряжения U, приложенного к якорю.

Механическая характеристика при номинальном токе возбуждения и номинальном напряжении якоря называется естественной механической характеристикой.

Способ регулирования изменением магнитного потока Ф_в называется полюсным регулированием. Магнитный поток возбуждения меняется путем регулирования тока возбуждения. Для этого в цепь обмотки возбуждения включается регулировочный реостат (R_р на рис. 6.1.21) или регулятор напряжения. В соответствии с (6.1.40) с уменьшением тока возбуждения частота вращения холостого хода увеличивается. Эта зависимость называется регулировочной характеристикой и показана графически на рис. 6.1.22.

Рис. 6.1.22. Регулировочная характеристика ДПТ

Пусковой момент согласно (6.1.44) пропорционален магнитному потоку. Поэтому с уменьшением тока возбуждения пусковой момент также уменьшается. Искусственные механические характеристики, соответствующие разным значениям магнитного потока, показаны на рис. 6.1.23.

Рис. 6.1.23. Искусственные механические характеристики

ДПТ при полюсном регулировании.

В области номинального момента с уменьшением магнитного потока частота вращения возрастает. Как видно из уравнения механической характеристики (6.1.39), при стремлении Ф_в к нулю частота вращения якоря резко увеличивается. Это может происходить при размыкании (обрыве) обмотки возбуждения и привести к разрушению якоря и коллектора центробежными силами. Поэтому обрыв обмотки возбуждения двигателя постоянного тока является для него аварийным режимом.

Полюсное регулирование является удобным и экономичным, т.к. ток возбуждения весьма мал по сравнению с током якоря, а размеры регулировочного реостата и потери в нем невелики. Однако, этот способ не позволяет уменьшать частоту вращения ниже номинальной, т.к. увеличение тока возбуждения приводит к перегреву обмотки возбуждения и выходу ее из строя. Кроме того, увеличение магнитного потока ограничено насыщением стального магнитопровода.

Способ регулирования изменением сопротивления в цепи якоря называется реостатным регулированием. С этой целю в цепь якоря включается добавочное сопротивление R_д подобно пусковому реостату. С учетом сопротивления добавочного реостата ток якоря уменьшается:

. (6.1.47)

Согласно (6.1.33) это уменьшает момент, развиваемый двигателем.

Зависимость частоты вращения n от сопротивления в цепи якоря определяется выражением, аналогичным (6.1.39), в котором вместо сопротивления обмотки якоря стоит суммарное сопротивление цепи якоря:

. (6.1.48)

На рис. 6.1.24 изображены механические характеристики: естественная и реостатные при различных значениях .

Рис. 6.1.24. Реостатные механические характеристики ДПТ

Как видно в (6.1.48), слагаемое, определяющее частоту вращения холостого хода, не зависит от R_д. Значит точка холостого хода на графиках является общей для всех характеристик.

Пусковой момент согласно выражению (6.1.44) уменьшается с введением добавочного резистора:

. (6.1.49)

Реостатное регулирование позволяет менять частоту вращения от номинальной до нуля, как видно на рис. 6.1.24. Однако, этот способ связан с большими потерями мощности на добавочном резисторе, поэтому применяется для двигателей малой и средней мощности.

Регулирование напряжением на обмотке якоря называется якорным регулированием. Якорное регулирование может применяться для двигателя с независимым возбуждением, т.к. при параллельном возбуждении изменение напряжения обусловливает и изменение магнитного потока.

Для якорного регулирования обмотка якоря двигателя питается от регулируемого источника напряжения, например, полупроводникового преобразователя. С увеличением напряжения источника U возрастает ток якоря и момент двигателя. Электромагнитный момент двигателя становится больше момента нагрузки и двигатель разгоняется, т.е. частота вращения увеличивается. При этом возрастает противоЭДС в обмотке якоря E_я, а ток I_я , исходя из уравнения электрического состояния (6.1.34), уменьшается. При этом уменьшается электромагнитный момент двигателя. Так происходит до тех пор, пока электромагнитный момент двигателя не сравняется с моментом нагрузки ( ), и двигатель снова работает в установившемся режиме, но с увеличенной частотой вращения.

Аналитически зависимость частоты вращения от напряжения источника определяется уравнением механической характеристики (6.1.39). Частота вращения холостого хода n₀ и пусковой момент M₀ пропорциональны напряжению U. Графики механических характеристик при разном напряжении – параллельные линии (рис. 6.1.25).

Рис. 6.1.25. Механические характеристики ДПТ при якорном регулировании

Увеличение напряжения больше номинального приводит к перегреву машины. Поэтому якорное регулирование применяется для регулирования частоты вращения ниже номинальной (n<n_ном).

Наиболее эффективно совместное использование якорного и полюсного регулирования, что позволяет обеспечить плавное регулирование частоты вращения в очень широком диапазоне. Это определяет одно из главных преимуществ двигателей постоянного тока.