7. Двигатели постоянного тока. Механическая характеристика.

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис.7-2,а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат R_pB, а в цепь якоря—пусковой реостат R_n. Характерная особенность двигателя— его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря

Р ис. 7-2. Схема двигателя с параллельным возбуждением (а) и его моментная и скоростная характеристики (б)

1_а (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=c_eФ_n и M=c_MФI_a, получаем, что зависимости M=f(I_a) и n = f(l_a) (моментная и скоростная характеристики) линейные (рис.7-2,б). Следовательно, линейная и механическая характеристика двигателя n = f(M) (рис.7-3,а).

Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат R_n, то

п = [U-I_а(ΣR_а + R_П)]/(с_еФ) = п₀-Δп, (7-1)

где п_о=U/(с_еФ) — частота вращения при холостом ходе; Δп = (ΣR_а + R_п)1_а/(с_еФ) — снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Δn, зависящая от суммы сопротивлений ΣR_а+R_П, определяет наклон скоростной n = f(I_а) и механической n = f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления R_n указанные характеристики жесткие (естественные характеристики 1 на рис.7-2,б и 7-3,а).

Р ис. 7-3. Механические (а) и рабочие (б) характеристики двигателя с параллельным возбуждением

При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата R_nl, R_n2 и R_n3. Чем больше сопротивление R_n, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Φ при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения η 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 I_ном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат R_p.B позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в 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.7-3,б) представляют собой зависимости потребляемой мощности Ρ₁, тока Ι_α I_н, частоты вращения n, момента Μ и КПД η от отдаваемой мощности Р₂ на валу двигателя при U=const и I_B = const. Характеристики n = f(Р₂) и М = f(Р₂) являются линейными, а зависимости Ρι = f(Ρ₂), I_a = f(P₂) и η = f(P₂) имеют характер общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря 1_а.

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 I_в также не зависит от тока якоря 1_а.

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис.7-4,а) ток возбуждения I_в = I_а, поэтому

Р ис. 7-4. Схема двигателя с последовательным возбуждением (а) и его моментная и скоростная характеристики (б)

магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря 1_а. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При I_а<(0,8...0,9)I_ном, когда магнитная система машины не насыщена, Ф = k_фI_а, причем коэффициент пропорциональности k_ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф возрастает медленнее, чем I_а, при больших нагрузках (I_а>I_НОМ) можно считать, что Ф const. В соответствии с этим изменяются зависимости n = f(I_a) и M = f(I_a).

При /_а<(0,8...0,9)/_ном скоростная характеристика двигателя n = f(l_a) (рис.7-4,б) имеет форму гиперболы, так как частота вращения

(7-2)

где С₁ и С₂ — постоянные.

При 1_а > I_ном скоростная характеристика становится линейной, так как частота вращения

(7-3)

где С'₁ и С'₂ — постоянные.

Аналогично можно получить зависимость электромагнитного момента от тока якоря M=f(l_a). При I_а<(0,8...0,9)I_н* *I_ном моментная характеристика M=f(I_a) имеет форму параболы (рис.7-4,б), так как электромагнитный момент

М=с_мФI_а = с_мк_ф1²_а = С₃1²_а, (7-4)

где С₃ — постоянная.

При I_a>I_HOM моментная характеристика линейная, так как

Рис. 7-5. Механические (а) и рабочие (б) характеристики двигателя с последовательным возбуждением

М=с_мФ1_а = С'₃1_а, (7-5)

где С'з — постоянная.

Механические характеристики n = f(M) (рис.7-5,а) можно построить на основании зависимостей n = f(l_a) и М= f(l_a). При I_а<(0,8...0,9)I_ном частота вращения изменяется по закону

(7-6)

где С₄ — постоянная.

При I_a>I_ном зависимость n = f(M) становится линейной.

Включая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями R_nl9 R_n2 и R_n3 кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше R_n, тем ниже располагается характеристика.

Рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением приведены на рис.7-5,б. Зависимости n = f(P₂), M=f(P₂) являются нелинейными; зависимости P₁ = f(P₂)' I_a = f(P₂) и η = f(P₂) имеют примерно такой же характер, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Из рассмотрения рис.7-5,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)I_НОМ; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы

Р ис. 7-6. Характеристики двигателей с последовательным и параллельным возбуждением

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 1_а 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.7-6 показаны для сравнения характеристики двигателей с последовательным (индексы «1») и параллельным (индексы «2») возбуждением.

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис.7-7,а) магнитный поток Φ создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — паралельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. 7-7,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. 7-7. Схема двигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)