2.2.1. ПРИнцип обратимости электрических машин

Предположим, что электрическая машина работает генератором параллельно с сетью, где . Электромагнитный момент генератора М является тормозящим, то есть направленным против вращения якоря.

Генератор отдает мощность в сеть и ток в обмотке якоря равен . При уменьшении механической мощности, подводимой к валу генератора , и мощность, отдаваемая в сеть, уменьшаются. Если , ток изменит свое направление на противоположное. Электромагнитный момент, равный , тоже изменит свое направление на противоположное и из тормозящего станет движущим, как это видно из рис. 2.22. В этих условиях электрическая машина работает двигателем, преобразуя подводимую электрическую мощность в механическую, снимаемую с вала.

Способность одной и той же электрической машины в зависимости от внешних условий работать как в генераторном режиме, так и в двигательном называется принципом обратимости электрических машин.

Уравнение напряжения для цепи обмотки якоря двигателя, учитывая, что ток изменил знак по сравнению с генераторным режимом, можно записать:

. (2.9)

В режиме двигателя всегда и

. (2.10)

В зависимости от способа возбуждения и включения обмоток возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются, аналогично генераторам, на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Схемы включения такие же, как и в генераторах (рис. 2.1-2.4).

2.3. Двигатели постоянного тока. Особенности пуска

2.3.1.Энергетический процесс и общие свойства двигателей

Энергетические процессы, происходящие в двигателе, рассмотрим на примере двигателя с параллельным возбуждением с помощью энергетической диаграммы, которая изображена на рис. 2.23. Здесь – электрическая мощность, потребляемая из сети

, (2.11)

где – потери мощности в обмотке возбуждения.

– электрические потери в цепи обмотки якоря.

Оставшаяся мощность называется электромагнитной.

(2.12)

где - потери в стали сердечнике якоря;

– механические потери на трение в подшипниках и щеток об коллектор.

Потери – называются потерями холостого хода. Полезная механическая мощность на валу

. (2.13)

Уравнения моментов на валу двигателя можно составить так.

В общем случае двигатель развивает электромагнитный момент вращения, который направлен в сторону вращения якоря

,Нм. (2.14)

Если выражать в кВт, а ,

где n, об/мин, то

,кГм. (2.15)

В любой интервал времени М уравновешивается следующими тормозными моментами:

моментом холостого хода

, (2.16)

моментом полезной нагрузки на валу

. (2.17)

В неустановившемся режиме работы, когда скорость вращения изменяется возникает динамический момент сопротивления

. (2.18)

С учетом изложенного уравнения моментов на валу (уравнение движения якоря) примет вид:

. (2.19)

или , (2.20)

где – называется статическим моментом сопротивления.

При установившемся режиме работы, когда

. (2.21)

Если это равенство нарушается, то скорость вращения двигателя будет изменяться (уменьшаться или увеличиваться) до тех пор, пока (равенство 2.21) не восстановится.

При работе двигателя всегда может возникнуть малое возмущение его установившего-ся режима (кратковременное изменение напряжения в сети, случайные колебания момента нагрузки и т.п.). Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному режиму работы, когда действие малого возмущения прекратится. Если же двигатель не возвращается к исходному режиму, то он неустойчив в работе.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида характеристик M(n) и M_c(n). Пусть эти характеристики имеют вид, как на рис. 2.24. Точка пересечения этих характеристик соответствует установившемуся режиму работы .

При случайном увеличении частоты вращения n>n₁, M_c>M, двигатель начинает тормозиться и возвращается к частоте n₁. При случайном уменьшении частоты вращения n<n₁, M>M_c и двигатель ускоряется. Следовательно, в случае представленном на рис. 2.24, двигатель работает устойчиво.

Критерий устойчивости (2.21) должен быть дополнен следующим неравенством:

. (2.22)

Если соотношение (2.22) не выполняется, как показано на рис. (2.25), то работа двигателя будет неустойчивая. Любые случайные отклонения частоты вращения от n₁ не позволяют двигателю вернуться к исходному режиму.

Двигатели постоянного тока, как и двигатели переменного тока, обладают, при соблюдении условий устойчивости, свойством саморегулирования, то есть способностью автоматически приспосабливаться к изменившимся условиям работы.

Рассмотрим это на примере двигателя параллельного возбуждения. Пусть U=const, тогда и Ф=const. Предположим, момент нагрузки увеличился. Тогда и частота вращения якоря n начнет уменьшатся. Но ЭДС тоже уменьшается, а ток и электромагнитный момент начнут возрастать до тех пор, пока не восстановится равенство моментов . Аналогичный процесс происходит и при уменьшении нагрузки на валу.