5. Двигатели постоянного тока

В силу принципа обратимости любой электромеханический преобразователь может работать как в режиме Г, так и в режиме Д. В режиме Д к ЭМ подводится электрическая энергия, выходной величиной Д является механическая мощность, передаваемая двигателем в нагрузку. Свойства Д=Т, как и Г=Т, определяются способом создания основного потока машины. Классификация Д=Т такая же, как и Г=Т.

Схемы включения Д=Т, имеющих ОВ, отличаются от схем включения Г=Т только тем, что в них вводятся дополнительные элементы (в простейшем случае - реостаты), предназначенные для пуска и регулирования частоты вращения.

5.1 Электромагнитный момент и частота вращения

ЭМ момент М Д=Т

М=Р_эм/ω,

где Р_эм = I_а·E _а – электромагнитная мощность, преобразуемая в Д в механическую мощность; ω – скорость вращения вала Д. Этот момент является движущим и направлен в сторону вращения. Он расходуется на уравновешивание тормозящих моментов:

- момента М_о (момента холостого хода), соответствующего механическим потерям собственно двигателя;

- момента М_в полезной нагрузки на валу, создаваемого рабочей машиной и приведенного к валу Д;

- динамического момента М_дин, возникающего при изменении скорости вращения ω:

М_дин = J·dω/dt,

где J – механический момент инерции вращающихся частей двигателя и нагрузки, приведенный к валу двигателя (см. раздел 1).

Таким образом,

М = М_о + М_в + М_дин.

При ω = const (установившийся режим) М_дин=0, и

М = М_о + М_в .

Уравнение якорной цепи двигателя

U = I_а + E_а·R_a, т.е. U > E_а , (1)

тогда

I_а = (U - E_а)/R_a.

Известно, что

E_а = с_ЕnФ_δ . (2)

Подставляя (2) в (1) и решая относительно n, получим

n=E_а/ с_ЕФ_δ = (U - E_а)/R_a)/с_ЕФ_δ . (3)

Поскольку М = с_м I_аФ_δ, то I_а=М/с_мФ_δ , и из (3) можно получить соотношение

. (4)

Это уравнение механической характеристики Д=Т, связывающей скорость вращения n вала двигателя с его вращающим моментом М.

Вид механической характеристики n = f(М) при U = const зависит от того, как с изменением нагрузки (или М) изменяется основной поток машины Ф_δ, и различен для Д=Т с различными способами возбуждения.

5.2 Д=Т с параллельным возбуждением (Д||В)

Свойства Д=Т с независимым возбуждением (ДНВ) и Д||В практически одинаковы, поэтому ДНВ отдельно рассматривать не будем. У Д||В, как и у Г||В, ОВ подключены параллельно с обмоткой якоря к питающей сети с напряжением U. В цепь ОВ включен регулировочный реостат R_рв, а в цепь якоря – пусковой реостат R_п (рисунок ).

Очевидно, что I_в не зависит от I_а, поэтому ОВ по существу независимая. Поскольку Ф_δ = const (пренебрегаем размагничивающим действием РЯ), то зависимость М=f(I_a) = с_мФ_δI_а (моментная характеристика) линейна. Скоростная характеристика машины n = f (I_а) также линейна (см. (*)). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика ДНВ и Д||В.

Необходимо учитывать, что при наличии в цепи якоря Д=Т сопротивления пускового реостата R_n в уравнениях электрической цепи якоря под сопротивлением якорной цепи R_a нужно понимать полное сопротивление, равное сумме собственно R_a и R_n. При R_n = 0 эти характеристики называются «естественными». Как видно из рисунка , они довольно жесткие (т.е. скорость n мало зависит от момента М). От гипотетического "идеального" двигателя требуются абсолютно жесткие характеристики, при этом скорость вращения n не зависит от момента М (механическая характеристика параллельна оси моментов).

При R_n  0 образуется семейство «реостатных» характеристик. Чем больше R_n, тем «мягче» характеристика.

Влияние РЯ приводит к некоторому снижению потока Ф_δ и, соответственно (см. (4)), при этом механические характеристики «приподнимаются» вплоть до отрицательных углов наклона. Это – неустойчивый режим работы. Поэтому мощные Д||В часто снабжают дополнительной обмоткой последовательного возбуждения, которая придает механической характеристике требуемый наклон. МДС этой обмотки обычно составляет  10% от МДС обмотки параллельного возбуждения.

При изменении R_рв изменяется ток возбуждения I_в и магнитный поток Ф_δ. При этом будет изменяться и скорость n.

При разрыве ОВ (выключатель, предохранитель) и небольшой нагрузке на валу n резко возрастает (двигатель идет «вразнос»). При этом ток I_а резко возрастает.

Если ОЯ и ОВ питаются от разных источников, то это – ДНВ. Механические характеристики ДНВ аналогичны характеристикам Д||В, так как его I_в также не зависит от тока I_а.

5.3 Д=Т с последовательным возбуждением (ДПВ)

Здесь I_в = I_а, поэтому Ф_δ = f (I_а). Характер этой зависимости (см. рисунок ) изменяется от степени нагруженности Д, т.е. от тока I_а. На первом участке (I) при I_а < (0,8 – 0,9) I_ном, т.е. при ненасыщенной магнитной системе, Ф_δ пропорционален току I_а. При возрастании I_а поток Ф_δ растет меньше, чем I_а, а при больших нагрузках, соответствующих насыщению магнитной цепи, можно считать, что Ф_δ  const (участок II).

Скоростная (n = f(I_а) характеристика на I участке имеет форму гиперболы, так как

n = U/с_ЕФ_δ - I_аR_a/с_ЕФ_δ , или n = U/к₁I_а - I_аR_a/ к₁I_а. =

(k₁ – k₃ – константы).

При I_а > I_ном (на участке II, Ф_δ  const) эта характеристика становится линейной:

n = U/с_ЕФ_δ - I_аR_a/с_ЕФ_δ = (k₄ , k₅ – константы).

Моментная характеристика М = f (I_а) на I участке имеет форму параболы, поскольку М = с_М I_аФ_δ , и при Ф_δ~I_а n = k₆I_а².

При больших I_а (участок II) Ф_δ  const, и характеристика М = f(I_а) становится линейной.

Механическая характеристика ДПВ. Анализ (4) с учетом соотношения М = с_МI_аФ_δ позволяет построить механические характеристики ДПВ.

При малых М (I_а) (участок I) n  – c₂ , т.е. характеристика имеет вид гиперболы. При больших М (I_а), т.е. на участке II, Ф_δ const, и зависимость стремится к падающей линейной. При различных сопротивлениях R_п кроме естественной характеристики (1) можно получить реостатные характеристики (2) и (3).

Таким образом, механические характеристики ДПВ являются мягкими. При малых нагрузках скорость n стремится бесконечно нарастать («разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять в приводах, работающих в режиме ХХ или при малых нагрузках. Такие Д=Т используют в приводах, где момент нагрузки изменяется в широких пределах и имеются тяжелые условия пуска (рельсовый транспорт, подъемно-транспортные механизмы).

5.4 Д=T со смешанным возбуждением

Здесь основной поток машины Ф_δ создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – последовательного возбуждения (ОПВ) и параллельного (О||B). Поэтому механическая характеристика такого двигателя расположена между характеристиками Д||B и ДПВ. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме механические характеристики могут быть ближе к характеристикам Д||B или ДПВ.

5.5 Пуск Д=Т

Пуск Д=Т - это процессы, протекающие в нем от момента подачи электрической мощности до установления скорости вращения n_в, соответствующей моменту полезной нагрузки на валу М_в.

Для пуска Д=Т в ход необходимо обеспечить надлежащий электромагнитный момент двигателя М_п (пусковой момент), превышающий момент нагрузки М_в (М_п> М_в), и предотвратить чрезмерное возрастание тока якоря I_a в момент пуска (пускового тока I_п).

Применяются 3 способа пуска:

- прямой пуск, когда обмотка якоря подключается непосредственно к питающей электрической сети на ее полное напряжение U;

- реостатный, при котором в цепь якоря в момент пуска включается R_п для ограничения I_a;

- пуск при пониженном напряжении питания цепи якоря.

5.5.1 Прямой пуск

При Поскольку очень мало, . Поэтому прямой пуск применяют только для двигателей малой мощности, у которых относительно велико, а .

5.5.2 Реостатный пуск.

Это - наиболее распространенный способ пуска Д=Т. Для примера рас смотрим пуск Д||В (рисунок ). Пуск осуществляется из точки (1),лежащей на характеристике, соответствующей наибольшему сопротивлению пускового реостата R_пмах= R_п2. По мере разгона (увеличения скорости) развиваемый двигателем электромагнитный момент M падает, т.к. растет противо-ЭДС якоря и уменьшается ток якоря (а как мы знаем, развиваемый М=Т электромагнитный момент М пропорционален току якоря).

При достижении некоторого значения (точка 2) сопротивление реостата скачком уменьшается до значения R_п1, и двигатель переходит в точку (3) на соответствующей этому значению R_п механической характеристике (при неизменной скорости n, т.к. скорость вращения мгновенно измениться на может из-за механической инерционности якоря Д=Т с присоединенным к нему рабочим механизмом); M снова уменьшается до ,а скорость растет, и т.д. (по пунктирной линии) до перехода в установившийся режим (n=const= n_в) по естественной механической характеристике (R_п=0), т. е в точку (6), где выполняется условие баланса моментов М=М_в).

Во времени процесс пуска выглядит, как показано на рис.

5.5.3 Пуск путем плавного повышения питающего U

Для осуществления такого пуска Д=Т требуется иметь источник с регулируемым выходным напряжением (отдельный Г=Т, управляемый выпрямитель и т.п.). Этот способ используют обычно в тех случаях, когда требуется не только пуск, но и регулирование скорости вращения.

5.6 Останов двигателя

Останов Д=Т осуществляется путем отключения его от питающей сети с помощью рубильника (контактора, пускателя) или другого выключателя. При этом нельзя допускать разрыва цепи обмотки возбуждения (например, чаще всего оставляют ее замкнутой на якорь). При мгновенном разрыве цепи возбуждения в ОВ из-за ее большой индуктивности возможно возникновение большой ЭДС самоиндукции, которая может вызвать электрический пробой изоляции ОВ. Поэтому нужно, чтобы ток в ОВ после отключения двигателя уменьшался до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени.

5.7 Реверс Д=Т

Для изменения направления вращения ротора Д=Т необходимо изменить направление движущего электромагнитного момента М, действующего на его якорь. Исходя из выражения электромагнитного момента ЭМ=Т

,

это можно сделать двумя способами:

- изменить направление тока в обмотке якоря;

- изменить направление потока , т.е. тока в обмотке возбуждения.