Общие свойства двигателей постоянного тока

Ранее было рассмотрено устройство и принцип действия электрических машин и показано, что электрические машины постоянного тока обратимы, т. е. генератор можно использовать в качестве двигателя, а двигатель — в качестве генератора. Однако на практике целесообразно машины использовать по их прямому назначению, так как это способствует улучшению их эксплуатационных характеристик.

В двигателях постоянного тока обмотка возбуждения может включаться относительно якоря параллельно и последовательно или может состоять из двух частей (катушек), одна из которых включается параллельно с якорем, а другая — последовательно (смешанное возбуждение). Возможно и независимое включение обмотки возбуждения. Способ возбуждения двигателя резко влияет на его механические свойства (характеристики).

Рассмотрим общие для двигателей постоянного тока вопросы, связанные с пуском, работой и регулированием частоты вращения якоря двигателя.

Приложенное к зажимам якоря двигателя напряжение должно уравновешивать падение напряжения не только на внутреннем сопротивлении якоря /, R_ay но и противоЭДС двигателя:

т.е. противоЭДС уменьшит ток якоря по сравнению с тем его значением, которое бы он имел при неподвижном якоре.

При номинальной нагрузке двигателя противоЭДС очень мало отличается от приложенного напряжения (так как в силу малого сопротивления якоря падение напряжения на нем очень мало) и составляет (0,93…0,97)?Л В момент пуска, когда якорь неподвижен, противоЭДС равна нулю и ток якоря определяется выражением.

Этот ток в 10…30 раз больше номинального, и он опасен как для целостности обмотки якоря, так и для сети, напряжение которой снизится в момент пуска из-за большого тока.

Допустимое значение пускового тока не должно превышать номинальный ток /_н более чем в 1,5−2 раза. С этой целью при пуске двигателя последовательно с цепью якоря вводится дополнительное сопротивление — сопротивление пускового реостата ПР (рис. 7.13.1).

Рис. 7.13.1.

По мере увеличения скорости вращения противоЭДС якоря растет, ток уменьшается и сопротивление пускового реостата полностью выводится. Следует отметить, что пусковой реостат рассчитан на кратковременную работу и после окончания пускового периода его необходимо полностью вывести, так как в противном случае он перегорит. Зависимость тока якоря и числа оборотов при пуске от времени показана на рисунке 7.13.2.

Рис. 7.13.2.

Для быстрого разгона двигателя необходимо иметь большой пусковой момент, что может быть обеспечено за счет магнитного потока (Л/= с_н1_л Ф). Поэтому в момент пуска двигателя ток в обмотке возбуждения должен иметь наибольшее возможное значение, а это означает, что при пуске двигателя напряжение на обмотке возбуждения не следует снижать.

Двигатели малой мощности имеют сравнительно большое сопротивление якорной обмотки и относительно малый момент инерции якоря, поэтому их включение допустимо без пусковых реостатов.

Если уравнение ЭДС машины постоянного тока (Е = с_епФ) написать относительно скорости вращения якоря и ЭДС заменить разностью между напряжением сети и внутренним падением напряжения в якоре (Е = U-I_aR"), то мы получим формулу для анализа свойств двигателя:

Это уравнение показывает, что изменение потока возбуждения вызывает изменение частоты вращения якоря (при постоянном тормозящем моменте на валу двигателя). Такое явление можно объяснить следующим образом. Увеличение магнитного потока вызывает увеличение противоЭДС ?, что приводит к уменьшению тока якоря /" и уменьшению вращающего момента. Нарушается равновесие между вращающим и тормозным моментами. В результате частота вращения убывает (двигатель начинает останавливаться). Но вместе с уменьшением частоты вращения уменьшается и противоЭДС Е и возрастает ток якоря до тех пор, пока снова не восстановится равновесие между вращающим и тормозным моментами, но при новом (уменьшенном) числе оборотов. При уменьшении магнитного потока процесс идет в обратном направлении.

При малой нагрузке (при холостом ходе), когда /"/?, мало, частоту вращения можно считать обратно пропорциональной магнитному потоку Ф. Поэтому сильное уменьшение магнитного потока вызывает очень большое возрастание частоты вращения двигателя до значений, опасных для его механической целостности. В этом отношении чрезвычайно опасен обрыв цепи обмотки возбуждения.

Регулирование частоты вращения п двигателя, как следует из выражения (7.13.1), возможно не только за счет изменения магнитного потока Ф, но и за счет изменения напряжения на якоре U_n. Это можно осуществить реостатом, включенным последовательно с якорем, однако такой способ энергетически невыгоден и потому не имеет широкого практического применения. Возможно изменение числа оборотов двигателя и изменение напряжения U на его зажимах.

На частоту вращения якоря двигателя влияет также и момент нагрузки (тормозной момент), который при установившейся частоте вращения всегда равен вращающему моменту двигателя.

Зависимость частоты вращения от момента, развиваемого двигателем, при постоянном напряжении называется механической характеристикой двигателя:

Уравнение механической характеристики можно получить из приведенной выше формулы числа оборотов двигателя, если ток якоря выразить через вращающий момент:

тогда.

и.

где п₀ =—скорость при идеальном холостом ходе, когда мо;

с, Ф

мент сопротивления, а следовательно, и момент М, развиваемый двигателем, также равны нулю.

Форма механической характеристики двигателя сильно зависит от способа его возбуждения.

Для изменения направления вращения (реверсирования) двигателя необходимо изменить направление тока в якоре либо в обмотке возбуждения.