Механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Двигательный режим

Схема включения двигателя приведена на рис. 2.8. Якорь двигателя М и обмотка возбуждения LM включены последовательно и получают питание от одного источника U. Поэтому ток якоря I_я является и током возбуждения I_в. Это обстоятельство определяет единственное отличие в конструкции двигателя с последовательным возбуждением от двигателя с независимым возбуждением: обмотка возбуждения LM ДПТ с последовательным возбуждением выполнена проводником того же сечения, что и обмотка якоря.

Рис. 2.8. Схема включения ДПТ с последовательным возбуждением.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению направления U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

где ω – угловая скорость двигателя; Ф – поток двигателя; - конструктивный коэффициент двигателя данные для расчета, которого приводятся в справочниках. Здесь р – число пар полюсов двигателя; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока I_Я, как и направление Е на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя I_{я доп} ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток I_ян более чем в 2,5 раза I_{я доп} ≤ 2,5 I_ян.

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя уравновешивается падением напряжения в якорной цепи I_яR_яц и наведенной в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

U= I_Я R_ЯЦ + Е

где R_ЯЦ=R_Я+R_ДП+R_КО+R_В+R_П – суммарное сопротивление якорной цепи. Здесь R_Я- сопротивление обмотки якоря; R_ДП – сопротивление обмотки дополнительных полюсов; R_КО – сопротивление компенсационной обмотки; R_В – сопротивление обмотки возбуждения; R_П – сопротивление пускового реостата.

Величина I_Я в установившемся режиме будет равна:

В режиме пуска Е=0, поэтому из-за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток I_{Я П} может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого R_П выбирается таким образом, чтобы I_{Я П}≤ I_{Я ДОП}

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е ее значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя ω от тока якоря I_Я ω=f(I_Я), которая называется электромеханической характеристикой:

Поскольку обмотка возбуждения включена последовательно с якорем двигателя, создаваемый ею магнитный поток Ф является функцией тока якоря I_Я. Зависимость Ф= f(I_Я) называется кривой намагничивания и носит нелинейный характер типа «зона насыщения». Точного аналитического описания этой кривой не существует, поэтому нет и точного аналитического описания механической характеристики ДПТ с последовательным возбуждением. Если, пренебрегая насыщением магнитной системы, предположить линейную зависимость между Ф и I_Я с коэффициентом пропорциональности α, то есть считать Ф=αI_Я, то вращающий момент будет равен:

М=kФI_Я=kαI_Я²

Отсюда величина тока якоря будет равна:

Подставив в уравнение электромеханической характеристики значение для I_я, получим уравнение механической характеристики:

где А=U/kα; В= R_ЯЦ /(kα) – постоянные величины.

Анализ полученного уравнения показывает, что ось ординат является асимптотой для кривой и что в области малых значений моментов она имеет большую крутизну

При R_П=0 и U=U_н двигатель работает на естественной характеристике. Для построения естественной характеристики используются так называемые универсальные характеристики, приводимые в каталогах для каждой серии двигателей. Они представляют зависимости n=f(I_Я) и М= f(I_Я) в относительных единицах. Зная номинальные данные двигателя, можно построить его характеристику в абсолютных величинах. Такая характеристика приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Особенностью характеристики является резкое увеличение скорости при уменьшении момента сопротивления М_с. По этому двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением нельзя запускать в тех случаях, когда М_с<15÷20% М_н, так как скорость двигателя может превышать допустимое значение ω_доп=2,5 ω_н. Пояснить эту особенность можно, рассмотрев процессы, протекающие в двигателе при уменьшении нагрузки. Допустим, что двигатель работал в точке А на естественной характеристике (см. рис. 2.9.) в установившемся режиме со скоростью ω₁. При уменьшении момента сопротивления от величины М_с1 например, до величины М_с2, появляется положительный динамический момент М_Д>0 и скорость двигателя начинает увеличиваться. При независимом возбуждении следствием этого будет увеличение э.д.с. вращения и уменьшение тока якоря и вращающего момента . Увеличение скорости и уменьшение момента двигателя будет продолжаться до тех пор, пока момент двигателя М на станет равным М_с2 и М_Д станет равным нулю.

При последовательном возбуждении э.д.с. вращения Е оказывается функцией двух величин – увеличивающейся скорости ω и уменьшающегося потока Ф. В результате этого величина Е, а значит и величины I_Я и М, с ростом скорости существенно изменятся не будет, что приводит к сохранению М_Д>0 и дальнейшему росту скорости. Если сопротивление пускового реостата R_П>0, то статическое падение скорости Δω_с при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике. Поэтому реостатные характеристики будут иметь большой наклон к оси абсцисс.

При последовательном возбуждении вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря и ограничение пускового тока значением I_{Я ДОП}≤2,5I_ЯН позволяет получить гораздо больше чем при независимом возбуждении значение М_ДОП=5 М_Н. Коэффициент перегрузки двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по моменту

K_П= М_ДОП /М_Н равен пяти. Такой перегрузочной способностью не обладает больше не один электрический двигатель. Именно благодаря этому свойству двигатели с последовательным возбуждением используются в электрическом транспорте и подъемных механизмах.