Работа машины постоянного тока в режиме двигателя

При работе машины постоянного тока в режиме двигателя обмотка якоря подключается к источнику постоянного тока U_Я.

Вследствие взаимодействия тока протекающего в активных проводниках обмотки якоря с магнитным потоком возбуждения на валу машины возникает момент электромагнитных сил (см.2.16), который при работе машины в режиме двигателя является вращающим моментом

M_Е = C_мФI_я, (2.20)

Якорь двигателя начинает вращаться в направлении определяемом направлением вектора вращающегося момента. Для изменения направления вращения следует изменить либо направление тока в якоре (полярность напряжения подведенного к якорю), либо направление магнитного потока возбуждения (полярность напряжения подведенного к обмотке возбуждения).

Двигатели постоянного тока могут включаться (см. рис. 2.13), по схемам с независимым, параллельным), последовательным или смешанным возбуждением. Применяются также двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

Схемы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением применяются в основном в приводах с нерегулируемой или регулируемой в небольших пределах скоростью вращения. В регулируемых приводах как правило применяются двигатели с независимым возбуждением или с постоянными магнитами.

При вращении якоря в его обмотке индуктируется ЭДС E_Я определяемая выражением (2.13). У двигателя эта ЭДС является противоэлектродвижущей силой и направлена против напряжения, подведенного к якорю.

Напряжение, подведенное к якорю, уравновешивается этой противо - ЭДС и падением напряжения на активном сопротивлении якоря.

(2.21)

Отсюда находим уравнение частотной (скоростной) характеристики двигателя n(I_Я).

(2.22)

Подставляя в (2.22) I_Я из (2.20) получаем уравнение механической характеристики двигателя n(M).

(2.23)

Из уравнения (2.23) следует, что скорость вращения можно регулировать следующими способами

1. Изменением сопротивления цепи якоря. Способ легко реализуется включением реостата последовательно в цепь якоря. Однако этот способ во первых не экономичен, вследствие потерь энергии в реостате, а кроме того снижает жесткость механических характеристик (усиливается зависимость скорости от момента нагрузки). На рис. 2.16 приведены механические характеристики двигателя при отсутствии (R_Р =0) и наличии (R_Р >0) регулировочного сопротивления R_Р в цепи якоря.

Рисунок 2.16 – Механические характеристики двигателя

2. Изменением магнитного потока возбуждения путем изменения напряжения на обмотке возбуждения. Однако при этом регулировочная характеристика является нелинейной, а кроме того при изменении потока возбуждения изменяется вращающий момент на валу двигателя.

3. Изменением напряжения подводимого к якорю. Данный способ является наиболее рациональным, так как обеспечивает регулирование скорости в широких пределах при сохранении практически неизменным вращающего момента и сохранении жесткости механических характеристик.

Способ чаще всего реализуется применением управляемого тиристорного выпрямителя или транзисторного импульсного регулятора напряжения с широтно – импульсной модуляцией.

Двигатель постоянного тока обладает свойством саморегулирования – при изменении нагрузки автоматически устанавливается новое значение скорости, при которой двигатель работает устойчиво. Роль регулятора играет противо – ЭДС в обмотке якоря. В установившемся режиме вращающий электромагнитный момент двигателя равен статическому моменту нагрузки

(М_Е = М_С). Ток, потребляемый двигателем, в соответствии с (2.20), определяется моментом на валу двигателя:

(2.24)

Статический момент нагрузки М_С включает в себя момент нагрузки М_Н и момент потерь холостого хода М₀ , обусловленный трением в подшипниках, трением щеток и потерями в якоре на вихревые токи.

C ростом момента на валу уменьшается (см. 2.23) скорость вращения двигателя n и противо – ЭДС Е, а потребляемый ток будет возрастать, пока при новом значении скорости не восстановится равенство (2.21). При уменьшении момента на валу уменьшится ток I_Я , что, в соответствии с (2.21) приведет (при U_Я = const) к возрастанию Е за счет роста скорости.

Таким образом изменение момента нагрузки приводит к некоторому изменению скорости вращения двигателя, то есть механическая характеристика двигателя n = f(M_Н) является пологопадающей. Для обеспечения стабильной скорости вращения (жесткости механической характеристики) электропривод следует выполнять с системой стабилизации скорости (частоты) вращения.