Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко используются в современных электроприводах, когда требуется плавное изменение частоты вращения и высокий пусковой момент. Полный цикл работы любого двигателя можно разделить на четыре этапа:

● пуск-период, в течение которого двигатель разгоняется от нулевой скорости, до рабочей. Он характеризуется пусковым током, который по возможности должен быть малым, пусковым моментом, который, наоборот, должен быть высоким. Время пуска должно быть коротким.

● рабочий период характеризуется неизменными напряжениями на цепях двигателя. Основными характеристиками механической энергии на этом этапе являются вращающий момент и частота вращения, а наиболее важной рабочей характеристикой является механическая характеристика, зависимость частоты вращения от момента на валу, n=f

● регулирование – в этот период осуществляется воздействие на цепи двигателя с целью изменения частоты вращения двигателя. Способ регулирования определяется пределом и ступенями изменения числа оборотов и экономичностью регулирования.

● торможение – в большинстве случаев осуществляется естественным путем под действием трения, после отключения цепей двигателя от сети.

В зависимости от способа соединения якоря с обмотками статора, создающими магнитное поле, двигатели могут быть с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

В двигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря, поэтому ток возбуждения не зависит от тока якоря, , а общий ток потребляемый двигателем складывается из тока якоря и тока возбуждения.

I=I_в+I_я . (5.5)

Каждый из этих токов может быть вычислен по закону Ома:

и (5.6)

где R_в и R_я сопротивления обмоток возбуждения и якоря.

На основании (5.2) можно записать:

. (5.7)

Из (5.3) следует, что в момент пуска, когда n=0, E_я=0 и пусковой ток якоря

Поскольку сопротивление якоря мало, то пусковой ток значительно превышает номинальный. У современных двигателей кратность пускового тока =25÷40. Такой толчок тока опасен для целостности коллектора двигателя, вызывает падение напряжения в сети, что негативно отражается на работе дру- гих потребителей. Поэтому для ограничения пускового тока в цепь якоря включается пусковой реостат, сопротивление которого берется таким, чтобы кратность пускового тока не превышала 2,0÷2,5.

Рис.5.3. Схема включения двигателя параллельного возбуждения

Совместное решение (5.3) и (5.7) дает выражение описывающее частоту вращения после разгона двигателя:

n= . (5.8)

Уравнение (5.8) называется скоростным, оно показывает возможные пути регулирования частоты вращения изменением напряжения, магнитного потока или тока якоря.

Из (5.4) следует

.

Подставляя последнее выражение в скоростное уравнение (5.8) получим уравнение механической характеристики:

n= . (5.9)

Рис.5.4 Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения

Значение пускового момента можно определить графически, если продлить естественную механическую характеристику до пересечения ее с осью моментом. Аналитическое выражение для пускового момента можно получить положив n=0 в уравнении (5.9).

Двигатели параллельного возбуждения имеют высокий пусковой момент и допускают глубокое и плавное регулирование, очень жесткую механическую характеристику. По этим причинам они применяются в приводах, где по условиям работы требуется большое постоянство скорости в широком диапазоне нагрузок, в приводах с тяжелыми условиями пуска.

У двигателя последовательного возбужденияобмотка возбуждения включается последовательно с якорем. Поэтому магнитный поток двигателя зависит от тока якоря, а значит и от нагрузки: , Ф=f .

Качественно величину магнитного потока можно оценить, воспользовавшись магнитным законом Ома:

Ф= , (5.10)

где - магнитное сопротивление.

Скоростное уравнение аналогично двигателю параллельного возбуждения, в него дополнительно входит сопротивление обмотки возбуждения:

n= (5.11)

Из уравнения (5.11) видно, что регулировать частоту вращения можно теми же способами, что и у двигателя параллельного возбуждения.

Подстановка (5.10) в (5.11) дает скоростное уравнение:

n= (5.12)

Оно показывает, что частота вращения якоря практически обратно пропорциональна току якоря.

Рис. 5.5. Схема включения двигателя последовательного возбуждения

Решая совместно относительно тока якоря (5.4) и (5.10) получим:

= . (5.13)

Следовательно, при увеличении нагрузки, потребляемый двигателем ток увеличивается незначительно.

Подставляя значение тока из (5.13) в (5.12) и объединяя постоянные величины, получим уравнение механической характеристики:

n= C, (5.14)

где k и C – константы.

Уравнение (5.14) показывает, что механическая характеристика этого двигателя мягкая. Двигатель последовательного возбуждения легко выносит перегрузки, т.к. при перегрузках ток возрастает умеренно. Двигатель имеет высокий пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения. По этим причинам двигатели последовательного возбуждения широко используются на магистральном и городском электротранспорте.

Аналитическое выражение пускового момента можно получить из уравнения механической характеристики, положив n=0.