32. Механические характеристики ЭД постоянного тока
Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения: Уравнение механической характеристики имеет вид:
,
где ω - частота вращения, рад/с; Rob -
сопротивление обмотки последовательного
возбуждения, Ом; α- коэффициент линейной
зависимости (в первом приближении)
магнитного потока от тока якоря.
Из рассмотрения рис. следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 -- 0,25) IН0М; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением.
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения: Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока якоря (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. Следовательно, механическая характеристика будет линейной.
Уравнение
механической характеристики имеет
вид:
где
ω - частота вращения, рад/с; U - напряжение,
приложенное к цепи якоря, В; Ф - магнитный
поток, Вб; Rя, Rд - сопротивление якоря
и добавочное в его цепи, Ом: α-
конструктивная постоянная двигателя.
где
р - число пар полюсов двигателя; N -
число активных проводников якоря
двигателя; α - число параллельных ветвей
обмотки якоря. Вращающий момент двигателя,
Н*м.
-
ЭДС двигателя постоянного тока, В. При
постоянном магнитном потоке Ф = const,
полагая с=к Ф,
Тогда
выражение для вращающего момента, Н*м:
1. Механическая характеристика е, полученная для условий Rд = О, Rв = 0, т.е. напряжение на якоре и магнитный поток двигателя равны номинальным значениям, называется естественной (рис. 17.6).
2, Если Rд > О (Rв = 0), получаются искусственные - реостатные характеристики 1 и 2, проходящие через точку ω0 -скорость идеального холостого хода машины. Чем больше Яд, тем характеристики круче.3, Если изменять напряжение на зажимах якоря посредством преобразователя при условии, что Rд = 0 и Rв = 0, то искусственные механические характеристики имеют вид 3 и 4и проходят параллельно естественной и тем ниже, чем меньше величина напряжения.
4, При номинальном напряжении на якоре (Rд = 0) и уменьшении магнитного потока (Rв > 0) характеристики имеют вид5 и проходят тем выше естественной и круче ее, чем меньше магнитный поток.
Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения: Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.
При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим "разноса" двигателя при снятии нагрузки.
17.Характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. 1. В этом двигателе имеются две обмотки возбуждения – параллельная (шунтовая, ШО), подключенная параллельно цепи якоря, и последовательная (сериесная,СО), подключенная последовательно цепи якоря. Эти обмотки по магнитному потоку могут быть включены согласно или встречно.
Рис. 1 - Схема электродвигателя смешанного возбуждения.
При согласном включении обмоток возбуждения их МДС складываются и результирующий поток Ф примерно равен сумме потоков, создаваемых обеими обмотками. При встречном включении результирующий поток равен разности потоков параллельной и последовательной обмоток. В соответствии с этим, свойства и характеристики электродвигателя смешанного возбуждения зависят от способа включения обмоток и от соотношения их МДС.
Скоростная характеристика n=f (Ia) при U=Uн и Iв=const (здесь Iв - ток в параллельной обмотке).
С увеличением нагрузки результирующий магнитный поток при согласном включении обмоток возрастает, но в меньшей степени, чем у двигателя последовательного возбуждения, поэтому скоростная характеристика в этом случае оказывается более мягкой, чем у двигателя параллельного возбуждения, но более жесткой, чем у двигателя последовательного возбуждения.
Соотношение между МДС обмоток может меняться в широких пределах. Двигатели со слабой последовательной обмоткой имеют слабо падающую скоростную характеристику (кривая 1, рис. 2).
Рис.
2 - Скоростные характеристики двигателя
смешанного возбуждения.
Чем больше доля последовательной обмотки в создании МДС, тем ближе скоростная характеристика приближается к характеристике двигателя последовательного возбуждения. На рис.2 линия 3 изображает одну из промежуточных характеристик двигателя смешанного возбуждения и для сравнения дана характеристика двигателя последовательного возбуждения (кривая 2).
При встречном включении последовательной обмотки с увеличением нагрузки результирующий магнитный поток уменьшается, что приводит к увеличению скорости двигателя (кривая 4). При такой скоростной характеристике работа двигателя может оказаться неустойчивой, т.к. поток последовательной обмотки может значительно уменьшить результирующий магнитный поток. Поэтому двигатели со встречным включением обмоток не применяются.
Механическая характеристика n=f (М) при U=Uн и Iв=const. двигателя смешанного возбуждения показана на рис.3 (линия 2).
Рис. 3 - Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Она располагается между механическими характеристиками двигателей параллельного (кривая 1) и последовательного (кривая 3) возбуждения. Подбирая соответствующим образом МДС обеих обмоток, можно получить электродвигатель с характеристикой, близкой к характеристике двигателя параллельного или последовательного возбуждения.
Область применения двигателей последовательного, параллельного и смешанного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях параллельного возбуждения.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях смешанного возбуждения.
Полная механическая характеристика двигателя постоянного тока позволяет правильно определиться с основными свойствами электродвигателя, а также проконтролировать их соответствие всем требованиям, предъявляемым на сегодняшний день к машинам или устройствам технологического типа.
Особенности конструкции
Представлены вращающимися нагнетательными элементами, которые размещаются на поверхности статически закрепленной станины. Устройства подобного типа получили широкое применение и эксплуатируются при необходимости обеспечивать разнообразие скоростного регулирования в условиях стабильности вращательных движений привода.
С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:
- роторной или якорной частью в виде большого количества катушечных элементов, покрытых специальной токопроводящей обмоткой;
- статичным индуктором в виде стандартной станины, дополненной несколькими магнитными полюсами;
- функциональным щеточным коллектором цилиндрической формы, располагающимся на валу и имеющим медную пластинчатую изоляцию;
- статично зафиксированными контактными щетками, используемыми с целью подведения достаточного количества электротока на роторную часть.
Как правило, электрические двигатели ПТ оснащаются специальными щетками графитового и медно-графитного типа. Вращательные движения вала провоцируют замыкание и размыкание контактной группы, а также способствуют искрению.
Определенное количество механической энергии поступает от роторной части к другим элементам, что обусловлено наличием передачи ременного типа.
Принцип функционирования
Синхронные устройства обращенного функционала характеризуются сменой выполнения задач статором и ротором. Первый элемент служит для возбуждения магнитного поля, а второй в этом случае преобразует достаточное количество энергии.
Якорное вращение в условиях магнитного поля наводится при помощи ЭДС, а движение направлено в соответствии с правилом правой руки. Поворот на 180 о сопровождается стандартной сменой движения ЭДС.
Принцип действия двигателя постоянного тока
Коллекторы посредством щеточного механизма соединяются с двумя витковыми сторонами, что провоцирует удаление пульсирующего напряжения и вызывает образование постоянных токовых величин, а снижение якорной пульсации осуществляется добавочными витками.
Механическая характеристика
На сегодняшний день эксплуатируются электромоторы ПТ нескольких категорий, имеющие различные виды возбуждения:
- независимого типа, при котором обмоточное питание определяется независимым источником энергии;
- последовательного типа, при котором подключение якорной обмотки выполняется в последовательном направлении с обмоточным элементом возбуждения;
- параллельного типа, при котором роторная обмотка подключается в электрической цепи в параллельном для источника питания направлении;
- смешанного типа, основанном на наличии нескольких последовательных и параллельных обмоточных элементов.
Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ
Механические моторные характеристики подразделяются на показатели естественного и искусственного вида. Неоспоримые преимущества ДПТ представлены повышенными показателями производительности и увеличенным КПД.
Благодаря особым механическим характеристикам устройства с постоянными токовыми величинами способны легко переносить негативные внешние воздействия, что объясняется закрытым корпусом с уплотнительными элементами, абсолютно исключающими попадание влаги внутрь конструкции.
Модели независимого возбуждения
Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.
Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.
Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением
Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:
- ω - показатели вращательной частоты;
- U - показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
- Ф - параметры магнитного потока;
- R я и R д - уровень якорного и добавочного сопротивления;
- Α - константа конструкции движка.
Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.
Модели последовательного возбуждения
ДПТ с ПТВ представляют собой устройство электрического типа с постоянными токовыми величинами, имеющими обмотку возбуждения, последовательно подключенную к якорной обмотке. Данный тип движков характеризуется справедливостью следующего равенства: током, протекающим в обмотке якоря, равным током обмоточного возбуждения, или I=I в =I я.
Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении
При использовании последовательного типа возбуждения:
- n 0 - показатели частоты вращения вала в условиях холостого хода;
- Δ n - показатели изменения частоты вращения в условиях механической нагрузки.
Смещение механических характеристик вдоль оси ординат позволяет им оставаться в полностью параллельном расположении друг другу, благодаря чему регулирование вращательной частоты при изменении данного напряжения U, подведенного к якорной цепи, становится максимально благоприятным.
Модели смешанного возбуждения
Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.
В условиях смешанного типа возбуждения:
Двигатель смешанного возбуждения
Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.
Уравнение механической характеристики
Наиболее важные механические характеристики ДПТ представлены естественными и искусственными критериями, при этом первый вариант сравним с номинальным напряжением питания в условиях полного отсутствия добавочного сопротивления на обмоточных цепях мотора. Несоответствие любому из заданных условий позволяет рассматривать характеристику в качестве искусственной.
ω = U я / k Ф - (R я + R д)/(k Ф)
Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. - Δ ω, где:
- ω о.ид. = U я /k Ф
- ω о.ид - показатели угловой скорости холостого идеального хода
- Δ ω = Мэм. [(R я +R д)/(k Ф)2]- снижение показателей угловой скорости под воздействием нагрузки на вал мотора при пропорциональном сопротивлении цепи якоря
Характеристики уравнения механического типа представлены стандартной устойчивостью, жесткостью и линейностью.
Заключение
Согласно применяемым механическим характеристикам любые ДПТ отличаются конструктивной простотой, доступностью и возможностью осуществлять регулировку частоты валового вращения, а также легкостью пуска ДПВ. Кроме прочего, такие устройства могут применяться в качестве генератора и обладают компактными габаритами, что хорошо нивелирует недостатки в виде быстро изнашиваемых графитовых щеток, высокой себестоимости и необходимости обязательно подключать токовые выпрямители.
Видео на тему
Схема двигателя. Схема двигателя последовательного возбуждения изображена на рис. 1.31. Ток, потребляемый двигателем из сети, протекает по якорю и обмотке возбуждения, соединенной с якорем последовательно. Поэтому I = I я = I в.
Также последовательно с якорем включен пусковой реостат R п, который, как и у двигателя параллельного возбуждения, после выпуска выводится.
Уравнение механической характеристики. Уравнение механической характеристики может быть получено из формулы (1.6). При токах нагрузки, меньших (0,8 – 0,9) I ном, можно считать, что магнитная цепь двигателя не насыщена и магнитный поток Ф пропорционален току I: Ф = kI, где k = const. (При больших токах коэффициент k несколько уменьшается). Заменяя в (1.2) Ф, получаем М = С м kI откуда
Подставим Ф в (1.6):
n = 
(1.11)
График, соответствующий (1.11), представлен на рис. 1.32 (кривая 1). При изменении момента нагрузки частота вращения двигателя резко изменяется – характеристики подобного типа называются «мягкими». При холостом ходе, когда М » 0, частота вращения двигателя безгранично возрастает и двигатель «идет вразнос».
Ток, потребляемый двигателем последовательного возбуждения, при увеличении нагрузки растет в меньшей степени, чем у двигателя параллельного возбуждения. Это объясняется тем, что одновременно с ростом тока растет поток возбуждения и вращающий момент становится равным моменту нагрузки при меньшем токе. Эта особенность двигателя последовательного возбуждения используется там, где есть значительные механические перегрузки двигателя: на электрифицированном транспорте, в подъемно-транспортных механизмах и других устройствах.
Регулирование частоты вращения. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока, как указывалось выше, возможно тремя способами.
Изменение возбуждения можно осуществить включением реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 1.31) или включением реостата R р2 параллельно якорю. При включении реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения магнитный поток Ф можно уменьшать от номинального до минимального Ф min . Частота вращения двигателя при этом будет увеличиваться (в формуле (1.11) уменьшается коэффициент k). Механические характеристики, соответствующие этому случаю, показаны на рис. 1.32, кривые 2, 3. При включении реостата параллельно якорю ток в обмотке возбуждения, магнитный поток и коэффициент k увеличиваются, а частота вращения двигателя уменьшается. Механические характеристики для этого случая изображены на рис. 1.32, кривые 4, 5. Однако регулирование вращения реостатом, включенном параллельно якорю, применяется редко, так как потери мощности в реостате и КПД двигателя уменьшается.
Изменение частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря возможно при включении реостата R р3 последовательно в цепь якоря (рис. 1.31). Реостат R р3 увеличивает сопротивление цепи якоря, что ведет к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. (В (1.11) вместо R я надо подставить R я + R р3 .) Механические характеристики при этом способе регулирования представлены на рис. 1.32, кривые 6, 7. Подобное регулирование используется сравнительно редко из-за больших потерь в регулировочном реостате.
Наконец, регулирование частоты вращения изменением напряжения сети, как и в двигателях параллельного возбуждения, возможно только в сторону уменьшения частоты вращения при питании двигателя от отдельного генератора или управляемого выпрямителя. Механическая характеристика при этом способе регулирования изображена на рис. 1.32, кривая 8. При наличии двух двигателей, работающих на общую нагрузку, они с параллельного соединения могут переключаться на последовательное, напряжение U на каждом двигателе при этом уменьшается вдвое, соответственно уменьшается и частота вращения.
Тормозные режимы двигателя последовательного возбуждения. Режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в двигателе последовательного возбуждения невозможен, так как получить частоту вращения n>n x не представляется возможным (n х = ).
Режим торможения противовключением можно получить, так же как в двигателе параллельного возбуждения, путем переключения выводов обмотки якоря или обмотки возбуждения.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения
В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: i в = I а = I . Поэтому поток Ф δ изменяется в широких пределах и можно написать, что
  | (3) |
  | (4) |
Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При k Ф = const вид кривой n = f (I ) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P 2 = (0,2 – 0,25) P н.
Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения n = f (M ) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1 ).
Поскольку у двигателей параллельного возбуждения M ∼ I , а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M ∼ I ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) I н, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при R а = 0)
n ∼ U / I ∼ U / √M .
Поэтому у двигателей параллельного возбуждения
P 2 = Ω × M = 2π × n × M ∼ M ,
а у двигателей последовательного возбуждения
P 2 = 2π × n × M ∼ √M .
Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M ст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
 |
| Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а ), шунтирования якоря (б ) и включения сопротивления в цепь якоря (в ) |
Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f (I ) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) E а и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.
Регулирование скорости посредством ослабления поля
Регулирование n посредством ослабления поля производится либо путем шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением R ш.в (рисунок 2, а ), либо уменьшением числа включенных в работу витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть предусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.
Так как сопротивление обмотки возбуждения R в и падение напряжения на нем малы, то R ш.в также должно быть мало. Потери в сопротивлении R ш.в поэтому малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, и такой способ регулирования широко применяется на практике.
При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения со значения I уменьшается до
и скорость n соответственно увеличивается. Выражения для скоростной и механических характеристик при этом получим, если в равенствах (2) и (3) заменим k Ф на k Ф k о.в, где
представляет собой коэффициент ослабления возбуждения. При регулировании скорости изменение числа витков обмотки возбуждения
k о.в = w в.раб / w в.полн.
На рисунке 3 показаны (кривые 1 , 2 , 3 ) характеристики n = f (M ) для этого случая регулирования скорости при нескольких значениях k о.в (значению k о.в = 1 соответствует естественная характеристика 1 , k о.в = 0,6 – кривая 2 , k о.в = 0,3 – кривая 3 ). Характеристики даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда k Ф = const и R а* = 0,1.
  |
| Рисунок 3. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при разных способах регулирования скорости вращения |
Регулирование скорости путем шунтирования якоря
При шунтировании якоря (рисунок 2, б ) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R в × I мало и поэтому можно принять R в ≈ 0, то сопротивление R ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.
Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.
На рисунке 3 кривая 4 n = f (M ) при
I ш.а ≈ U / R ш.а = 0,5 I н.
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря (рисунок 2, в ). Этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения. Так как одновременно при этом значительно уменьшается к. п. д., то такой способ регулирования находит ограниченное применение.
Выражения для скоростной и механической характеристик в этом случае получим, если в равенствах (2) и (3) заменим R а на R а + R ра. Характеристика n = f (M) для такого способа регулирования скорости при R ра* = 0,5 изображена на рисунке 3 в виде кривой 5 .
 |
| Рисунок 4. Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения |
Регулирование скорости изменением напряжения
Этим способом можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранение высокого к. п. д. Рассматриваемый способ регулирования широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного включения в сеть на последовательное (рисунок 4). На рисунке 3 кривая 6 представляет собой характеристику n = f (M ) для этого случая при U = 0,5U н.
