32. Механічні характеристики ЕД постійного струму
Двигун постійного струму послідовного збудження: Рівняння механічної характеристики має вигляд:
, де - частота обертання, рад/с; Rob – опір обмотки послідовного збудження, Ом; α-коефіцієнт лінійної залежності (у першому наближенні) магнітного потоку від струму якоря.
З розгляду рис. слід, що механічні характеристики розглянутого двигуна (природна та реостатні) є м'якими і мають гіперболічний характер. При малих навантаженнях частота обертання різко зростає і може перевищити максимально допустиме значення (двигун йде в «рознесення»). Тому такі двигуни не можна застосовувати для приводу механізмів, що працюють в режимі холостого ходу або при невеликому навантаженні (різні верстати, транспортери та ін.). Зазвичай мінімально допустиме навантаження становить (0,2 - 0,25) IН0М; тільки двигуни малої потужності (десятки ват) використовують для роботи в пристроях, де можливий холостий хід. Щоб запобігти можливості роботи двигуна без навантаження, його з'єднують із приводним механізмом жорстко (зубчастою передачею або глухою муфтою); застосування ременной передачі або фрикційної муфти для включення неприпустимо.
Незважаючи на зазначений недолік, двигуни з послідовним збудженням широко застосовують у різних електричних приводах, особливо там, де є зміна навантажувального моменту в широких межах і важкі умови пуску (вантажопідйомні та поворотні механізми, тяговий привід та ін.). Це тим, що м'яка характеристика двигуна більш сприятлива для зазначених умов роботи, ніж жорстка характеристика двигуна з паралельним збудженням.
Двигун постійного струму незалежного збудження: Характерною особливістю двигуна і те, що його струм збудження залежить від струму якоря (струму навантаження), оскільки живлення обмотки збудження сутнісно незалежне. Отже, нехтуючи дією, що розмагнічує реакції якоря, можна наближено вважати, що і потік двигуна не залежить від навантаження. Отже, механічна характеристика буде лінійною.
Рівняння механічної характеристики має вигляд: 
де - частота обертання, рад/с; U - напруга, прикладена до ланцюга якоря,; Ф – магнітний потік, Вб; Rя, Rд - опір якоря і додатковий у його ланцюга, Ом: - конструктивна постійна двигуна.
де р – число пар полюсів двигуна; N – число активних провідників якоря двигуна; α - число паралельних гілок обмотки якоря. Обертальний момент двигуна, Н*м.
- ЕРС двигуна постійного струму, В. При постійному магнітному потоці Ф = const, вважаючи с = Ф, 
Тоді вираз для крутного моменту, Н*м: 
1. Механічна характеристика е, отримана умов Rд = Про, Rв = 0, тобто. напруга на якорі та магнітний потік двигуна дорівнюють номінальним значенням, називається природною (рис. 17.6).
2, Якщо Rд > О (Rв = 0), виходять штучні - реостатні характеристики 1 і 2, що проходять через точку ω0 -швидкість ідеального холостого ходу машини. Чим більше Яд, тим характеристики крутіше.3 Якщо змінювати напругу на затисканнях якоря за допомогою перетворювача за умови, що Rд = 0 і Rв = 0, то штучні механічні характеристики мають вигляд 3 і 4і проходять паралельно природною і тим нижче, чим менше величина напруги.
4, При номінальній напрузі на якорі (Rд = 0) і зменшенні магнітного потоку (Rв > 0) характеристики мають вид5 і проходять тим вище природної і крутіше її, чим менше магнітний потік.
Двигун постійного струму змішаного збудження: Характеристики цих двигунів є проміжними між характеристиками двигунів паралельного та послідовного збудження.
При відповідному включенні послідовної та паралельної обмоток збудження двигун змішаного збудження має більший пусковий момент, порівняно з двигуном паралельного збудження. При зустрічному включенні обмоток збудження двигун набуває жорсткої механічної характеристики. Зі збільшенням навантаження магнітний потік послідовної обмотки збільшується і, віднімаючи з потоку паралельної обмотки, зменшує загальний потік збудження. При цьому швидкість обертання двигуна не тільки не зменшується, а може навіть збільшуватись (рис.6.19). І в тому, і в іншому випадку наявність магнітного потоку паралельної обмотки виключає режим рознесення двигуна при знятті навантаження.
17. Характеристики двигуна змішаного збудження.
Принципова схема електродвигуна змішаного збудження наведено на рис. 1. У цьому двигуні є дві обмотки збудження - паралельна (шунтова, ШО), підключена паралельно ланцюга якоря, і послідовна (серієсна, СО), підключена послідовно ланцюга якоря. Ці обмотки магнітного потоку можуть бути включені згідно або зустрічно.
Мал. 1 – Схема електродвигуна змішаного збудження.
При відповідному включенні обмоток збудження їх МДС складаються і результуючий потік приблизно дорівнює сумі потоків, створюваних обома обмотками. При зустрічному включенні результуючий потік дорівнює різниці потоків паралельної та послідовної обмоток. Відповідно, властивості та характеристики електродвигуна змішаного збудження залежать від способу включення обмоток і від співвідношення їх МДС.
Швидкісна характеристика n=f (Ia) при U=Uн і Iв=const (тут Iв - струм у паралельній обмотці).
Зі збільшенням навантаження результуючий магнітний потік при відповідному включенні обмоток зростає, але меншою мірою, ніж у двигуна послідовного збудження, тому швидкісна характеристика в цьому випадку виявляється більш м'якою, ніж у двигуна паралельного збудження, але жорсткішою, ніж у двигуна послідовного збудження.
Співвідношення між МДС обмоток може змінюватись у широких межах. Двигуни зі слабкою послідовною обмоткою мають слабку швидкісну характеристику (крива 1, рис. 2).
Мал. 2 - Швидкісні характеристики двигуна змішаного збудження.
Чим більша частка послідовної обмотки у створенні МДС, тим ближча швидкісна характеристика наближається до характеристики двигуна послідовного збудження. На рис.2 лінія 3 зображує одну з проміжних характеристик двигуна змішаного збудження для порівняння дана характеристика двигуна послідовного збудження (крива 2).
При зустрічному включенні послідовної обмотки зі збільшенням навантаження результуючий потік магнітний зменшується, що призводить до збільшення швидкості двигуна (крива 4). За такої швидкісної характеристиці робота двигуна може бути нестійкою, т.к. потік послідовної обмотки може значно зменшити результуючий магнітний потік. Тому двигуни із зустрічним включенням обмоток не застосовуються.
Механічна характеристика n=f (М) при U=Uн та Iв=const. двигуна змішаного збудження показано на рис.3 (лінія 2).
Мал. 3 – Механічні характеристики двигуна змішаного збудження.
Вона розташовується між механічними характеристиками двигунів паралельного (крива 1) та послідовного (крива 3) збудження. Підбираючи відповідним чином МДС обох обмоток, можна отримати електродвигун з характеристикою, що близька до характеристики двигуна паралельного або послідовного збудження.
Область застосування двигунів послідовного, паралельного та змішаного збудження.
Тому для двигунів послідовного збудження менш небезпечні навантаження на момент. У зв'язку з цим двигуни послідовного збудження мають суттєві переваги у разі важких умов пуску та зміни моменту навантаження у широких межах. Вони широко застосовуються для електричної тяги (трамваї, метро, тролейбуси, електровози та тепловози на залізницях) та у підйомно-транспортних установках.
Природні швидкісна та механічна характеристики, сфера застосування в двигунах паралельного збудження.
Природні швидкісна та механічна характеристики, сфера застосування в двигунах змішаного збудження.
Повна механічна характеристика двигуна постійного струму дозволяє правильно визначитися з основними властивостями електродвигуна, а також проконтролювати їхню відповідність усім вимогам, що пред'являються на сьогодні до машин або пристроїв технологічного типу.
Особливості конструкції
Представлені нагнітальними елементами, що обертаються, які розміщуються на поверхні статично закріпленої станини. Пристрої подібного типу отримали широке застосування та експлуатуються за необхідності забезпечувати різноманітність швидкісного регулювання в умовах стабільності обертальних рухів приводу.
З конструктивної точки зору, всі види ДПТ представлені:
- роторною або якірною частиною у вигляді великої кількості котушкових елементів, покритих спеціальною обмоткою струмопровідної;
- статичним індуктором як стандартної станини, доповненої кількома магнітними полюсами;
- функціональним щітковим колектором циліндричної форми, що розташовується на валу і має мідну пластинчасту ізоляцію;
- статично зафіксованими контактними щітками, що використовуються з метою підведення достатньої кількості електроструму на роторну частину.
Як правило, електричні двигуни ПТ оснащуються спеціальними щітками графітового та мідно-графітного типу. Обертальні рухи валу провокують замикання та розмикання контактної групи, а також сприяють іскрінню.
Певна кількість механічної енергії надходить від роторної частини до інших елементів, що з наявністю передачі ремінного типу.
Принцип функціонування
Синхронні пристрої зверненого функціоналу характеризуються зміною виконання завдань статором та ротором. Перший елемент служить збудження магнітного поля, а другий у разі перетворює достатню кількість енергії.
Якірне обертання в умовах магнітного поля наводиться за допомогою ЕРС, а рух спрямований відповідно до правила правої руки. Поворот на 180 о супроводжується стандартною зміною руху ЕРС.
Принцип дії двигуна постійного струму
Колектори за допомогою щіткового механізму з'єднуються з двома витковими сторонами, що провокує видалення пульсуючої напруги і викликає утворення постійних струмових величин, зниження якорної пульсації здійснюється додатковими витками.
Механічна характеристика
На сьогоднішній день експлуатуються електромотори ПТ декількох категорій, що мають різні види збудження:
- незалежного типу, у якому обмотувальне харчування визначається незалежним джерелом енергії;
- послідовного типу, при якому підключення якірної обмотки виконується у послідовному напрямку з обмотувальним елементом збудження;
- паралельного типу, при якому роторна обмотка підключається в електричному ланцюзі в паралельному для джерела живлення напрямку;
- змішаного типу, заснованому на наявності декількох послідовних та паралельних обмотувальних елементів.
Механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження ДПТ
Механічні моторні характеристики поділяються на показники природного та штучного вигляду. Незаперечні переваги ДПТ представлені підвищеними показниками продуктивності та збільшеним ККД.
Завдяки особливим механічним характеристикам пристрою з постійними струмовими величинами здатні легко переносити негативні зовнішні впливи, що пояснюється закритим корпусом з елементами ущільнювачів, абсолютно виключають попадання вологи всередину конструкції.
Моделі незалежного збудження
Мотори ПТ НВ мають обмотувальне збудження, що підключається до окремого виду джерела для електричного живлення. У такому випадку обмотковий ланцюг збудження ДПТ НВ доповнюється реостатом регулювального типу, а якірний ланцюг забезпечується додатковими або пусковими реостатними елементами.
Відмінною особливістю такого виду двигуна є незалежність струмового збудження від якірного струму, що обумовлюється незалежним живленням обмотувального збудження.
Характеристики електродвигунів з незалежним та паралельним збудженням
Лінійна механічна характеристика при незалежному типі збудження:
- ω – показники обертальної частоти;
- U - показники напруги на експлуатованому якірному ланцюзі;
- Ф – параметри магнітного потоку;
- R я і R д - рівень якірного та додаткового опору;
- Α - константа конструкції движка.
Даним типом рівняння визначається залежність обертальної швидкості двигуна до моменту валу.
Моделі послідовного збудження
ДПТ з ПТВ є пристрій електричного типу з постійними струмовими величинами, що мають обмотку збудження, послідовно підключену до якірної обмотки. Даний тип двигунів характеризується справедливістю наступної рівності: струмом, що протікає в обмотці якоря, рівним струмом обмотувального збудження, або I = I = I я.
Механічні характеристики при послідовному та змішаному збудженні
При використанні послідовного типу збудження:
- n 0 – показники частоти обертання валу в умовах холостого ходу;
- n - показники зміни частоти обертання в умовах механічного навантаження.
Зміщення механічних характеристик вздовж осі ординат дозволяє їм залишатися повністю паралельному розташуванні один одному, завдяки чому регулювання обертальної частоти при зміні даної напруги U, підведеного до якірного ланцюга, стає максимально сприятливим.
Моделі змішаного збудження
Для змішаного збудження властиво розташування між параметрами пристроїв паралельного та послідовного збудження, чим легко забезпечується значущість пускового моменту і повністю виключається будь-яка можливість рознесення движкового механізму в умовах холостого ходу.
В умовах змішаного типу збудження:
Двигун змішаного збудження
Регулювання частоти моторного обертання за наявності збудження змішаного типу здійснюється за аналогією з двигунами, що мають паралельне збудження, а варіювання МДС-обмоток сприяє отриманню практично будь-якої проміжної механічної характеристики.
Рівняння механічної характеристики
Найбільш важливі механічні характеристики ДПТ представлені природними та штучними критеріями, при цьому перший варіант можна порівняти з номінальною напругою живлення в умовах повної відсутності додаткового опору на обмотувальних ланцюгах двигуна. Невідповідність будь-якій із заданих умов дозволяє розглядати характеристику як штучну.
ω = U я / k Ф - (R я + R д)/(k Ф)
Це ж рівняння може бути представлене у формі ω = ω о. - Δ ω, де:
- ω о.ід. = U я /k Ф
- ω о.ід - показники кутової швидкості холостого ідеального ходу
- Δ ω = Мем. [(R я +R д)/(k Ф)2]- зниження показників кутової швидкості під впливом навантаження на вал мотора при пропорційному опорі ланцюга якоря
Характеристики рівняння механічного типу представлені стандартною стійкістю, жорсткістю та лінійністю.
Висновок
Відповідно до застосовуваних механічних характеристик будь-які ДПТ відрізняються конструктивною простотою, доступністю та можливістю здійснювати регулювання частоти валового обертання, а також легкістю пуску ДПВ. Крім іншого, такі пристрої можуть застосовуватися в якості генератора і мають компактні габарити, що добре нівелює недоліки у вигляді графітових щіток, що швидко зношуються, високої собівартості і необхідності обов'язково підключати струмові випрямлячі.
Відео на тему
Схема двигуна Схема двигуна послідовного збудження зображено на рис. 1.31. Струм, споживаний двигуном з мережі, протікає по якорю та обмотці збудження, з'єднаної з якорем послідовно. Тому I = I я = I ст.
Також послідовно з якорем включений пусковий реостат R п, який, як і двигуна паралельного збудження, після випуску виводиться.
Рівняння механічногоХарактеристики. Рівняння механічної характеристики можна отримати з формули (1.6). При струмах навантаження, менших (0,8 – 0,9) I ном, вважатимуться, що магнітна ланцюг двигуна не насичена і магнітний потік Ф пропорційний струму I: Ф = kI, де k = const. (При великих струмах коефіцієнт k дещо зменшується). Замінюючи в (1.2) Ф, отримуємо М = С м kI звідки
Підставимо Ф в (1.6):
n = 
(1.11)
Графік, що відповідає (1.11), представлений на рис. 1.32 (крива 1). При зміні моменту навантаження частота обертання двигуна різко змінюється – характеристики такого типу називаються «м'якими». При холостому ході, коли М » 0, частота обертання двигуна безмежно зростає і двигун «іде врознос». 
Струм, споживаний двигуном послідовного збудження, зі збільшенням навантаження зростає меншою мірою, ніж у двигуна паралельного збудження. Це пояснюється тим, що одночасно зі зростанням струму зростає потік збудження і момент, що обертає, стає рівним моменту навантаження при меншому струмі. Ця особливість двигуна послідовного збудження використовується там, де є значні механічні навантаження двигуна: на електрифікованому транспорті, підйомно-транспортних механізмах та інших пристроях.
Регулювання частотиобертання. Регулювання частоти обертання двигунів постійного струму, як зазначалося вище, можливе трьома способами.
Зміну збудження можна здійснити включенням реостату R р1 паралельно обмотці збудження (див. рис. 1.31) або включенням реостату R р2 паралельно якорю. При включенні реостата R р1 паралельно до обмотки збудження магнітний потік Ф можна зменшувати від номінального до мінімального Ф min . Частота обертання двигуна при цьому збільшуватиметься (у формулі (1.11) зменшується коефіцієнт k). Механічні характеристики, що відповідають цьому випадку, показано на рис. 1.32, криві 2, 3. При включенні реостата паралельно якорю струм в обмотці збудження, магнітний потік і коефіцієнт k збільшуються, а частота обертання двигуна зменшується. Механічні характеристики при цьому випадку зображені на рис. 1.32, криві 4, 5. Однак регулювання обертання реостатом, включеному паралельно якорю, застосовується рідко, так як втрати потужності в реостаті та ККД двигуна зменшується.
Зміна частоти обертання шляхом зміни опору ланцюга якоря можлива при включенні реостата R р3 послідовно ланцюг якоря (рис. 1.31). Реостат R р3 збільшує опір ланцюга якоря, що призводить до зменшення частоти обертання щодо природної характеристики. (В (1.11) замість R я треба підставити R я + R р3.) Механічні характеристики при цьому способі регулювання представлені на рис. 1.32, криві 6, 7. Подібне регулювання використовується порівняно рідко через великі втрати в регулювальному реостаті.
Нарешті регулювання частоти обертання зміною напруги мережі, як і в двигунах паралельного збудження, можливе тільки в бік зменшення частоти обертання при живленні двигуна від окремого генератора або керованого випрямляча. Механічна характеристика у цьому способі регулювання зображено на рис. 1.32, крива 8. За наявності двох двигунів, що працюють на загальне навантаження, вони з паралельного з'єднання можуть перемикатися на послідовне, напруга U на кожному двигуні при цьому зменшується вдвічі, відповідно зменшується частота обертання.
Гальмівні режими двигунапослідовного збудження. Режим генераторного гальмування з віддачею енергії в мережу в двигуні послідовного збудження неможливий, так як отримати частоту обертання n>n x неможливо (n х = ).
Режим гальмування противключенням можна отримати, так само як у двигуні паралельного збудження шляхом перемикання висновків обмотки якоря або обмотки збудження.
Природні швидкісна та механічна характеристики, сфера застосування
У двигунах послідовного збудження струм якоря одночасно є струмом збудження: iв = Iа = I. Тому потік Фδ змінюється в широких межах і можна написати, що
  | (3) |
  | (4) |
Швидкісна характеристика двигуна [дивіться вираз (2)], представлена на малюнку 1, є м'якою та має гіперболічний характер. При kФ = const вигляд кривої n = f(I) показаний штриховою лінією. При малих Iшвидкість двигуна стає неприпустимо великою. Тому робота двигунів послідовного збудження, крім найменших, на холостому ходу заборонена, а використання ремінної передачі неприйнятно. Зазвичай мінімально допустиме навантаження P 2 = (0,2 – 0,25) Pн.
Природна характеристика двигуна послідовного збудження n = f(M) відповідно до співвідношення (3) показано на малюнку 3 (крива 1 ).
Оскільки у двигунів паралельного збудження M ∼ I, а у двигунів послідовного збудження приблизно M ∼ I² і при пуску допускається I = (1,5 – 2,0) Iн, то двигуни послідовного збудження розвивають значно більший пусковий момент порівняно з двигунами паралельного збудження. Крім того, у двигунів паралельного збудження n≈ const, а у двигунів послідовного збудження, згідно з виразами (2) і (3), приблизно (при Rа = 0)
n ∼ U / I ∼ U / √M .
Тому у двигунів паралельного збудження
P 2 = Ω × M= 2π × n × M ∼ M ,
а у двигунів послідовного збудження
P 2 = 2π × n × M ∼ √ M .
Таким чином, у двигунів послідовного збудження при зміні моменту навантаження Mст = Mу широких межах потужність змінюється у менших межах, ніж у двигунів паралельного збудження.
Тому для двигунів послідовного збудження менш небезпечні навантаження на момент. У зв'язку з цим двигуни послідовного збудження мають суттєві переваги у разі важких умов пуску та зміни моменту навантаження у широких межах. Вони широко застосовуються для електричної тяги (трамваї, метро, тролейбуси, електровози та тепловози на залізницях) та у підйомно-транспортних установках.
 |
| Малюнок 2. Схеми регулювання швидкості обертання двигуна послідовного збудження за допомогою шунтування обмотки збудження ( а), шунтування якоря ( б) та включення опору в ланцюг якоря ( в) |
Зазначимо, що при підвищенні швидкості обертання двигуна послідовного збудження в режим генератора не переходить. На малюнку 1 це очевидно з того, що характеристика n = f(I) не перетинає осі ординат. Фізично це пояснюється тим, що при переході в режим генератора, при заданому напрямку обертання та заданої полярності напруги, напрям струму має змінитися на зворотний, а напрям електрорушійної сили (е. д. с.) Eа і полярність полюсів повинні зберігатися незмінними, проте останнє при зміні напряму струму в обмотці збудження неможливе. Тому для переведення двигуна послідовного збудження в режим генератора необхідно переключити кінці обмотки збудження.
Регулювання швидкості за допомогою ослаблення поля
Регулювання nза допомогою ослаблення поля провадиться або шляхом шунтування обмотки збудження деяким опором Rш.в (рисунок 2, а), або зменшенням числа включених у роботу витків обмотки збудження. У разі повинні бути передбачені відповідні висновки з обмотки збудження.
Оскільки опір обмотки збудження Rі падіння напруги на ньому малі, то Rш.в також має бути мало. Втрати у опорі Rш.в тому малі, а сумарні втрати на збудження при шунтуванні навіть зменшуються. Внаслідок цього коефіцієнт корисної дії (к. п. д.) двигуна залишається високим, і такий спосіб регулювання широко застосовується практично.
При шунтуванні обмотки збудження струм збудження зі значення Iзменшується до
та швидкість nвідповідно збільшується. Вирази для швидкісної та механічних характеристик при цьому отримаємо, якщо в рівностях (2) та (3) замінимо kФ на kФ kо.в, де
є коефіцієнтом ослаблення збудження. При регулюванні швидкості зміна числа витків обмотки збудження
kо.в = wв.раб / wв.повн.
На малюнку 3 показано (криві 1 , 2 , 3 ) Характеристики n = f(M) для цього випадку регулювання швидкості при кількох значеннях kо.в (значення kо.в = 1 відповідає природна характеристика 1 , kо.в = 0,6 - крива 2 , kо.в = 0,3 - крива 3 ). Характеристики дано у відносних одиницях та відповідають нагоді, коли kФ = const та Rа * = 0,1.
  |
| Рисунок 3. Механічні характеристики двигуна послідовного збудження за різних способів регулювання швидкості обертання |
Регулювання швидкості шляхом шунтування якоря
При шунтуванні якоря (рисунок 2, б) Струм і потік збудження зростають, а швидкість зменшується. Оскільки падіння напруги Rв × Iмало і тому можна прийняти Rв ≈ 0, то опір Rш.а практично знаходиться під повною напругою мережі, його значення має бути значним, втрати в ньому будуть великі і к. п. д. сильно зменшиться.
Крім того, шунтування якоря ефективне тоді, коли магнітний ланцюг не насичений. У зв'язку з цим шунтування якоря практично використовується рідко.
На малюнку 3 крива 4 n = f(M) при
Iш.а ≈ U / Rш.а = 0,5 Iн.
Регулювання швидкості включенням опору в ланцюг якоря
Регулювання швидкості включенням опору в ланцюг якоря (рисунок 2, в). Цей спосіб дозволяє регулювати nуниз від номінального значення. Оскільки одночасно при цьому значно зменшується к. п. д., такий спосіб регулювання знаходить обмежене застосування.
Вирази для швидкісної та механічної характеристик у цьому випадку отримаємо, якщо в рівностях (2) та (3) замінимо Rа на Rа + Rра. Характеристика n = f(M) для такого способу регулювання швидкості при Rра* = 0,5 зображено на малюнку 3 у вигляді кривої 5 .
 |
| Рисунок 4. Паралельне та послідовне включення двигунів послідовного збудження для зміни швидкості обертання |
Регулювання швидкості зміною напруги
Цим способом можна регулювати nвниз від номінального значення зі збереження високого к. п. д. Розглянутий спосіб регулювання широко застосовується в транспортних установках, де на кожній провідній осі встановлюється окремий двигун і регулювання здійснюється шляхом перемикання двигунів з паралельного включення до мережі на послідовне (рисунок 4). На малюнку 3 крива 6 є характеристикою n = f(M) для цього випадку при U = 0,5Uн.
