Характеристики двигателей постоянного тока

 

У двигателей постоянного тока приложенное к якорю напряжение уравновешивается наведенной в обмотке якоря электродвижущей силой и падением напряжения в цепи якоря

.

Это соотношение называют уравнением электрического состояния обмотки якоря двигателя постоянного тока. Падение напряжения в цепи якоря относительно мало. В номинальном режиме (при ) оно составляет

2–5% номинального напряжения. Характерным условием работы машины постоянного тока в двигательном режиме является неравенство . В связи с этим соотношение, определяющее ток в якоре, выглядит следующим образом

.

Вышеизложенные факты удобно представить на схеме замещения электрической цепи двигателя постоянного тока (рис. 8).

Рис. 8. Схема замещения электрической цепи двигателя постоянного тока

Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, определяется взаимодействием тока обмотки якоря и магнитного поля главных полюсов. Количественное соотношение зависит от конструкции конкретного двигателя и определяется как

где — конструктивная постоянная момента, — ток якоря, — основной магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, расположенной на главных полюсах. ЭДС, создаваемая в обмотке якоря и уравновешивающая приложенное напряжение, зависит от скорости изменения магнитного поля через обмотку якоря, амплитуды магнитного потока и конструкции двигателя, в частности

,

где — конструктивная постоянная ЭДС, — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, расположенной на главных полюсах, — частота вращения якоря, измеряемая в оборотах в минуту.

Важнейшей характеристикой двигателя постоянного тока является механическая — зависимость частоты вращения от момента сопротивления на валу при . Момент сопротивления создается исполнительным механизмом, для привода которого и выбирается двигатель постоянного тока. Устойчивая работа двигателя возможна только в том случае, если выполняется равенство . Механическая характеристика показывает влияние механической нагрузки на валу двигателя на частоту вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателя.

Уравнение механической характеристики можно получить, используя выражение для ЭДС обмотки якоря, уравнение электрического состояния обмотки якоря и уравнение момента. Оно выглядит следующим образом

,

или

.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока представляет собой прямую. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе), когда момент сопротивления со стороны исполнительного механизма равен нулю (, частота вращения якоря зависит от уровня приложенного напряжения, магнитного потока и конструкции двигателя. Эта частота называется частотой вращения идеального холостого хода

.

При заданных номинальных параметрах двигателя и неизменном магнитном потоке и токе возбуждения частота холостого хода может быть определена как

.

Механическая характеристика имеет вид прямой в соответствии с уравнением , где . Так как у двигателей постоянного тока сопротивление цепи якоря мало (обычно оно составляет от 0, 02 до 1, 1 Ом), то с увеличением нагрузки на валу частота вращения изменяется незначительно, то есть является “жесткой”. Механическая характеристика, снятая при номинальных данных двигателя, называется естественной механической характеристикой. Она представлена на рис. 9.

 

Рис. 9. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Механическую характеристику можно построить по двум точкам, в частности () и (). Любые другие механические характеристики, построенные для тех режимов, в которых один из параметров, входящих в уравнение естественной механической характеристики не соответствует номинальному режиму, называются искусственными.

Ток, потребляемый двигателем из сети, растет прямо пропорционально моменту сопротивления со стороны нагрузки при . То есть . Изменение нагрузки со стороны исполнительного механизма ведет к изменению тока якоря в пропорции

.

Увеличение тока, потребляемого двигателем, возможно не только при увеличении нагрузки. Одной из главных проблем при эксплуатации двигателей постоянного тока является проблема пуска. При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в момент пуска якорь неподвижен (), то противо-ЭДС отсутствует и пусковой ток резко возрастает

,

Рис. 10. Схема двигателя параллельного возбуждения

а при малых значениях пусковой ток превышает номинальный в 50-100 раз, что недопустимо как для сети, так и для самого двигателя. Такой способ пуска применяется только для двигателей малой мощности, где . Двигатели средней и большой мощности запускают при включении добавочного сопротивления (пускового реостата) в цепь обмотки якоря. Пусковой ток в этом случае равен

Сопротивление выбирают таким, чтобы в момент пуска, когда противо-ЭДС равна нулю, ток якоря не превосходил значений 1, 4–2, 5 . По мере разгона якоря возрастает противо-ЭДС (), а сопротивление реостата выводится.

К пуску двигателя предъявляются два основных требования: необходимый для трогания с места и разгона якоря вращающий момент и не допустить при пуске протекания через обмотку якоря чрезмерно большого тока, опасного для двигателя. Практически возможны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря. Последний способ пуска возможен при питании двигателя от отдельного источника (генератора, выпрямителя) с регулируемым напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечивается постепенным повышением напряжения от нуля до требуемого значения. Это находит применение в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока.

Регулирование частоты вращения можно осуществлять тремя способами:

– изменением магнитного потока (полюсное регулирование);

– введением добавочного сопротивления в цепь обмотки якоря (реостатное регулирование);

– изменением напряжения питания (якорное регулирование).

Первый способ регулирования наиболее распространен и осуществляется посредством регулирования тока в обмотке возбуждения. Это происходит при варьировании сопротивления регулировочного резистора в контуре возбуждения. При этом механические характеристики имеют вид, представленных на рис. 11.

Рис. 11. Механические характеристики при полюсном регулировании.

Таким способом можно регулировать частоту вращения в пределах 1: 1, 5; 1: 2. Глубокое уменьшение потока недопустимо, так как при нагрузке поле, создаваемое обмоткой якоря (так называемая реакция якоря), будет “опрокидывать” поле возбуждения, что приведет к неустойчивой работе двигателя. Увеличение потока в обычных двигателях параллельного возбуждения нецелесообразно, так как магнитная система двигателей насыщена (рис. 12). Частота холостого хода и частота вращения якоря в этом случае определяются следующим образом

; .

При этом увеличение тока возбуждения будет приводить к увеличению потерь, а значит, и к уменьшению коэффициента полезного действия. При увеличении массы двигателя и принятия специальных мер можно увеличить пределы частоты вращения в ненасыщенных двигателях до 1: 5. Хотя этот способ обеспечивает сравнительно небольшие пределы регулирования частоты вращения, он является экономичным и находит широкое применение, когда пределы изменения частоты вращения небольшие.

Рис. 13. Механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при реостатном регулировании.

Рис. 12. Зависимость магнитного потока от тока возбуждения в машинах постоянного тока

Второй способ – использование регулировочного реостата в цепи якоря– позволяет изменять частоту вращения в широких пределах, но этот способ неэкономичен, так как регулировочный реостат включается в силовую цепь и на нем выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока нагрузки. Частота холостого хода при изменении сопротивления в цепи якоря не меняется, как и магнитный поток. Выражение для определения частоты вращения (уравнение механической характеристики) выглядит следующим образом

 

или .

Семейство механических характеристик при различных значениях сопротивления регулировочного реостата приведено на рис. 13.

Третий способ регулирования частоты вращения – якорное – применяется в основном для двигателей с независимым возбуждением. С одной стороны, необходимо обеспечить наличие регулируемого источника напряжения. С другой – к двигателям с параллельным возбуждением он неприменим, так как одновременно с током якоря будет изменяться и ток возбуждения, а следовательно, и магнитный поток. Каким образом изменится частота вращения в этом случае, заранее предсказать трудно.

Для определения энергетических характеристик двигателей необходимо определить потребляемую, отдаваемую мощности, а также суммарные потери. Мощность, подводимая к двигателю, – электрическая, определяемая подводимым к двигателю напряжением и током внешней цепи

.

Электромагнитная мощность .

Механическая мощность, вырабатываемая двигателем, обозначается (при обозначении номинальной мощности индекс “2” опускают). Вращающий момент двигателя на валу определяется как

,

где коэффициент 9, 55 означает, что мощность вычисляется в ваттах, а коэффициент 9550 используется в уравнении, если мощность измеряется в киловаттах.

Разницу между электрической и механической мощностями определяют как суммарные потери мощности – . Для двигателей коэффициент полезного действия определяют как

.

Исходя из устройства и принципа работы, суммарные потери можно разделить на следующие группы: электрические (), магнитные (), механические () и добавочные ().

Электрические потери зависят от режима работы двигателя и определяются параметрами обмоток якоря и возбуждения

.

Эти потери идут на нагрев обмоток.

Рис. 14. Зависимость КПД двигателя постоянного тока от нагрузки

Механические потери – это потери на трение на валу машины и трение о вращающегося якоря о воздух. Магнитные потери – это потери в сердечнике якоря на вихревые токи и гистерезис. В насыщенном сердечнике эти потери не зависят от режима работы. Добавочные потери связаны с наличием в машинах постоянного тока щеточно-коллекторного аппарата и определяются равными 1% от номинальной мощности ().

Таким образом, коэффициент полезного действия зависит от нагрузки следующим образом (рис. 14).

Пример № 2.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения характеризуется следующими номинальными величинами: напряжением на зажимах двигателя ; мощностью ; частотой вращения ; коэффициентом полезного действия ; током обмотки возбуждения ; сопротивлением цепи якоря Необходимо:

1) определить номинальный вращающий момент;

2) определить пределы изменения частоты вращения двигателя при изменении величины добавочного сопротивления в цепи якоря от 0 до , при статическом моменте сопротивления . Построить графики естественной и искусственной (при ) механических характеристик.

Дано:

= 220 В;

= 12 кВт;

= 686 об/мин;

= 85, 2 %;

= 1, 75 А;

= 0, 281 Ом.

Решение:

1. Номинальный вращающий момент определим по уравнению:

.

2. Определим номинальный ток электродвигателя:

.

Определим номинальный ток якоря:

=64 – 1, 75=62, 3 A.

Рис.15. Механические характеристики двигателя: естественная и искусственная.

Определим произведения:

;

.

Минимальную частоту вращения определим по уравнению:

об/мин.

Определим максимальную частоту вращения:

об/мин.

Таким образом, частота вращения изменяется от 674 об/мин до 390 об/мин.

Механические характеристики имеют вид прямых линий. Поэтому для построения характеристик определим координаты двух точек. Для естественной характеристики при M = 0

об/мин.

При M = 1, 2 = 200 Н м, n = n _min = 390 об/мин.

Пример № 3.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения характеризуется следующими номинальными величинами: напряжение на зажимах двигателя U_ном = 110 В; мощность P_ном = 8 кВт; частота вращения n_ном = 1000 об/мин; ток якоря I_ян = 83, 5 А; сопротивление цепи якоря R_я = 0, 0644 Ом; сопротивление обмотки возбуждения R_в = 42, 4 Ом. Определить:

1) номинальный вращающий момент;

2) КПД h_ном двигателя при номинальной нагрузке;

3) частоту вращения двигателя при статическом моменте сопротивления нагрузки M_с = 0, 8 M_ном и токе возбуждения I_в = 0, 8 I_в.

При решении воспользоваться зависимостью Ф (I_в). Построить графики естественной и искусственной механической характеристик.

Решение

1) Н ^. м

2) ,

, , А,

А,

кВт,

.

3) Частота вращения идеального холостого хода двигателя

об/мин

А

Hм

об/мин.

 

об/мин.