10.6. Електродвигуни постійного струму

10.6.1. Двигун постійного струму з незалежним збудженням. Схема включення двигуна постійного струму незалежного збудження подана на рис. 10.6. Якір двигуна М і його обмотка збудження отримують живлення від різних, незалежних одне від одного джерел напруги U і изб, що дозволяє окремо регулювати напругу на якорі двигуна і на обмотці збудження й виконувати їх на різну номінальну напругу. Тільки за наявності мережі постійного струму обмотка збудження живиться від того ж джерела напруги, що і якір двигуна. Але й в цьому випадку струм збудження Ізб не залежить від струму І якоря двигуна.

Напрямки струму І і ЕРС обертання

двигуна Е, що показані на рис. 10.6, відповідають роботі в режимі двигу­на, коли електрична енергія спожива­ється двигуном з мережі (від джерела напруги U) і перетворюється на ме­ханічну енергію. На валу двигуна ви­никає обертальний електромагнітний момент Мем. Корисний обертовий момент М на валу двигуна менший за електромагнітний на значення проти­діючого моменту, створеного в ма­шині силами тертя й рівного моме­нту Мхх в режимі холостого ходу, тобто М = Мем - Мхх.

З механіки відомо, що механічну потужність двигуна Р можна виразити через обертовий момент і кутову швидкість:

P = wM, (10.8)

де w= 2p n - кутова швидкість обертання якоря, рад/с; n - частота обертання, об/хв.

Тоді корисний обертовий момент двигуна М (Н-м), виражений через ко­рисну потужність Р, кВт, визначиться в такий спосіб

М = Р . (10.9) щ

Залежність між М і w двигуна визначається його механічною характерис­тикою. Аналітичний вираз механічної характеристики двигуна може бути отриманий з рівняння рівноваги напруг, складеного для якірного кола схеми (рис. 10.6). При сталому режимі роботи двигуна прикладена напруга U зрівно­важується падінням напруги в якірному колі PR і наведеною в якорі ЕРС обер­тання Е, тобто

U = PR + E, (10.10) де І - струм в якірному колі двигуна, A; R - сумарний опір якірного кола, Ом, що включає зовнішній опір резистора Rp і внутрішній опір якоря двигуна

ЕРС обертання визначається швидкістю обертання якоря і величиною ма­гнітного потоку

Е = к-Ф-щ (10.11) де к - коефіцієнт, що залежить від конструктивних даних двигуна, к = p-NHna (де p - кількість пар полюсів двигуна; N - кількість активних провідників обмо­тки якоря; а - кількість пар паралельних гілок обмотки якоря); Ф і щ- відповід­но магнітний потік, Вб, і кутова швидкість двигуна, рад/с.

Якщо в (10.10) замість Е підставити її значення з (10.11), то одержимо рі­вняння для швидкості двигуна

щ = U—R, (10.12)

яке являє собою залежність швидкості двигуна від струму якоря. Таку залеж­ність w=f(I) називають електромеханічною характеристикою двигуна.

Для одержання рівняння механічної характеристики необхідно знайти за­лежність швидкості від моменту двигуна. Момент, що розвивається двигуном, зв'язаний із струмом якоря і магнітним потоком залежністю

М = к-Ф-І. (10.13)

Підставимо до (10.12) значення струму І, знайдене з (10.13), і одержимо

вираз для механічної характеристики двигуна:

На рис. 10.7 наведені механічні характеристики двигуна незалежного збудження для різних опорів якірного кола. З рис.10.7 видно, що при М = 0 всі характеристики проходять через одну точку на осі ординат. Кутова швидкість у

цій точці має значення, що не залежить від опору якірного кола, вона зветься швидкістю ідеального холостого ходу СОо і визначається виразом

со0 = U. (10.17)

При швидкості ідеального холостого ходу, коли струм у якірному колі дорівнює нулю, ЕРС якоря, спрямована назустріч прикладеній напрузі, дорів­нює їй за абсолютним значенням. Якщо двигун до прикладання навантаження мав кутову швидкість со, то з появою на його валу моменту опору кутова шви­дкість буде знижуватися. Наслідком цього буде зменшення ЕРС обертання Е відповідно до (10.11) і збільшення струму якоря відповідно до (10.10) і моменту двигуна за (10.13). Кутова швидкість буде знижуватися доти, поки момент дви­гуна не зрівняється з моментом опору. Різниця значень сталих швидкостей еле­ктропривода до й після прикладання заданого статичного навантаження назива­ється статичним падінням швидкості.

Другий член (10.15) хара­ктеризує статичне падіння ку­тової швидкості (перепад) від­носно кутової швидкості ідеа­льного холостого ходу:

Таким чином, рівняння для швидкості двигуна можна записати в такий спосіб:

Рис.10.7 - Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження

w = « - Дсо. (10.19) Верхня характеристика на рис. 10.17, називається при­родною. Природною харак­теристикою називають таку характеристику двигуна, що має

місце за відсутності зовнішніх резисторів в якірному колі і номінальних зна­ченнях напруги та магнітного потоку двигуна. Жорсткість природної характе­ристики залежить від внутрішнього опору якірного кола двигуна Ля. Відповідно перепад швидкості для природної характеристики

M R я k2 Ф2

ном

За (10.18) визначається статичне падіння швидкості для кожної з характе­ристик двигуна незалежного збудження, поданих на рис. 10.7. Наприклад, при додатково увімкненому реостаті, який має опір Лр, статичне падіння швидкості визначиться із співвідношення

Розділивши (10.19) на w0, отримаємо статичне падіння швидкості у відно­сних одиницях:

Якщо до якірного кола двигуна включений додатковий резистор (реос­тат), то отримані при цьому механічні характеристики називаються штучними або реостатними характеристиками. Ці характеристики перетинаються всі в одній точці с0. Реостатні характеристики так само лінійні, як і природна харак­теристика, але мають значно більший нахил до осі моментів, тобто мають мен­шу жорсткість. Чим більшим є введений до кола якоря опір резистора, тим кру­тіше йде характеристика, і тим менша її жорсткість.

и_ R я

З рівняння електричної рівноваги кола якоря двигуна (10.10) видно, що на момент пуску, коли с= 0 і ЕРС обертання Е = 0, пусковий струм двигуна

набагато (у 10 ^ 30 разів) перевищує номінальне значення. Тому прямий

I п _

пуск двигуна, тобто безпосереднє увімкнення якоря на напругу мережі, непри­пустимий. Щоб обмежити великий пусковий струм якоря, перед пуском послі­довно з якорем вмикають пусковий реостат Лп.

10.6.2. Двигун з послідовним збудженням. Обмотка збудження двигуна включається послідовно з якорем (рис. 10.8,а), тому струм у навантаженні є струмом якоря і струмом збудження (I = Ія = Ізб). Це істотно впливає на власти­вості й характеристики двигуна, тому що зміна моменту навантаження немину­че супроводжується зміною магнітного потоку статора.

Для електродвигуна послідовного збудження рівняння електромеханічної характеристики, так само як і для двигуна незалежного збудження, має вигляд

На відміну від двигуна незалежного збудження тут магнітний потік Ф є функцією струму якоря I. Ця залежність (рис. 10.9) називається кривою намаг­нічування. Для неї немає точного аналітичного виразу, тому важко надати точ­не аналітичне вираження для механічної характеристики двигуна. Якщо припу­стити лінійну залежність між потоком і струмом якоря, тобто вважати Ф = a-I, то момент двигуна можна виразити наступним чином:

М = ЪФ-I = a-k-I2. (10.22)

Рис .10.9 - Крива намагнічування Рис .10.10 - Природна механічна харак-
двигуна постійного струму теристика двигуна постійного струму

послідовного збудження      послідовного збудження

Підставивши у (10.21) значення струму з (10.22), отримаємо вираз для механічної характеристики:

Звідси випливає, що при ненасиченому магнітному колі двигуна механіч­на характеристика зображується кривою (рис. 10.10), для якої вісь ординат є асимптотою. Значне збільшення кутової швидкості при малих навантаженнях викликане відповідним зменшенням магнітного потоку.

Рівняння (10.23) дає загальне уявлення стосовно механічної характе­ристики двигуна послідовного збудження, але у розрахунках ним користу­ватися не можна, тому що машин з ненасиченою магнітною системою не будують. Побудову дійсних механічних характеристик виконують на під­ставі даних каталогів, де наводять природні характеристики: со = f(I) і М = f(I). Для серії двигунів певного типу ці характеристики наводять у віднос­них одиницях: со* = f(I*) і М* = f(I*).

Двигуни послідовного збудження широко застосовують в піднімальних установках (кранові двигуни) і на електротранспорті (тягові двигуни), де по­трібний великий обертовий момент (особливо під час пуску).

10.6.3. Двигун змішаного збудження (рис. 10.11) має дві обмотки збу­дження: незалежну ОЗ2 і послідовну ОЗ1, тому його механічні характеристики займають проміжне положення між відповідними характеристиками двигунів незалежного і послідовного збудження. Механічна характеристика розглянуто­го двигуна внаслідок зміни магнітного потоку при зміні навантаження не має аналітичного виразу, тому при розрахунках зазвичай користуються природними універсальними характеристиками моменту й швидкості від струму якоря, які дають в каталогах. Такі характеристики у відносних одиницях надані на рис. 10.12.

На відміну від двигуна послідовного збудження, двигун змішаного збу­дження має кінцеве значення швидкості ідеального холостого ходу, яка визна­

чається тільки магнітним потоком, створеним магніторушійною силою незале­жної обмотки:

Рис. 10.12 - Залежність моменту і кутової швид­кості від струму якоря для двигуна постійного струму змішаного збудження збудження. Це відбувається внаслідок того, що при великих навантаженнях на­ступає насичення машини, і хоча магніторушійна сила послідовної обмотки зростає, магнітний потік уже майже не змінюється.

Висновки

1. Електрична машина постійного струму може працювати як у режимі генера­тора, так і в режимі електродвигуна. У генераторі постійного струму відбувається пе­ретворення механічної енергії, яку підводять від первинного двигуна, на електричну енергію. В електродвигуні постійного струму здійснюється перетворення електричної енергії на обертовий рух якоря електродвигуна.

Основними характеристиками машин постійного струму є: для генера­торів - зовнішня характеристика U = Дія), для електродвигунів - швидкісна ю = ДІЯ ) і механічна ю = ДМ) характеристики.

Для вмикання машин постійного струму до електричного кола викорис­товують схеми незалежного, паралельного, послідовного та змішаного збу­дження.

Запитання для самоперевірки

Назвіть основні частини машини постійного струму, поясніть її конс­трукцію.

Поясніть принцип дії генератора постійного струму і призначення коле­ктора у генератора та у двигуна.

Як можна змінити ЕРС генератора?

Поясніть принцип дії двигуна постійного струму.

Запишіть рівняння противо-ЕРС і струму якоря двигуна.

Виведіть рівняння обертового моменту двигуна. Як змінити напрямок обертання якоря двигуна?

Виведіть рівняння швидкості двигуна і поясніть можливості її регулю­вання.

Поясніть призначення пускового реостата й вибір величини його опору.

Особливості схеми двигуна з паралельним збудженням.

Поясніть регулювання швидкості двигуна зміною струму збудження. Чому розрив кола збудження небезпечний для двигуна?

Поясніть регулювання швидкості двигуна з паралельним збудженням зміною напруги на якорі.

Як змінюється швидкість двигуна з послідовним збудженням при зміні навантаження на його валу? Чому робота з малим навантаженням для двигуна є неприпустимою?

Поясніть, як регулюють швидкість двигуна з послідовним збудженням.

Як змінюються обертовий момент і швидкість двигуна із змішаним збудженням із зростанням навантаження?

Які втрати у машині постійного струму залежать від навантаження? Які втрати є постійними?


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я