Двигатели постоянного тока

Уравнение электрического состояния цепи якоря двигателя без учета падения напряжения на щетках имеет вид U = E+R_яI, которому соответствует расчетная электрическая схема замещения, представленная на рис. 170, а.

Уравнение механической характеристики двигателя п (М) получим из уравнения электрического состояния, которое с учетом E=c_EnФ и М=c_МФI после преобразований примет вид

В уравнении механической характеристики неизменными параметрами являются R_я, c_E и с_М. Напряжение питания U, поток возбуждения Ф могут изменяться произвольно или в целях управления. В последнем случае в цепь якоря включают добавочное сопротивление. Механическая характеристика, полученная при номинальных значениях напряжения питания и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, называется естественной.

Механические характеристики п(М) при отличных от номинальных значений напряжения U_н, потока возбуждения Ф и при наличии добавочного сопротивления R_дв цепи якоря называют искусственными характеристиками.

► Так же как и в генераторах, обмотки возбуждения двигателя могут иметь последовательное, параллельное и смешанное согласное включение, а также независимое (от постороннего источника тока или постоянного магнита).

На рис. 170, б представлены естественные механические характеристики двигателя при различных способах возбуждения и постоянных напряжении питания и сопротивлении цепи обмотки возбуждения.

На рис. 171 представлены схема и механические характеристики (естественная и искусственные) двигателя последовательного возбуждения. В схему введены добавочное и шунтирующее сопротивления: R_д — для регулирования тока якоря и R_ш — для регулирования тока возбуждения.

Искусственные механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при изменении U, R_д и R_в представлены на рис. 172.

Следует заметить, что при отсутствии нагрузки на валу (М_т→0) двигатель последовательного возбуждения идет в разнос (n→∞), так как Ф→0. Поэтому двигатели последовательного возбуждения всегда работают под нагрузкой.

В двигателях смешанного возбуждения используют согласное включение последовательной и параллельной обмоток. Основной обмоткой считается та, которая создает до 70% мдс. Механические характеристики двигателя смешанного — согласного возбуждения занимают среднее положение. Для такого двигателя не опасно снятие нагрузки, так как при I=0 поток возбуждения создается параллельной обмоткой.

В момент пуска эдс якоря равна нулю и все напряжение будет на обмотке якоря. В этом случае ток якоря, называемый пусковым (I_пуск=U/R_я), в 10—30 раз превышает номинальное значение и вызывает на валу двигателя большой пусковой момент. Наиболее простой способ ограничения пускового тока состоит во включении в цепь якоря добавочного сопротивления R_д, называемого пусковым.

По мере увеличения частоты вращения эдс якоря растет, ток якоря уменьшается. Для поддержания необходимого ускорения пусковой реостат выводят ступенями. На рис. 173 показан переход в процессе пуска двигателя от искусственных механических характеристик двигателя параллельного возбуждения (кривые 1, 2 3, 4) к естественной (кривая 5) при заданной механической характеристике приводимого во вращение механизма п(М_т).

При ступенчатом уменьшении R_д до 0 в процессе пуска двигателя поддерживается М_дв>M_т и двигатель разгоняется до установившегося режима (точка а). Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить полярность напряжения питания якоря или обмотки возбуждения.

Частоту вращения двигателя наиболее просто регулируют введением в цепь якоря добавочногосопротивления, называемого регулировочным сопротивлением. Действительно, если двигатель работал в точке а (рис. 173) при п = n₁, то при введении первой ступени R_д установившийся режим двигателя будет соответствовать точке б при n₁<n₂. Если пусковое сопротивление рассчитывается на кратковременный режим работы, то регулировочное сопротивление должно выбираться из расчета длительной работы, т. е. большей мощности. Использование пускорегулирующего сопротивления связано с потерей мощности в цепи якоря. Поэтому оно применяется только для двигателей малой и средней мощности.

Регулирование частоты вращения двигателя изменением поля возбуждения используется только в небольшом диапазоне, так как даже при небольшом уменьшении потока возбуждения и, следовательно, эдс якоря, ток резко возрастает: I=(U — E)/R_я. ► Наиболее экономичным способом регулирования пускового момента и частоты вращения является изменение напряжения питания.

Однако для реализации его необходим отдельный регулируемый источник, в качестве которого может быть использован генератор постоянного тока или управляемый выпрямитель, питаемый от сети переменного тока. Такую систему называют генератор — двигатель (Г—Д).

Основные преимущества двигателей постоянного тока состоят в возможности достаточно просто осуществлять реверсирование и регулирование в широком диапазоне пускового момента и частоты вращения. Несмотря на пониженную надежность и сложность в эксплуатации они достаточно широко применяются в электроприводе. Так, двигатели параллельного возбуждения служат для привода металлорежущих станков и других механизмов.

Система Г—Д, состоящая из электромашинного усилителя и двигателя независимого возбуждения, широко применяется в устройствах автоматического управления. Система Г—Д с двигателями последовательного возбуждения, используемая в транспортных средствах, позволяет обеспечить оптимальный режим работы первичного двигателя (дизели, турбины и т. д.)