§5.6. Двигатели постоянного тока. Основные характеристики

Двигатели независимого и параллельного возбуждения.
Схема включения двигателя независимого возбуждения показана на рис. 5.19.

   Рис. 5.19.

В цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление R_д, например пусковой реостат. Для регулирования тока возбуждения в цепь обмотки возбуждения может быть включен регулировочный реостат R_р. У двигателя параллельного возбуждения обмотки якоря и возбуждения подключены к одному источнику питания, и напряжение на них одинаковое. Следовательно, двигатель параллельного возбуждения можно рассматривать как двигатель независимого возбуждения при U_я= U_в.

Механические характеристики.
   Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной.
   Уравнения электромеханической ω=f(I _я) и механической ω=f(M _эм.) характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа:

U _я=E _я+I _я)(R _я+R _д),    (5.35)

где R _я – активное сопротивление якоря.
   Преобразуя (5.35) с учетом (5.6), получим уравнение электромеханической характеристики

   ω=(U _я-I _я(R _я+R _д))/kФ. (5.36)

В соответствии с (5.10) ток якоря I _я=M _эм./kФ и выражение (5.36) преобразуется в уравнение механической характеристики: 

ω=U_я/ kФ – ( R _я+ R _д)/( kФ) ²)M_эм. . (5.37)

Это уравнение можно представить в виде ω= ω _о.ид.- Δ ω, где

ω _о.ид.=U_я/kФ (5.38)

 ω _о.ид - угловая скорость идеального холостого хода ( при I_я=0 и, соответственно, М_эм.=0 ); Δ ω= М_эм. [(R_я+R_д)/(kФ)²]– уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.
   Семейство механических характеристик при номинальном напряжении на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря изображено на рис. 5.20,а.

Рис.5.20

   Механические характеристики двигателей принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и линейности.
   Естественная механическая характеристика, соответствующая (5.37) при R_д=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика линейная; отклонение от линейного закона может быть вызвано реакцией якоря, приводящей к изменению потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря (прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики устойчивые, так как dω/dM_эм.<0, и обеспечивают саморегулирование двигателя, т.е. он автоматически приспосабливается к изменяющейся нагрузке. Увеличение статического момента сопротивления на валу двигателя приводит к уменьшению угловой скорости и ЭДС якоря. Ток якоря, выражение для которого можно записать на основании (5.35),

I_я= (U_я-E_я)/(R _я+ R _д)=(U_я -kωФ;)/( R _я R _д ),    (5.39)

возрастает. Соответственно растет электромагнитный момент вплоть до нового значения момента сопротивления (переход из точки А в точку В на механической характеристике).
   По аналогии на основании (5.37) может быть построено семейство искусственных характеристик при различных значениях U_я или Ф. Анализ таких характеристик будет проделан в разделе исполнительных двигателей постоянного тока (§ 5.7).

Рабочие характеристики.
    Рабочие характеристики двигателя – это зависимости угловой скорости ω, электромагнитного М_эм. и полезного М₂ моментов и кпд η от полезной механической мощности на валу двигателя P₂=M₂ω при номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений (рис. 5.20,б).
   Однако у рассматриваемых двигателей рабочие характеристики построены не в функции полезной мощности двигателя P₂, а в функции тока якоря I_я. Объясняется это тем, что в двигателях постоянного тока электрическая мощность, идущая на преобразование в механическую, поступает через цепь якоря. Ток якоря двигателей независимого и параллельного возбуждения, у которых скорость слабо зависит от нагрузки, практически прямо пропорционален мощности P₂. Уравнения же рабочих характеристик через ток I_я получить гораздо проще. Характеристики ω= f(I_я) и M_эм.=а(I_я) могут быть построены соответственно на основании уравнений (5.36) и (5.10). Без учета реакции якоря эти характеристики линейные, у реальных машин под действием реакции якоря (изменение Ф) характеристики могут оказаться нелинейными.
   Полезная составляющая момента двигателя M₂ меньше электромагнитного момента на значение момента холостого хода M₀=(ΔP_мех.+ΔP_м)/ ω, где ΔP_мех. – механические потери мощности (трение); Δ P_м – магнитные потери.
   Характеристики полезного момента M₂ и КПД η начинаются из точки реального холостого хода, которому соответствует ток якоря I_яо (рис. 5.20,б). Кривая КПД имеет типичный для всех электрических машин характер, т.к. в двигателе имеются постоянные потери (ΔP_мех.+ΔP_м+U_вI_в), практически не зависящие от нагрузки (тока якоря), и переменные потери в якоре I _{2 я} R_я .

Регулирование скорости.
    Угловую скорость двигателя при неизменном моменте сопротивления можно регулировать (см. (5.37)) тремя способами:
   1)якорным – изменением напряжения на обмотке якоря U_я;
   2)полюсным – изменением магнитного потока возбуждения Ф_в;
   3)реостатным – изменением добавочного сопротивления R_д в цепи якоря.
   Регулировочные характеристики двигателей независимого возбуждения при якорном и полюсном способах управления будут подробно рассмотрены в разделе исполнительных двигателей (см. §5.7 ). При реостатном способе через реостаты R_д (см. рис. 5.19) должен длительно пропускаться значительный ток, что вызывает большие потери мощности, поэтому данный способ неэкономичен и применяется редко.

Пуск.
    В соответствии с уравнением равновесия моментов (2.29) условием пуска двигателя является неравенство М_п >М_ст. Если это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение и разгоняется до установившегося режима. Ввиду того, что ротор обладает моментом инерции, разгоняется он не мгновенно – нарастание скорости происходит по закону, близкому к экспоненте.
   Пуск двигателя постоянного тока осложняется тем, что при ω=0 ЭДС E_я=0 и пусковой ток якоря I_яп= U_я/ R_я может в 10 – 20 раз превышать номинальный ток, что опасно как для двигателя (усиление искрения, динамические перегрузки), так и для источника питания. Поэтому важнейшими показателями пускового режима являются кратность пускового тока K_iп= I_п/ I_ном и кратность пускового момента К_мп= М_п/ М_ном. При пуске необходимо обеспечить требуемую кратность пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока.
   Прямой пуск применяют обычно при кратности пускового тока K _iп?6. При большем значении K_iп применяют способы пуска, обеспечивающие снижение тока I_яп либо за счет подачи пониженного напряжения на обмотку якоря, либо за счет введения добавочного сопротивления в цепь якоря. Первый способ применяется в основном при работе двигателей в системах автоматического регулирования с якорным способом управления. Второй способ, называемый реостатным, распространен наиболее широко в нерегулируемом приводе. Сопротивление пускового реостата R_п= R_д (см. рис. 5.19) выбирают таким, чтобы ограничить I_яп до (1,4 – 1,8) I_я.ном у двигателей средней мощности и до (2,0 – 2,5) I_я.ном у двигателей малой мощности. По мере разгона якоря ток якоря уменьшается и пусковой реостат постепенно выводится.

Реверсирование.
    Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя М_эм и соответственно направление вращения ротора.

Торможение.
    У двигателей независимого и параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: рекуперативное торможение, торможение противовключением и динамическое. При анализе тормозных режимов необходимо строить механические характеристики машины во всех четырех квадрантах плоскости М_эм, ω. Для построения механических характеристик можно пользоваться одним и тем же уравнением (5.37) с учетом знака М_эм в различных режимах работы машины.
   Рекуперативное торможение, или генераторное торможение с отдачей энергии в сеть, может быть осуществлено при ω>ω _о.ид. В этом случае ЭДС якоря E_я > U_я (см. (5.6) и (5.38)), ток якоря меняет направление, машина переходит в генераторный режим и электромагнитный момент становится тормозным. Механической характеристикой в режиме рекуперативного торможения является продолжение механической характеристики двигателя во II квадранте (ω>0, M_эм<0). Режим рекуперативного торможения возникает, например, при регулировании напряжения на якоре (рис. 5.21,а, U_я2< U_я1).

   Рис. 5.21

В момент уменьшения напряжения питания двигатель переходит из точки А характеристики 1 в точку В характеристики 2, момент М_эм меняет знак и начинается торможение двигателя до точки С. Торможение до остановки таким способом невозможно и он используется, в основном, при торможении на высоких скоростях. Способ экономичен благодаря возможности отдачи электрической энергии в сеть.
   Торможение противовключением может происходить в двух случаях:
   1)если внешний момент, больший чем пусковой момент двигателя, заставляет вращаться якорь против его естественного направления вращения (работа в IV квадранте);
   2)если изменяется полярность напряжения на якоре (или реже на обмотке возбуждения), а якорь по инерции продолжает вращаться в прежнем направлении.
   Далее рассматривается наиболее часто встречающийся второй случай с изменением полярности напряжения на якоре. При этом ток якоря I_я=(-U_я- E_я)/ R_я меняет направление и значение его резко возрастает, т.к. теперь напряжение и ЭДС действуют в одном направлении. Поэтому при торможении противовключением в цепь якоря обязательно включается добавочное сопротивление R_д . Изменение полярности напряжения на якоре означает, что изменится и знак скорости идеального х.х. ω _о.ид, т.е. механическая характеристика пройдет через III квадрант (рис. 5.21,б). В момент переключения напряжения двигатель переходит из точки А естественной характеристики двигательного режима I в точку В реостатной характеристики тормозного режима 2, момент М_эм меняет знак и начинается интенсивное снижение ω. В точке С скорость двигателя равна нулю, и его нужно отключить от источника питания. Если этого не сделать, то ротор начнет вращаться в противоположном направлении и перейдет в установившийся режим в точке D реостатной или, если R_д отключить, в точке D’ новой естественной характеристики 3, т.е. произойдет реверсирование двигателя.
   Динамическое торможение осуществляется отключением цепи якоря от источника постоянного тока U и замыканием ее на некоторое добавочное сопротивление R_д, называемое обычно тормозным реостатом (рис. 5.22, а, перевод переключателя К из левого положения в правое).

Рис. 5.22

При этом напряжение, прикладываемое к якорю, Uя=0, ток якоря (см. 5.39) I_я=-E_я/(R_я+R_д) меняет направление и электромагнитный момент М_эм становится тормозным. Запасенная во вращающихся частях привода кинетическая механическая энергия преобразуется в электрическую, и машина работает в генераторном режиме, отдавая электрическую энергию тормозным сопротивлениям.
   Уравнение механических характеристик (5.37) при Uя=0 принимает вид ω=-М_эм(R_я+R_д)/(kФ)². Механические характеристики тормозного режима расположены во II квадранте плоскости М_эм,ω (рис. 5.22, б, R_д2>R_д3).
   В момент переключения двигатель переходит из точки А естественной характеристики двигательного режима 1 в точку В характеристики тормозного режима 2, момент М_эм меняет знак и начинается динамическое торможение. Угловая скорость уменьшается, но при этом довольно резко уменьшается и тормозной момент (переход из точки В в С). С целью увеличения тормозного момента производится уменьшение добавочного сопротивления R_д (переход из точки С в точку D). Торможение происходит до нулевой скорости.

Двигатели последовательного и смешанного возбуждения.
   У двигателя последовательного возбуждения (рис. 5.23,а) ток якоря протекает по обмотке возбуждения (I_в= I_я) и это определенным образом сказывается на основных характеристиках двигателя. При отсутствии насыщения магнитопровода можно принять, что

Ф=K_фI_я,    (5.40)

где K_ф – коэффициент пропорциональности.
   С учетом (5.40) уравнения (5.10) и (5.37) принимают вид

М_эм=KK_фI_я²,    (5.41)

ω = (U/ √(KK_фM_эм)) -(R_я+R_в/KK_ф),    (5.42)

где R_в – сопротивление обмотки возбуждения.
   Механическая характеристика (рис. 5.23, б пунктирная линия) мягкая, имеет гиперболическую форму и обеспечивает устойчивую работу двигателя. Мягкость характеристики объясняется тем, что с увеличением момента нагрузки и соответственно уменьшением скорости растут ток и поток возбуждения. При больших нагрузках начинает сказываться насыщение магнитопровода и характеристика отличается от расчетной (сплошная линия). Двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки на валу, так как при М_эм → 0, угловая скорость ω → ∞.
   Квадратичная зависимость момента от тока позволяет при одинаковой кратности пускового тока получать у двигателя последовательного возбуждения больший пусковой момент, чем у двигателя независимого или параллельного возбуждения.
   Пуск, реверсирование, торможение и регулирование угловой скорости двигателей последовательного возбуждения осуществляется теми же способами, что и у двигателей независимого и параллельного возбуждения с учетом специфики включения обмоток.

Рис.5.23

Двигатели смешанного возбуждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение между двигателями независимого и последовательного возбуждения. Конкретный вид характеристик зависит от того, согласно или встречно(по потоку) включены между собой обмотки возбуждения.