Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Поэтому они получили большое распространение в регулируемом электроприводе.

Свойства двигателей постоянного тока во многом определяются способом их возбуждения. Как и генераторы, двигатели постоянного тока выполняются с независимым, параллельным, смешанным и последовательным возбуждением.

В двигательном режиме ток якоря и электромагнитный момент меняют знак по сравнению с генераторным режимом, но для удобства анализа их принимают положительными, поэтому уравнения напряжений и моментов записывают в виде

(6.7)

Уравнения (6.7) совместно с выражениями для ЭДС и для электромагнитного момента позволяют выполнить анализ основных рабочих режимов двигателей постоянного тока.

6.7.1. Пуск двигателей постоянного тока

Существует три способа пуска двигателей постоянного тока: прямой пуск, пуск с помощью пускового реостата и пуск от источника регулируемого напряжения.

Прямой пуск от сети применяется иногда для двигателей мощностью до 1 кВт, пусковой ток которых не превышает . В начальный момент прямого пуска при и пусковой ток определяется напряжением сети и внутренним сопротивлением якоря .

В машинах средней и большой мощности сопротивление небольшое, поэтому ток при пуске может достигать . Такие токи недопустимы по условиям коммутации и могут вызвать “круговой огонь” на коллекторе. Для снижения пусковых токов подключение двигателей средней и большой мощности к сети осуществляется через пусковой реостат (рис. 6.39). В первый момент пуска подвижный контакт реостата устанавливается на клемму 1, и в цепь якоря вводится полное сопротивление реостата

,

а обмотка возбуждения включается в сеть, минуя пусковой реостат. Сопротивление подбирается так, чтобы пусковой ток

не превышал .

По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится. В конце пуска подвижный контакт соединяется с клеммой 4 и якорь подключается к сети напрямую. Сопротивление пускового реостата изменяется ступенями, поэтому ток якоря при пуске пульсирует (рис. 6.40) согласно выражению

.

Такой же характер имеет и кривая электромагнитного момента

.

Для повышения электромагнитного момента при заданном пусковом токе и сокращения времени пуска необходимо стремиться к тому, чтобы поток Ф был максимален. Это условие выполняется при полностью выведенном регулировочном реостате ( ).

Наиболее благоприятные пусковые характеристики могут быть получены при пуске двигателя от источника регулируемого напряжения. В качестве источника регулируемого напряжения используются либо генератор постоянного тока (рис. 6.41, а), либо полупроводниковый выпрямитель (рис. 6.41, б).

Такие схемы применяются одновременно и для регулирования частоты вращения двигателя, так как только в этом случае высокая стоимость источника питания окупается за счет эффекта от регулирования частоты вращения.

6.7.2. Характеристики двигателя постоянного тока

Основной характеристикой двигателя постоянного тока, определяющей его свойства в установившемся режиме, является механическая характеристика

при и .

Уравнение механической характеристики получается из (6.7)

. (6.8)

На рис. 6.42 представлены механические характеристики при различных способах возбуждения. Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения при небольшой размагничивающей реакции якоря ( ) имеет слабо падающий характер (кривая 1).

Если размагничивающая реакция двигателя параллельного возбуждения велика (поток Ф существенно снижается при увеличении нагрузки), то механическая характеристика будет иметь положительный наклон (кривая 1¢). Такая характеристика, как правило, не позволяет получить установившийся режим.

Действительно, запишем уравнение моментов в малых приращениях

.

Решение этого уравнения

,

где С - постоянная, определяемая начальными условиями; - разность частных производных электромагнитного и внешнего моментов.

Решение будет устойчивым ( при ), если , т.е. .

Для постоянной нагрузки характеристика 1¢ не удовлетворяет этому условию.

В двигателях последовательного возбуждения результирующий поток пропорционален току якоря,

,

а электромагнитный момент пропорционален квадрату тока якоря,

.

С учетом этих соотношений уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения приобретает вид

. (6.9)

Этому уравнению соответствует кривая 2 (рис. 6.42), имеющая гиперболический характер. При частота вращения якоря , поэтому двигатели последовательного возбуждения не могут работать в режиме холостого хода.

Вместе с тем квадратичная зависимость электромагнитного момента от тока якоря дает важное преимущество двигателям последовательного возбуждения при перегрузках перед двигателями параллельного возбуждения, момент которых является линейной функцией тока . Это преимущество особенно существенно при пуске, так как при одном и том же пусковом токе ( ) двигатели последовательного возбуждения развивают больший момент, чем двигатели параллельного возбуждения. Поэтому двигатели последовательного возбуждения получили широкое применение на транспортных установках, где пусковой режим является одним из основных режимов работы.

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (кривая 3 рис. 6.42) занимает промежуточное положение. Обладая близкими с двигателями последовательного возбуждения свойствами при перегрузках, двигатели смешанного возбуждения могут работать и при малых нагрузках, что позволяет осуществить рекуперацию энергии в сеть при (рис. 6.42), так как машина переходит в генераторный режим ( ). Это свойство можно использовать в транспортных установках при движении с горы, создавая тормозной момент и одновременно возвращая в сеть запасенную кинетическую энергию.