Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в электроприводах механизмов, где требуется широкое изменение частоты вращения. Как уже отмечалось, они используются в металлургической промышленности, станкостроении, системах автоматического регулирования, на электрическом транспорте, в авиации и автомобилестроении. Двигатели постоянного тока могут иметь мощность в пределах от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт.

Двигатели постоянного тока классифицируют по способу включения обмотки возбуждения. Различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Электрические схемы этих двигателей аналогичны схемам соответствующих генераторов. В отличие от генератора, и ток якоря, и ток возбуждения в двигателях постоянного тока потребляется из сети.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. На рис. 6.29 представлена схема включения в сеть двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Рис. 6.29. Схема включения двигателя параллельного возбуждения в сеть

Обычно мощность сети постоянного тока много больше мощности двигателя, так что напряжение сети неизменно. Тогда обмотку параллельного возбуждения можно представить и как обмотку независимого возбуждения. Отметим, что в цепь якоря машин небольшой мощности (единицы кВт) обычно включают пусковое сопротивление Rn ограничивающее ток якоря в момент его включения в сеть.

Таким образом, ток двигателя Iдв будет складываться из тока якоря и тока возбуждения:

(6.19)

Поскольку ток возбуждения составляет 3...5% тока якоря, то иногда для практических расчетов принимают ток двигателя равным току якоря. Ток в цепи якоря будет определяться разностью напряжения сети и ЭДС якоря и сопротивлением якорной цепи:

Ia=(U-E)/( Ra+RП) (6.20)

Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать вращающий электромагнитный момент, потребляя из сети мощность

P1 = U(Iа +Iв) (6.21)

Мощность Р1 подводимая из сети, делится между цепью якоря Ра и цепью возбуждения Рв. Небольшая часть мощности, потребляемой цепью якоря, затрачивается на нагревание обмотки якоря Рэл. Остальная часть преобразуется в механическую мощность РМЕХ. Механическая мощность идет на покрытие мощности потерь в стали Рс и мощности механических потерь РВП на трение в подшипниках, щеток на коллекторе и вентиляционные потери. Энергетическая диаграмма двигателя приведена на рис. 6.30.

Рис. 6.30 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Поскольку ЭДС Е в двигателе имеет направление, противоположное направлению тока якоря, то ее принято называть противоэлектродвижущей силой (противоЭДС). Она, как и ЭДС генератора, зависит конструктивной постоянной машины СЕ , потока главных полюсов и частоты вращения п якоря:

(6.22)

Напряжение на зажимах якоря:

(6.23)

Двигатель при подключении в сеть вращается и развивает на валу вращающий момент:

(6.24)

Этот момент уравновешивает статический момент (момент сопротивления) на валу двигателя. При увеличении нагрузки на валу двигателя сначала равновесие моментов нарушается, двигатель несколько уменьшает частоту вращения, что вызывает уменьшение противо ЭДС Е, и, следовательно, увеличение тока якоря Ia Пропорционально увеличению тока возрастает и вращающий момент, и равновесие восстанавливается.

С учетом (6.22), уравнение баланса напряжений на якоре (6.23) примет вид:

(6.25)

откуда можно получить зависимость частоты вращения от тока якоря:

или

(6.26)

Выражение (6.26) называется уравнением электроме­ханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Отношение п0 = U/CEФ - называется частотой идеального холостого двигателя, при котором Е = U , поэтому ток якоря равен нулю.

Подставив в (6.26) выражение для тока, выраженного через момент в соответствии с (6.24), получим зависимость п = f(М), которое называется уравнением механической ха­рактеристики двигателя постоянного тока:

(6.27)

С учетом пускового сопротивления уравнение (6.27) можно представить в виде:

(6.28)

При неизменных значениях напряжения, магнитного потока и сопротивления якорной цепи механическая характеристика (6.28) представляет собой уравнение прямой линии (рис. 6.31,a).

Рис. 6.31. Механические (а) и рабочие (б) характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

В (6.28) составляющая п0 = U / СЕ Ф — это частота вращения при идеальном холостом ходе; другая составляющая ∆п = ( Rа +Rn )/СЕСMФ² — это снижение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина ∆п, зависящая от суммы сопротивлений Rа + Rn определяет наклон механической характеристики к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления Rn и номинальном токе возбуждения механическая характеристика двигателя называется естественной характеристикой (1 на рис. 6.31,a). Номинальному моменту Мн на естественной характеристике соответствует номинальная частота вращения nн. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает тем больше, чем больше величина сопротивления, вследствие чего формируется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4. Это позволяет получить новые значения частот вращения.

Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные мощные двигатели с параллельным возбуждением часто снабжают небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при номинальном токе составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат позволяет изменять ток возбуждения двигателя и его магнитный поток. При этом, как следует из (6.28), будет изменяться и частота вращения, причем будет возрастать и частота вращения идеального холостого хода. При номинальном напряжении на якоре (Rn = 0) и умень­шении магнитного потока (Rв > 0) характеристики проходят тем выше естественной и круче ее, чем меньше магнитный поток. Однако существенное уменьшение магнитного потока не допускается, поскольку частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет «вразнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь. Таким образом, обрыв цепи возбуждения крайне опасен.

Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимости потребляемой мощности Р1, тока якоря I а , частоты вращения n, момента М и КПД η от мощности на валу двигателя Р2 при неизменных напряжении и токе возбуждения (U = const и Iа = const). Характеристики частоты вращения и момента являются линейными, а зависимости КПД, тока и мощности имеют характер, общий для всех электрических машин.

Если в двигателе, обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбужде­нием. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора постоянного тока (как, например, в электроприводах прокатных станов) или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, поскольку у них ток возбуждения не зависит от тока якоря.

Рис. 6.32. Схема включения (а) и механические характеристики (б) двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. В этом двигателе обмотка возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря, ток возбуждения равен току якоря 1а = Iв, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. Если ток якоря Iа<(0,8...0,9)Iaн, магнитная система машины не насыщена, магнитный поток пропорционален току якоря: Ф = kфIa. Коэффициент пропорциональности kф в большом диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем ток якоря. Таким образом, магнитный поток машины зависит от тока якоря, причем зависимость эта нелинейна. В соответствии с этим изменяются и характеристики двигателя.

Схема подключения к сети двигателя последовательного возбуждения с добавочным пусковым сопротивлением Rn представлены на рис. 6.32,а.

Уравнение механической характеристики имеет вид:

(6.29)

Выразив ток якоря через момент и подставив его в (6.29), получим:

(6.30)

где ROВ — сопротивление обмотки последовательного возбуждения; α — коэффициент линейной зависимости (в первом приближении) магнитного потока от тока якоря.

Механическая характеристика двигателя мягкая, имеют форму гиперболы) асимптотически приближающуюся к оси частот вращения (рис. 6.32,б). Это означает, что при холостом ходе или малых нагрузках на валу частота вращения двигателя резко возрастает до недопустимых значений, двигатель идет «вразнос». Поэтому минимальная нагрузка такого двигателя должна быть не менее 0,2...0,25Iан.

Двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, где имеют место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска, например, грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод электроподвижного транспорта и т. д. Объясняется это тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, поскольку данные механизмы имеют механическую характеристику сходную с характеристикой двигателя.

Кроме того, двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегрузки по моменту Ì/Ìi = ki , ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в ki ; раз, а в двигателе с последовательным возбуждением лишь в √kM раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока 1ап /1ан = k , его пусковой момент Мn зависит от квадрата кратности тока, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением— от первой степени ki:

Пуск и регулирование частоты вращения двигате­лей постоянного тока. Проблема пуска двигателей постоянного тока связана с весьма малым сопротивлением обмотки якоря, который подключается к напряжению сети. Поскольку в момент пуска противоЭДС двигателя Е равна нулю, то ток якоря ограничивается только сопротивлением якорной цепи:

При пуске с номинальным напряжением ток якоря в 10...50 раз будет превышать свое номинальное значение. Такой ток недопустим, поскольку из-за больших электродинамических усилий, пропорциональных квадрату тока якоря, может привести к разрушению обмотки, вызвать сильное искрение под щетками из-за чрезмерных плотностей тока. Поскольку электромагнитный момент двигателя увеличивается пропорционально росту тока, это может привести к механическим ударам и поломке узла, соединяющего вал двигателя и приводимого механизма.

Пусковой ток двигателей по указанным причинам необходимо уменьшать до значений, не превышающих 2,5Iан. Для этой цели либо снижают подводимое напряжение, либо включают последовательно с обмоткой якоря пусковой реостат. Пуск при пониженном напряжении возможен, если двигатель подключен к отдельному регулируемому источнику постоянного тока. В этом случае напряжение источника плавно увеличивают при включении двигателя, что позволяет избежать больших толчков тока.

Максимальное значение сопротивления пускового реостата выбирают таким, чтобы обеспечивать в первый момент пуска ток в цепи якоря не превышающих 2,5Iан. При разгоне двигателя растет наводимая в его обмотке ЭДС, вследствие чего ток якоря уменьшается, а сопротивление пускового реостата также постепенно надо уменьшать. Когда частота вращения двигателя достигает установившегося значения, реостат выводят полностью (Rn = 0), поскольку по условиям охлаждения пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное протекание тока. Этот способ пуска наиболее распространен.

При пуске необходимо обеспечить минимальное время пуска, путем обеспечения наибольшего пускового момента. Увеличить пусковой момент Мп при ограничении пускового тока можно только за счет увеличения магнитного потока Ф, поскольку момент пропорционален току и потоку. Таким образом, пуск всегда осуществляют при наибольшем возможном для данного двигателя потоке возбуждения, каковым является его значение, соответствующее номинальное номинальному току возбуждения. Поэтому при пуске двигателя с параллельным или независимым возбуждением полностью выводят регулировочный реостат Rв, и обмотку возбуждения включают на полное напряжение сети (рис. 6.29).

При пуске двигателя последовательного возбуждения пусковой реостат, включенный в цепь якоря и обмотки возбуждения, выводится по мере разгона. Как уже отмечалось, нельзя включать этот двигатель без нагрузки на валу, которая должна быть не менее 20...25% от номинального момента.

Для реверсирования двигателя (изменения направления его вращения) достаточно изменить полярность либо на зажимах якоря, либо на зажимах обмотки возбуждения. Обычно, в силу большой электромагнитной инерции (индуктивности) обмотки возбуждения изменяют полярность напряжения якоря. При этом магнитный поток сохраняет полярность, а ток якоря изменяет свое направление, и двигатель вращается в противоположную сторону. В промышленных электроприводах для этой цели используют аппараты — реверсивные контакторы.

Как следует из анализа уравнения механической характеристики (6.28), частоту вращения двигателя постоянного тока независимого или параллельного возбуждения можно регулировать тремя способами:

— путем изменения добавочного сопротивления цепи якоря;

— путем изменения напряжения на зажимах якоря (только для машины с независимым возбуждением);

— изменением (уменьшением или ослаблением) магнитного потока.

При изменении добавочного сопротивления в цепи якоря частота вращения идеального холостого хода остается неизменной n0 = U / СеФ. По мере увеличения сопротивления добавочного реостата угол наклона механических характеристик возрастает тем больше, чем больше величина сопротивления, вследствие чего формируется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4 (рис. 6.31,a). Это позволяет получить новые значения частот вращения.

При всей простоте способа, он обладает существенными недостатками: регулирование является ступенчатым; связан с большими потерями энергии при регулировании, поскольку ток якоря проходит по регулирующему элементу. Например, при получении частоты вращения равной половине номинальной, половина мощности теряется на пуско-регулирующем реостате. По этой причине способ регулирования частоты двигателей параллельного и последовательного возбуждения путем изменения сопротивления якорной цепи применяется для двигателей, мощность которых не превышает нескольких кВт, например, в крановых электроприводах.

Наибольшее применение получил способ регулирования путем изменения напряжения на якоре машины с независимым возбуждением при условии, что добавочного сопротивления в цепи якоря нет, а ток возбуждения равен номинальному. В этом случае частота вращения двигателя постоянного тока примерно пропорциональна приложенному напряжению U. Поскольку работа двигателя при напряжении, превышающем номинальное, обычно недопустима, то данный способ позволяет регулировать частоту вращения вниз от значения, соответствующего естественной характеристике. Напомним, что естественной называют характеристику, полученную при номинальном напряжении, номинальном токе возбуждения и отсутствии в цепи якоря двигателя добавочных сопротивлений

Для реализации этого способа необходим источник с регулируемым постоянным напряжением. В качестве такового широко использовались системы генератор-двигатель (Г-Д), управляемый ртутный выпрямитель — двигатель (УРВ-Д). Система Г-Д включает двигатель постоянного тока, якорь которого подключен непосредственно к якорю генератора постоянного тока, приводимого во вращение асинхронным, а для мощных приводов — синхронным двигателем. Регулирование тока возбуждения генератора от минимального до номинального позволяет получить необходимое напряжение и частоту вращения двигателя постоянного тока.

Системы Г-Д вытесняются в настоящее время системами управляемый полупроводниковый выпрямитель—двигатель на базе тиристоров (УВ-Д), питающимися от трехфазной сети (рис. 6.33,a). Однако применение мощных систем УВ-Д существенно влияет на качество электроэнергии электрических сетей, загружая их спектром высших гармоник. Поэтому для электроприводов мощностью тысяча и более кВт таких, например, как электроприводы прокатных станов, система Г-Д, несмотря на громоздкость и дороговизну, сохраняет привлекательность и в настоящее время.

Рис. 6.33. Система «управляемый выпрямитель—двигатель» (а) и механические характеристики при изменении напряжения на якоре и магнитного потока (б)

Как следует из анализа уравнения (6.27), при изменении напряжения на якоре будет изменяться только частота вращения идеального холостого хода п0 = U / СЕФ, тогда как вторая составляющая уравнения Δn остается неизменной, поскольку не зависит от напряжения.

Механические характеристики двигателя независимого возбуждения п = f(М) при номинальном токе возбуждения и сопротивления якорной цепи Rа и при разных значениях напряжения на якоре (U = var) показаны на рис. 6.33,б.

Эти характеристики представляют собой параллельные прямые линии, соответствующие напряжениям Uн, U1, U2, U3 и т. д., причем Uн > U1> U2 > U3 . При номинальной нагрузке частота вращения изменяется от номинальной пн до минимальной nmin.

Достоинством рассматриваемого способа регулирования являются широкий диапазон и высокая плавность регулирования, неизменная жесткость механических характеристик во всем диапазоне регулирования и связанная с этим стабильность регулирования. В автоматизированных системах УВ-Д принципиально возможно поддержание неизменной частоты вращения при изменении нагрузки от нуля до номинального значения.

В качестве дополнительного к рассмотренному способу регулирования для расширения диапазона регулирования применяют ослабление магнитного потока, т. е. при номинальном напряжении якоря уменьшают ток возбуждения. Механические характеристики проходят выше естественной и тем круче, чем меньше магнитный поток: Фн > Ф1 > Ф2 (рис. 6.33,б).

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения осуществляют преимyщественно путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления (рис. 6.32). Чем оно больше по величине, тем круче проходят механические характеристики. Наиболее широко такое регулирование применяется в электроподвижном транспорте, в крановых электроприводах.