Схема включения и статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения ДПТ НВ представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: I, I_в, – соответственно токи в цепях обмоток якоря и возбуждения ОВ, А;

Е – ЭДС обмотки якоря, В;

Ω и М – соответственно угловая скорость (рад/с) и момент (Нм) двигателя;

R_я= г_оя + г_дп + r_ко + г_щ – сопротивление цепи обмотки якоря, состоящее из сопро­тивлений обмотки якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта, Ом; R_ов – сопротивление обмотки возбуждения, Ом; L_я, L_ов – соответственно индуктивности обмоток якоря и возбуждения, Гн. На схеме показаны добавочные резисторы в цепях обмоток якоря R_д и возбуждения R_в, а также от­дельные источники питания обмоток якоря и возбуждения с напря­жениями соответственно U и U_в.

При выводе уравнений для статических характеристик двигате­ля примем следующие допущения: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту. Уравнение равновесия напряжения цепи обмотки якоря, ЭДС якоря и электромагнитного мо­мента для установившегося режима работы двигателя и принятых допущениях были выведены в разделе 2.1 и имеют вид

U = Е + IR; (65)

Е = С_еФΩ; (66)

М= С_мФI, (67)

Ф=const,

где R = R_я + R_д – полное сопротивление цепи якоря, Ом; R_д – регулировочное сопротивление цепи обмотки якоря; Ф – магнит­ный поток, Вб; U – подводимое к якорю напряжение, В; C_e = p_пN/(2πa)– конструктивный коэффициент двигателя; р_п – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллель­ных ветвей обмотки якоря. В системе СИ коэффициенты С_м=C_e.

При условии Ф=const произведения С_еФ и С_мФ также постоянны и могут быть обозначены постоянными коэффициентами k_e= С_еФ и k_м= С_мФ.

Коэффициент k_e= С_еФ называется коэффициентом ЭДС двигателя. Он равен ЭДС двигателя вращающегося со скоростью 1 рад/с при номинальном магнитном потоке.

Коэффициент k_м= С_мФ называется коэффициентом момента двигателя. Он равен моменту развиваемому двигателем на 1 А тока якоря при номинальном потоке.

Подставляя (66) в (65), получим формулу для электромехани­ческой характеристики Ω(I):

Ω = (U-IR)/(C_eФ). (68)

Формулу для механической характеристики Ω(М) ДПТ НВ полу­чим из (68) с использованием выражения (67):

. (69)

В соответствии с (68) и (69) электромеханическая и механичес­кая характеристики ДПТ НВ представляют собой линейные зави­симости угловой скорости (далее скорости) от тока и момента, вид которых для разных полярностей питающего якорь напряжения по­казан на рис. 19. Здесь электромеханическая и механическая характеристики совмещены, что в соответствии с (67) справедливо в случае С_еФ = const.

Рис.19. Статические характеристики ДПТ НВ

Их характерными точками являются точка хо­лостого хода, в которой Ω = Ω ₀, а I =0, М= 0, и точка короткого замыкания, где Ω = 0, а I = I_кз и М = М_кз. Отметим, что режим ко­роткого замыкания для электрического двигателя соответствует не­подвижному состоянию якоря при поданном на двигатель напря­жении, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус. Режим короткого замыкания называется также пуско­вым режимом, поскольку является начальным при включении (пус­ке) двигателя.

Уравнения (68) и (69) можно записать в сокращенной форме:

Ω = Ω ₀- ΔΩ, (70)

где Ω ₀ – скорость идеального холостого хода двигателя,

Ω ₀=U/(C_еФ); (71)

ΔΩ – изменение (перепад) угловой скорости относительно скорости идеаль­ного холостого хода,

ΔΩ = IR/(C_еФ) = MR/ (С_еФ)². (72)

Выражения (68) и (69) позволяют назвать основные способы реализации искусственных характеристик ДПТ НВ, используемых для ре­гулирования скорости вращения ЭП. К ним относятся:

– изменение сопротивления добавочного рези­стора в цепи якоря (R_д);

Режим холостого хода (точка А). Двигатель не получает энер­гии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. В этом режиме I = 0, Е = U = С_еФΩ₀, М = 0, Ω = Ω₀ (см. рис. 21, а).Эту точку механической характеристики иногда называют точкой «идеального холостого хода».

Режим короткого замыкания возникает при неподвижном роторе и наличии напряжения на обмотке якоря, при этом Ω= 0 и Е = 0. В этом режиме, согласно (65) I = I_кз = U/R, электрическая энергия, посту­пая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как Ω = 0 (см. рис. 21, г). Такой режим возникает в момент пуска двигателя в ход. В первый момент времени после подачи напряжения на якорь двигателя якорь неподвижен и ЭДС обмотки якоря равна нулю. Режим прямого пуска двигателя от сети допускается только для микродвигателей. В таких двигателях сопротивление обмотки якоря относительно велико и пусковой ток не превышает (3-5)I_ном. В машинах повышенной мощности сопротивления обмотки якоря мало и ток при пуске может в 10-20 раз превышать номинальный ток. Такой большой ток может повредить коллектор, щетки и обмотку якоря. Для ограничения величины пускового тока необходимо в цепь обмотки якоря включать пусковой реостат.

Двигательный режим (участок от +Ω ₀ до М_п характеристики, приведенной на рис. 19) в диапазоне 0 < Ω < Ω ₀, т. е. в первом квадранте, где Ω и М совпадают по направлению. В этом режиме Е < U, ток I = (U- Е)/R совпадает по направлению с напряжением U и не совпадает с ЭДС, электри­ческая энергия (ЭЭ) поступает из сети, а механическая энергия (МЭ) с вала двигателя передается исполнительному органу (см. рис. 21, б).