Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных, крановых и других установках, где требуется широкое плавное регулирование частоты вращения. Одна и та же электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Это свойство электрических машин называют обратимостью. Предположим, что к двигателю подведено напряжение U_сети = const. При заданной на рис. 6.1 полярности полюсов и направлении тока I_я в якоре (обмотка якоря показана только одним проводником) на валу двигателя создается вращающий электромагнитный момент М, направленный против вращения часовой стрелки. Под действием этого момента двигатель вращается в направлении момента с постоянной частотой п.

Рис. 6.1. Направление момента и противо-э. д. с. обмотки якоря двигателя

Применяя правила правой руки, находим, что в проводнике (обмотке) якоря наводится э. д. с. е_я, направленная встречно относительно тока якоря, и поэтому ее называют противо - э. д. с. якоря и рассматривают как электромагнитное противодействие двигателя относительно напряжения сети U_сети. Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно составить уравнение э. д. с.

(6.1)

где Е_я и I_я — э.д.с и ток, соответствующие установившемуся режиму работы; — падение напряжения в сопротивлениях цепи якоря двигателя.

Уравнение моментов двигателя. Электромагнитный момент двигателя

(6.2)

создается в результате взаимодействия основного магнитного поля Ф и тока в обмотке якоря I_я и расходуется на преодоление тормозящих моментов:

1) момента х.х. М₀;

2) полезного момента М₂;

3) динамического момента Mj.

Момент х.х. Мо существует при любом режиме работы двигателя и определяется трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, вентиляционными потерями и потерями в стали. Полезный момент М₂ определяется свойствами рабочей машины и характером производственного процесса. Динамический момент возникает при всяком изменении частоты вращения двигателя

(6.3)

где J — момент инерции всех вращающихся частей; 𝛺 — угловая скорость вращения якоря.

Если частота вращения двигателя увеличивается, то момент Е_j, положителен и, складываясь с моментами М₀ и М₂, увеличивает тормозной момент на валу двигателя. При уменьшении п момент Mj отрицателен и уменьшает общий тормозной момент. Зависимость между вращающим и тормозным моментами двигателя на его валу определяется законом равновесия моментов: в любых условиях работы двигателя эти моменты находятся во взаимном равновесии, т. е. равны друг другу по величине, но направлены в противополож­ные стороны. При п = const момент М_j = 0 и тогда

(6.4)

где М_ст — статический момент сопротивления на валу двигателя.

Следовательно, двигатель работает устойчиво и вращается с по­стоянной частотой, если развиваемый и вращающий момент равен противодействующему моменту М = М_ст. Точкой установившегося режима работы двигателя является точка пересечения механических характеристик электродвигателя M = f(n) и исполнительного меха­низма M_ct = f(n).

Если двигатель и приводимый им во вращение исполнительный механизм имеют механические характеристики M = f(n) и M_ст = f(n) (рис. 6.2, а), то при случайном увеличении частоты вращения от п до п' равенство моментов нарушится. Момент, развиваемый двигателем, уменьшится и станет меньше тормозного (М'<М_ст). Поэтому двигатель будет заторма­живаться до значения п, при котором М = М_ст. Наоборот, при случайном уменьшении частоты п до значения п" вращающий момент двигателя М" становится больше противодействующего момента М"_ст, и якорь двигателя получает ускорение, возвращающее его к исходной частоте п. Таким образом, в рассматриваемом случае работа двигателя устойчива, так как (dM/dn) < (dM_ст/dn). Если же механические характеристики M = f(n) и M_ст = f(n) имеют вид, показанный на рис. 6.2, б, работа электродвигателя становится неустойчивой. Действительно, при случайном изменении частоты вращения от п до п' избыточный вращающий момент двигателя М' вызывает дальнейшее увеличение частоты вращения. Если же произойдет изменение частоты вращения от п до п", то избыточный противодействующий момент вызывает дальнейшее уменьшение частоты вращения, следовательно, работа двигателя будет неустойчивой, так как (dm/dn)>>(dM_ст/dn).

Рис. 6.2. К понятию об устойчивой работе двигателя

Рис. 6.3. Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения

Энергетическая диаграмма двигателя. На рис. 6.3 изображена энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения, работающего в установившемся режиме, т. е. при n = const. К двигателю из сети подводится мощность P₁ = U_cI, которая покрывает потери в цепи возбуждения I²_вР_в и электрические потери в цепи якоря I²_яР_я а оставшаяся ее часть составляет электромагнитную мощность якоря Р_эм=Е_яI_я, преобразующуюся в полную механическую мощность Р_м двигателя. Полезная механическая мощность на валу двигателя Р₂ меньше полной механической мощности Р_м на величину мощности Р₀, необходимой для покрытия потерь в стали Р_с и механических потерь Р_мех, т. е.

Р₂ = Р_М - (Р_с + Р_мсх).