Двигатель параллельного возбуждения

Для пуска в ход двигателей постоянного тока применяют двух-, трех- и четырехзажимные пусковые реостаты. На рис. 6.4 представлена схема включения трехзажимного пускового реостата для двигателя параллельного возбуждения.

Рис. 6.5. Диаграмма процесса пуска двигателя в ход

Реостат имеет шесть контактов: пять рабочих (1, 2, 3, 4, 5) и один холостой (нулевой 0); три зажима Л, Ш, Я, которые соответственно подключаются к линии, обмотке возбуждения и к якорю. Скользящий контакт реостата перемещается по неподвижным контактам и контактной дуге Д, благодаря которой обмотка возбуждения оказывается включенной на полное напряжение сети. Регулировочный реостат в цепи возбуждения r_рг следует вывести, так как в этом случае ток возбуждения I_в, магнитный поток Ф и вращающий момент двигателя достигают наибольшей величины, что облегчает пуск двигателя в ход. Пусковой реостат рассчитывают на кратковременный режим работы, когда количество его секций определяется условиями плавности пуска двигателя. Так как в первый момент пуска n = 0, то и противо - э. д. с. Е_я = 0, и I_п._mах = U_с/(Rя+∑R_п), где R_п — сумма сопротивлений всех секций пускового реостата.

Пусковой реостат можно рассчитать так, чтобы при последовательном выключении его секций пусковой ток изменялся в пределах от I_п-max до I_п-min. В этом случае I_п = 0,5 (I_п-mах+I_п-min) , На рис. 6.5 показана диаграмма реостатного пуска двигателя. После того как с увеличением частоты вращения пусковой ток уменьшится до значения I_п-min, рукоятку реостата переводят на второй контакт, выводя тем самым сопротивление первой секции. Пусковой ток снова возрастает до I_п-mах, после чего частота вращения двигателя начнет возрастать по кривой b, а ток — уменьшаться по кривой В. В дальнейшем пусковой процесс идет в том же порядке до тех пор, пока не будет выведен весь реостат, после чего двигатель будет работать в установившемся режиме при токе I и частоте вращения п. Останавливают двигатель быстрым переводом рукоятки пускового реостата в нулевое положение и отключением рубильника Р (рис. 6.4). ,

Рабочие характеристики двигателя. Они имеют вид п; М; η = f(I_я) при U = U_ном = const и T_в = const. Схема двигателя показана на рис. 6.6, а; реостат в цепи возбуждения r_рг должен быть отрегулирован так, чтобы двигатель развивал номинальную мощность Р_ном при номинальных значениях напряжения U_ном тока I_номи частоте вращения п_ном. В этом положении реостат должен оставаться в неизменном положении. Рабочие характеристики показаны на рис. 6.6, б. Частота вращения якоря n=(U — I_я/R_я)/(с_еФ); так как, по условию, величины U и I_в являются постоянными, то в этих условиях на частоту вращения двигателя влияют незначительно два факта: падение напряжения в якоре I_яR_я и реакция якоря. При увеличении тока нагрузки I_я падение напряжения увеличивается, а частота вращения уменьшается. Одновременно реакция якоря размагничивает двигатель, т. е. приводит к уменьшению магнитного потока главных полюсов и, следовательно, стремится увеличить его частоту вращения. Таким образом, указанные факты оказывают противоположные влияния на частоту вращения якоря и е зависимости от преобладания одного из этих факторов происходит уменьшение или увеличение частоты вращения при нагрузке двигателя.

Рис. 6.6. Схема двигателя параллельного возбуждения (я) и его рабочие характеристики (б)

Чтобы работа двигателей параллельного возбуждения была устойчива даже при преобладании реакции якоря, необходимо ставить на главных полюсах стабилизирующую обмотку, которая соединяется последовательно с обмоткой якоря и включается согласно с параллельной обмоткой возбуждения. В этом случае при увеличении тока нагрузки размагничивающее действие реакции якоря компенсируется намагничивающим действием стабилизирующей обмотки. Таким образом, внешняя характеристика двигателя параллельного возбуждения n = fI_я) имеет вид почти прямой линии, слабо наклоненной к оси абсцисс. Изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от нуля до номинальной составляет от 2% до 8%. Подобный вид внешней характеристики составляет одно из наиболее отличительных свойств двигателя параллельного возбуждения; такую характеристику называют жесткой. Зная характер зависимости n = f(I_я), нетрудно объяснить характеристику вращающего момента М = f(I_я).

Согласно уравнению моментов, при установившемся режиме работы имеем: М = с_мI_яФ = М₀ + М₂ = М_ст. При холостом ходе М = М₀ = с_мI₀Ф. Если бы поток возбуждения оставался постоянным, то характеристика M = f(I_я) представляла бы прямую линию. В действительности же поток Ф при увеличении тока I_я несколько уменьшается в результате размагничивающего действия поперечной реакции якоря, поэтому характеристика M=f(I_я) несколько отклоняется от прямой линии к оси тока. Характеристика полезного момента М₂= f(I_я) должна идти ниже характеристики М = f(I_я) на величину момента холостого хода М₀, который практически не зависит от нагрузки. На рис. 7.6, б представлена также кривая зависимости коэффициента полезного действия от нагрузки η = f(I_я). К. п. д. быстро увеличивается в пределах от I = I₀ до I 0,25I_ном, достигает максимума примерно при I 0,5I_ном, а затем в пределах изменения нагрузки от I 0,5 I_номдо I = I_ном остается почти постоянным. Из графика к. п. д. видно, что для работы электродвигателя с высоким к. п. д. надо стремиться к его номинальной загрузке. Обычно в двигателях малой мощности η = 75 85%, в двигателях средней и большей мощности η = 85 94 %

Регулировочные характеристики. Одним из основных достоинств двигателей постоянного тока является возможность плавного регулирования частоты вращения в широких пределах. В общем случае в цепь якоря двигателя может быть включен регулировочный реостат R_рг, Тогда из формулы следует, что частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать:

1) изменением напряжения сети U;

2) изменением падения напряжения в сопротивлениях цепи якоря ;

3) изменением потока возбуждения, а следовательно, изменением тока возбуждения I _в. Первый способ возможен только в специальных установках, допускающих регулирование напряжения сети U. Реостат R_рг в цепи якоря должен быть подобран так, чтобы можно было регулировать частоту вращения в желаемых пределах. Предположим, что напряжение сети и ток возбуждения остаются постоянными, т. е. U = const и I_в= const, кроме того, статический момент М_ст = М₀ + М₂ не зависит от частоты вращения двигателя. При выведенном реостате R_рг установившийся режим работы двигателя характеризуется вращающим моментом М₂, частотой вращения n₁ и током в цепи якоря I₂₁ Сразу же после введения регулировочного реостата R_рг частота вращения и противо-э. д. с. остаются без изменения вследствие значительного момента инерции якоря, а ток в цепи якоря уменьшается до значения I₂₁ Соответственно уменьшается и вращающий момент двигателя.

Превышение нагрузочного момента над вращающим моментом приводит к снижению частоты вращения якоря, уменьшению противо-э. д. с. и увеличению тока в цепи якоря (рис. 6.7). Новое значение тока I₂₂ и частота вращения п₂ устанавливаются при равенстве вращающего момента двигателя и нагрузочного момента приводимого им во вращение механизма. При постоянном токе возбуждения и нагрузочном моменте М₂ установившееся значение тока в цепи якоря I₂₂ = I₂₁ и частота вращения якоря . Подведенная к двигателю мощность Р_{1 =} = U(I_я + I_в) в установившихся режимах сохраняется неизменной. Полезная мощность Р₂= M₂𝛺 =M₂2 n₂/60 уменьшается пропорционально частоте вращения.

Рис. 6.7. Процесс регулирования частоты вращения реостатом в цепи якоря (а) и в цепи возбуждения (б)

Недостатки этого способа регулирования частоты вращения — малая экономичность и ухудшение условий охлаждения, поэтому его применяют, главным образом, для регулирования частоты вращения двигателей малой мощности. Если двигатель работает в установившемся режиме при неизменном напряжении на зажимах якоря и токе в обмотке возбуждения, то для необходимого вращающего момента М₂ по соответствующим рабочим характеристикам могут быть определены частота вращения , ток I₂₁ в цепи якоря и вычислена противо-э. д. с. Е₂₁. При уменьшении тока возбуждения до значения I_в2 уменьшается магнитный поток. Вследствие значительного момента инерции якоря частота вращения его сразу же после изменения тока возбуждения остается прежней, противо-э. д. с. уменьшается до значения Е₂₁´ пропорционально магнитному потоку, ток в цепи якоря увеличивается до значения I₂₁´= (U - E₂₁')/R_я. Так как падение напряжения в цепи якоря составляет небольшую часть напряжения сети, то относительное увеличение тока (I₂₁´ - I₂₁)/ I₂₁ =(E₂₁ - E₂₁')/( U - E₂₁) = (E₂₁ - E₂₁')/(I_яR_я) значительно превосходит относительное уменьшение магнитного потока. Это приводит к увеличению вращающего момента и к ускорению вращения якоря. Противо-э. д. с. в обмотке якоря увеличивается, ток уменьшается, пока не наступит равновесие между вращающим моментом двигателя и нагрузочным моментом приводимого им во вращение механизма при новых установившихся значениях тока I₂₂ и частоте вращения п₂ (рис. 6.7). Подведенная к двигателю мощность Р₁ = U (I_я+I_в) и полезная мощность Р₂ = M₂2 n₂/60 увеличиваются в одинаковой мере, следовательно, к. п. д. двигателя при этом способе регулирования частоты вращения практически не изменяется. Зависимость частоты вращения п от величины тока возбуждения I_в выражается регулировочной характеристикой двигателя п = =f (I_в) при I_я = const и U = const.

Рис. 6.8. Регулировочная характеристика двигателя

На рис. 6.8 представлены две регулировочные характеристики двигателя, снятые при различных значениях тока якоря: при I_я < I_ном и при I_я = I_ном .

Из этих характеристик видно, что. при малом значении тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи возбуждения I_в = 0 частота вращения неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя.