Главная | Обратная связь

Общие сведения о двигателях постоянного тока

 

Принцип обратимости электрических машин. Двигатели постоянного тока по конструкции не отличаются от генераторов и, как отмечалось, электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. являются обратимыми. Допустим, что машина работает в режиме генератора на сеть с постоянным напряжением U=const и развивает тормозной (по отношению к первичному двигателю) момент M_т (рисунок 3.1).

Для этого режима справедливы соотношения

и , (3.1)

где ∑r- полное сопротивление цепи якоря.

Рисунок 3.1 – Генераторный и двигательный режимы машины постоянного тока

Если уменьшать ЭДС Е_а генератора, уменьшая его частоту вращения или магнитный поток Ф, то будет уменьшаться и ток I_a. Когда Е_а станет меньше напряжения U, ток I_a изменит свое направление, однако, посколь­ку U=cnst, направление тока I_a в обмотке возбуждения, а следовательно и полярность основных полюсов останутся без изменения. При этих условиях изменяется знак электромагнитного момента М_г и машина переходит в двигательный режим, т.е. если прежде она работала генератором, преобразовывая механическую мощность в электрическую, то теперь она потребляет электрическую мощность, преобразовывая эту мощность в механическую и развивая на валу вращающий момент М_д. При этом машина продолжает вращаться в прежнем направлении. Если отсоединить первичный двигатель и приложить к валу машины момент сопротивления механизма М_с, то он будет преодолеваться электромагнитным моментом М_эм.

Классификация двигателей постоянного тока.Аналогично генераторам, двигатели постоянного тока классифицируются по способу включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря - независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Схемы двигателей и генераторов с перечисленными способами возбуждения одинаковы и приведены на рисунке 2.1. Все типы двигателей в зависимости от вида возбуждения имеют различные характеристики, но в основе их работы лежит один и тот же энергетический процесс, характеризуемый уравнениями равновесия ЭДС и моментов.

Уравнение ЭДС двигателя в установившемся режиме работы имеет вид

+ , (3.2)

 

ЭДС Е_а в обмотке якоря направлена встречно приложенному напряжению, поэтому ее называют противо ЭДС.

Рисунок 3.2 – Энергетическая диаграмма

Энергетическая диаграмма. Энергетический процесс рассмотрим на примере двигателя параллельного возбуждения с помощью энергетической диаграммы (рисунок 3.2). Двигатель потребляет из сети мощность P₁=U(I_a+I_в). Часть этой мощности тратится на покрытие потерь на возбуждение ΔP_в=UI_в и потери в цепи якоря ΔР_э=I_a²Σr. Оставшаяся часть мощности представляет собой электромагнитную мощность якоря P_эм, которая преобразовывается в полную механическую мощность

P_эм= U(I_a+I_в) - UI_в - I_a²𝛴r=UI_a - I_a²𝛴r = Е_аI_a, (3.3)

Полезная механическая мощность P₂, отдаваемая двигателем рабочему механизму, меньше мощности P_эм на величину потерь холостого хода ΔP_о, включающих потери в стали якоря ΔP_ст и механические потери P_мех (трение в подшипниках, вентиляционные и т.д.)

 

P₂= P_эм- ΔP_o = P_эм - (ΔP_c - ΔP_мех). (3.4)

Полезная мощность P₂ обозначается на заводском щитке машины.

Аналогично происходит энергетический процесс в двигателях других типов.

Уравнение равновесия моментов. Уравнение вращающих моментов в установившемся режиме можно получить, разделив все чле-

ны равенства (3.4) на W (угловую скорость вращения двигателя)

 

+ или , (3.5)

 

где М₂ -момент сопротивления рабочего механизма; М_о-момент холостого хода.

Вращающий электромагнитный момент равен

 

М_эм=с_мI_aФ. (3.6)

 

Таким образом, вращающий электромагнитный момент расходуется на уравновешивание двух тормозящих моментов:

- момента сопротивления рабочего механизма М₂ ;

- момента холостого хода М_о, соответствующего потерям Р_о=Р_с+Р_мх.

Момент М₂ называется полезным моментом, т.к. он соответствует полезной мощности двигателя Р₂. В неустановившемся режиме скорость двигателя изменяется и на его валу возникает динамический момент. Уравнение равновесия мо­ментов в таких режимах приобретает вид

М_эм=М_ст+М_j, (3.7)

 

где М_ст =М₂ +М_о -статический момент сопротивления; - динамический момент.

В зависимости от того, уменьшается или увеличивается частота вращения двигателя, динамический момент может быть отрицательным или положительным, т.е. в переходных режимах на валу двигателя создается момент М_j, который препятствует изменению скорости вращения двигателя и механизма. В установившемся режиме динамический момент М_j=0.

Характеристики двигателей постоянного тока. Рабочие свойства электродвигателей постоянного тока оцениваются следующими характеристиками:

1. Пусковые характеристики, которые оценивают пусковые свойства электродвигателя. К ним относятся:

- кратность пускового тока k_i =

где I_ап - пусковой ток ; I_ан- номинальный ток нагрузки;

- кратность пускового момента где М_п=с_мI_апФ_п;

- t_п -время пуска;

- экономичность пуска (стоимость пусковой аппаратуры, пусковые потери).

2. Рабочие характеристики, под которыми понимают зависимости n, M и h от полезной мощности P₂ или тока якоря I_a при постоянных значениях напряжения U_с, сопротивления цепи якоря ∑r и сопротивления цепи возбуждения r_в. Зависимость n=f(P₂) называют скоростной характеристикой, зависимость М=f(P₂)- моментной характеристикой.

3. Механическая характеристика, представляющая собой зависимость n=f(M) при постоянных значениях U_н, r_а, r_в.

4. Регулировочные характеристики, к которым относятся:

- диапазон регулирования скорости n_max/n_min;

- экономичность регулирования (потери, стоимость аппаратуры);

- характер регулирования (плавность);

- простота, надежность и компактность регулировочной аппаратуры.