 |
|
Принцип действия двигателя постоянного тока
Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре вращающий электромагнитный момент Мэм.
(6.11)
где ω – угловая частота вращения якоря (рад/с).
Под действием электромагнитного момента якорь машины начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя.
В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа , направление которой определяют по правилу «правой руки». В двигателе ЭДС направлена против тока Ia , и поэтому ее называют противо-ЭДС якоря.
Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря:
(6.12)
На основании (6.12) ток якоря определяется по формуле:
(6.13)
Умножив обе части уравнения (6.12) на ток якоря Ia , получим уравнение мощности для цепи якоря:
(6.14)
где 
— электрическая мощность, подводимая к якорю;
— мощность электрических потерь в цепи якоря.
- электромагнитная мощность, представляющая собой полную электрическую мощность, которая преобразуется в полезную механическую мощность и расходуется на покрытие магнитных (потери в стали якоря), механических и добавочных потерь.
Пуск двигателя
Ток якоря двигателя определяется формулой (6.13). Если принять U и 
неизменными, то ток Iа зависит от противо-ЭДС Еа.
В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Еа=0). Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток:
(12.15)
Обычно сопротивление ra невелико, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.
Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. Этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту сеть.
Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть обычно применяют для двигателей мощностью не более 1,0 кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).
По мере разгона якоря двигателя ступени пускового реостата R плавно выводятся, и пуск двигателя заканчивается. Сопротивление пускового реостата R выбирают обычно таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 2—3 раза.
Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызывает значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты обладают большими массогабаритными показателями. Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск двигателя путем понижения напряжения.
6.7 Характеристики двигателей постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
Основными характеристиками, по которым оцениваются рабочие свойства двигателя, являются:
1) скоростная характеристика (электромеханическая) n=f(Ia) — зависимость скорости вращения якоря от тока якоря;
2) моментная характеристика Mэм=f(Ia) — зависимость электромагнитного момента от тока якоря;
3) механическая характеристика n=f(Mэм) — зависимость скорости вращения якоря от электромагнитного момента.
При снятии характеристик нагрузочный момент изменяют от нуля до 1,1—1,2Мном.
Номинальный момент Мном, Н·м, определяют по формуле:
, Н·м; (6.16)
где 
- номинальная угловая частота вращения якоря определяется по формуле:
, рад/сек. (6.17)
ЭДС двигателя определяется по формуле:
(6.18)
Тогда скорость вращения якоря двигателя (об/мин):
(6.19)
Подставив значение Еа из (6.12), получим выражение скоростной характеристики:
(6.20)
т. е. скорость вращения якоря двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.
Если к валу машины не будет приложен нагрузочный момент (М2=0), то двигатель будет работать на холостом ходу, при этом ток в якоре Ia=I0, а скорость n=n0. Ток I0 — ток холостого хода — создает электромагнитный момент Мо, необходимый для преодоления существующего в самом двигателе тормозного момента, обусловленного силами трения и магнитными потерями. Этот ток относительно мал и составляет 2—5% от номинального.
Работа двигателя при М=0 и Iа=0 называется идеальным холостым ходом. Согласно (6.20) скорость при идеальном холостом ходе равна:
, об/мин (6.21)
Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называют номинальным изменением скорости вращения якоря:
,% (6.22)
В двигателях параллельного и независимого возбуждения изменение скорости при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке мало и составляет 2—5%. Такие слабо падающие скоростные и механические характеристики называются жесткими.
Скоростную характеристику двигателя n=f(Ia) снимают при Iв=Iвном=const и U=Uном=const. Номинальный ток возбуждения Iвном устанавливают так, чтобы обеспечить номинальную скорость nном при Iа=Iаном и номинальном подведенном напряжении Uном .
Скоростные характеристики показаны на рисунке6.3. Их анализ проведем, исходя из уравнения (6.20).
Рисунок 6.3 - Скоростные характеристики двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
При U=Uном=const на скорость якоря будут оказывать влияние два фактора: падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря, уменьшающее поток. Поток двигателя при нагрузке
(6.23)
где Ф0 — поток, созданный током возбуждения; 
— уменьшение потока из-за размагничивающего действия поперечной реакции якоря.
Тогда при возрастании тока якоря падение напряжения 
будет стремиться уменьшить скорость, а — увеличить.
Вид скоростной характеристики зависит от того, какой из этих факторов будет действовать сильнее. При более сильном влиянии падения напряжения характеристика имеет падающий характер (сплошная линия на рисунке 6.3), а если будет преобладать действие реакции якоря, то она может иметь возрастающий характер (штриховые линии).
Нормальная работа двигателя возможна только при падающей характеристике.
Моментную характеристикудвигателя Mэм=f(Ia) снимаютпри Iв=const.
Зависимость электромагнитного момента от тока якоря описывается уравнением:
(6.24)
Если бы при Iв=const поток Ф оставался постоянным, то момент был бы пропорционален току якоря Ia и моментная характеристика представляла бы прямую линию, выходящую из начала координат (штриховая прямая на рисунке 6.4).
Рисунок 6.4 - Моментная характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения
Действительная характеристика из-за уменьшения потока вследствие размагничивающего действия реакции якоря пойдет ниже, и будет отклоняться от линейной зависимости (сплошная линия на рисунке 6.4). Однако расхождение между этими характеристиками невелико и во многих практических расчетах может не учитываться.
Механическую характеристикудвигателя n=f(Mэм) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Выразим ток Iа из выражения (12.24).
(6.25)
Подставив (6.25) в (6.20), получим аналитическое выражение механической характеристики:
(6.26)
Вид механической характеристики двигателя параллельного и независимого возбуждения такой же, как и у скоростной характеристики. Если принять пропорциональную зависимость между моментом и током якоря, то при одних и тех же значениях U и Iв скоростная характеристика в другом масштабе будет являться и механической характеристикой.
Рабочие характеристики двигателя М, P1, Iа, n, η=f(P2) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Рисунок 6.5 - Рабочие характеристики двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения
С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент двигателя М, а скорость вращения n немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности P1, забираемой из сети, и росту тока якоря Iа. При холостом ходе (Р2=0) КПД=О, затем с увеличением Р2 сначала КПД быстро растет, но в связи с большим ростом потерь в цепи якоря при больших нагрузках снова начинает уменьшаться.
Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно изменить направление вращения якоря.