Доброго времени суток, дорогие читатели! В этой статье я расскажу о том, что такое возбуждение в двигателях постоянного тока и «с чем его едят».
Наверное, каждый из нас в детстве имел игрушки с электроприводом. Те же, кто в те годы отличался любопытностью, не упустили возможность разобрать эти игрушки, дабы посмотреть, а что там внутри.
Заглянув внутрь такой игрушки, нами был найден маленький электромоторчик постоянного тока. Естественно, тогда мы и не задумывались над тем, почему он работает. Некоторые из нас, найдя в игрушке моторчик, решались разобрать и его. Вот эти-то любопытные товарищи, разобрав моторчик, находили там постоянный магнит (иногда не один), щетки и якорь с коллектором.
Так вот, как раз постоянный магнит и является простейшей системой возбуждения для моторов постоянного тока . Ведь якорь моторчика вращается только тогда, когда вокруг него присутствует постоянное магнитное поле, которое и создается при помощи постоянного магнита.
Двигатели постоянного тока промышленных масштабов, в качестве возбудителей, используют специальные обмотки, именуемые обмотками возбуждения.
Подключение же этих обмоток может быть самым различным. Они могут включаться параллельно якорю, последовательно с ним, смешано и, даже, независимо от них.
Кстати, моторчики, имеющие в качестве возбудителя постоянный магнит, считаются устройствами с независимым возбуждением.
Возбуждающая обмотка состоит из значительно большего числа витков, нежели якорная. В связи с этим, ток якорной обмотки в десятки раз превосходит ток возбуждающей. Скорость вращения такого движка может меняться в зависимости от нагрузки и магнитного потока. Благодаря свойствам подключения, движки параллельного включения довольно мало подвержены перемене частоты вращения.
Теперь рассмотрим вариант раздельного подключения рабочей и возбуждающей обмоток. Такой движок именуется мотором с независимым возбуждением. Скорость такого движка может регулироваться при помощи смены сопротивления якорной цепи или магнитного потока.
Тут есть небольшой нюансик: не стоит слишком уменьшать ток возбуждения при таком включении двигателя, поскольку это чревато очень большим подъемом якорного тока. Тем же самым опасен и обрыв цепи возбуждения этих двигателей. Кроме того, если нагрузка мотора с таким включением мала, либо при его включении на холостой ход может произойти такой сильный его разгон, что возникнет опасность для движка.
Как я уже говорил, разновидностью ДПТ независимого возбуждения считаются устройства, имеющие в качестве возбудителя постоянные магниты. Скажу несколько слов и о них.
Поскольку ДПТ и машины синхронного типа могут использовать вместо возбудителей постоянные магниты, то подобный вариант считается достаточно привлекательным. И вот почему:
- у такого устройства снижено потребления тока за счет уменьшения числа обмоток, в результате чего такие показатели подобных машин, как КПД, оказываются выше;
- с использованием вместо возбудителя постоянных магнитов упрощается конструкция возбуждающих цепей движка, что повышает его надежность, ведь постоянный магнит не требует питания, следовательно, у такого мотора нет токосъемного узла на роторе.
Теперь о последовательном включении обмоток (двигатели с последовательным возбуждением).
В этом варианте подключения, якорный ток будет являться и возбуждающим. Это становится причиной изменения магнитного потока в сильной зависимости от нагрузки. Это является причиной большой нежелательности пуска их на холостом ходу и при маленькой нагрузке.
Применение же такое включение нашло там, где требуется значительный момент пуска, либо возможность выдерживания кратковременных перегрузок. В связи с этим, их применяют, как средства тяги для трамваев, троллейбусов, электровозов, метро и подъемных кранов. Кроме того, их применяют, как средство запуска для ДВС (в качестве стартеров).
Последним вариантом включения движков постоянного тока считается их смешанное включение. Каждый из полюсов этих моторов оснащен парой обмоток, одна из которых параллельная, а другая – последовательная. Подключать их возможно двумя способами:
- согласный метод (в этом случае токи складываются);
- встречный вариант (вычитание токов).
Соответственно, в зависимости от варианта подключения (от чего меняется и соотношение магнитных потоков), такой мотор может оказаться приближен либо к устройству, имеющему последовательное возбуждение, либо к движку с параллельным возбудом.
В большинстве случаев, основной обмоткой у них считают последовательную обмотку, а параллельную – вспомогательной. За счет параллельной обмотки у таких моторов скорость при небольших нагрузках практически не растет.
Если требуется получение значительного момента при пуске и возможность регулирования скорости на переменных нагрузках, используется подключение согласного типа. Встречное же подключение используется при необходимости получения постоянной скорости при изменяющейся нагрузке.
Если возникает необходимость реверсирования ДПТ (смены направления его вращения), то меняют направление тока в одной из его рабочих обмоток.
Методом смены полярности подключения клемм двигателя возможно поменять направление только тех моторов, которые включены по независимой схеме, либо движков с постоянным магнитом в качестве возбудителя. Во всех иных устройствах необходима смена направления тока в одной из рабочих обмоток.
Кроме того, движки постоянного тока нельзя включать методом подключения полного напряжения. Это связано с тем, что величина их пускового тока примерно в 2 десятка раз выше номинального (это зависит от размеров и скорости двигателя). Токи пуска движков больших размеров могут и в полсотни раз превосходить их номинальный рабочий ток.
Токи больших величин способны вызвать эффект кругового искрения коллектора, в результате чего коллектор разрушается.
Чтобы выполнить включение ДПТ, используется методика , либо применение пусковых реостатов. Включение прямого типа возможно лишь на небольших напряжениях и для маленьких движков, имеющих большое сопротивление якорной обмотки.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.
Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.
Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (7) и (9), представленными в статье " ", при U = const и i в = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными .
Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I а поток Ф δ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря . В результате этого скорость n , согласно выражению (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", будет стремится возрасти. С другой стороны, падение напряжения R а × I а вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис. 1: 1 – при преобладании влияния R а × I а; 2 – при взаимной компенсации влияния R а × I а и уменьшения Ф δ ; 3 – при преобладании влияния уменьшения Ф δ .
Ввиду того что изменение Ф δ относительно мало, механические характеристики n = f (M ) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (9), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", при U = const и i в = const совпадают по виду с характеристиками n = f (I а) (рисунок 1). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.
Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью " "). Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготавливаются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рисунок 1). В современных высокоиспользованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рисунок 1) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, намагничивающая сила которой составляет до 10% от намагничивающей силы параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф δ под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей , а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем параллельного возбуждения.
Изменение скорости вращения Δn (рисунок 1) при переходе от холостого хода (I а = I а0) к номинальной нагрузке (I а = I ан) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2 – 8% от n н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и прочее).
  |
| Рисунок 2. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения |
Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока
Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R р.в (смотрите рисунок 1, б в статье " " и рисунок 1 в статье "Пуск двигателей постоянного тока "). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R ра = 0) и U = const характеристики n = f (I а) и n = f (M ), определяемые равенствами (7) и (9), представленными в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", для разных значений R р.в, i в или Ф δ имеют вид, показанный на рисунке 2. Все характеристики n = f (I а) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I а, который, согласно выражению (5), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", равен
I а = U / R а.
Однако механические характеристики n = f (M ) пересекают ось абсцисс в разных точках.
Нижняя характеристика на рисунке 2 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой M ст = f (n ) для рабочей машины, соединенной с двигателем (жирная штриховая линия на рисунке 2).
Точка холостого хода двигателя (M = M 0 , I а = I а0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M 0 и I а0 также увеличиваются (тонкая штриховая линия на рисунке 2).
Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n , то E а [смотрите выражение (6) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока "] будет увеличиваться, а I а и M будут, согласно равенствам (5) и (8), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", уменьшаться. При I а = 0 и M = 0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости I а и M изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рисунке 2 левее оси ординат).
Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1: 2. Изготавливаются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1: 5 или даже 1: 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов (смотрите статью "Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока ") или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.
Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики
Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R ра (рисунок 3, а ), то вместо выражений (7) и (9), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока ", получим
  | (1) |
  | (2) |
Сопротивление R ра может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.
Рисунок 3. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а ) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б )
Характеристики n = f (M ) и n = f (I а) для различных значений R ра = const при U = const и i в = const изображены на рисунке 3, б (R ра1 < R ра2 < R ра3). Верхняя характеристика (R ра = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n = 0) в точке, для которой
Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рисунке 3 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n < 0, э. д. с. E а имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U , вследствие чего
а момент двигателя M действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.
Если в режиме холостого хода (I а = I а0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим I а = 0, а затем I а изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рисунке 3, б слева от оси ординат).
Как видно из рисунка 3, б , при включении R ра характеристики становятся менее жесткими, а при больших значениях R ра – круто падающими, или мягкими.
Если кривая момента сопротивления M ст = f (n ) имеет вид, изображенный на рисунке 3, б жирной штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения R ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше R ра, тем меньше n и ниже коэффициент полезного действия (к. п. д.).
Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря
Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря может осуществляется с помощью агрегата "генератор – двигатель" (Г – Д), называемого также агрегатом Леонарда (рисунок 4). В этом случае первичный двигатель ПД (переменного тока, внутреннего сгорания и тому подобный) вращает с постоянной скоростью генератор постоянного тока Г . Якорь генератора непосредственно подключен к якорю двигателя постоянного тока Д , который служит приводом рабочей машины РМ . Обмотки возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД питаются от независимого источника – сети постоянного тока (рисунок 4) или от возбудителей (небольших генераторов постоянного тока) на валу первичного двигателя ПД . Регулирование тока возбуждения генератора i в.г должно производиться практически от нуля (на рисунке 4 с помощью реостата, включенного по потенциометрической схеме). При необходимости реверсирования двигателя можно изменить полярность генератора (на рисунке 4 с помощью переключателя П ).
Рисунок 4. Схема агрегата "генератор – двигатель" для регулирования скорости двигателя независимого возбуждения
Пуск двигателя Д и регулирование его скорости осуществляют следующим образом. При максимальном i в.д и i в.г = 0 производят пуск первичного двигателя ПД . Затем плавно увеличивают i в.г, и при небольшом напряжении генератора U двигатель Д придет во вращение. Регулируя, далее, U в пределах до U = U н, можно получить любые скорости вращения двигателя до n = n н. Дальнейшее увеличение n возможно путем уменьшения i в.д. Для реверсирования двигателя уменьшают i в.г до нуля, переключают ОВГ и снова увеличивают i в.г от значения i в.г = 0.
Когда рабочая машина создает резко пульсирующую нагрузку (например, некоторые прокатные станы) и нежелательно, чтобы пики нагрузки полностью передавались первичному двигателю или в сеть переменного тока, двигатель Д можно снабдить маховиком (агрегат Г – Д – М, или агрегат Леонарда – Ильгнера). В этом случае при понижении n во время пика нагрузки часть этой нагрузки покрывается за счет кинетической энергии маховика. Эффективность действия маховика будет больше при более мягкой характеристике двигателя ПД или Д .
В последнее время все чаще двигатель ПД и генератор Г заменяют полупроводниковым выпрямителем с регулируемым напряжением. В этом случае рассматриваемый агрегат называют также вентильным (тиристорным ) приводом.
Рассмотренные агрегаты используются при необходимости регулирования скорости вращения двигателя с высоким к. п. д. в широких пределах – до 1: 100 и более (крупные металлорежущие станки, прокатные станы и так далее).
Отметим, что изменение U с целью регулирования n по схеме рисунка 1, б , показанного в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока " и рисунка 3, а , не дает желаемых результатов, так как одновременно с изменением напряжения цепи якоря изменяется пропорционально U также ток возбуждения. Так как регулирование U можно производить только от значения U = U н вниз, то вскоре магнитная цепь окажется насыщенной, вследствие чего U и i в будут изменяться пропорционально друг другу. Согласно равенству (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока "), n при этом существенным образом не меняется.
В последнее время все больше распространяется так называемое импульсное регулирование двигателей постоянного тока. При этом цепь якоря двигателя питается от источника постоянного тока с постоянным напряжением через тиристоры, которые периодически, с частотой 1 – 3 кГц включаются и отключаются. Чтобы сгладить при этом кривую тока якоря, на его зажимах подключаются конденсаторы. Напряжение на зажимах якоря в этом случае практически постоянно и пропорционально отношению времени включения тиристоров ко времени продолжительности всего цикла. Таким образом, импульсный метод позволяет регулировать скорость вращения двигателя при его питании от источника с постоянным напряжением в широких пределах без реостата в цепи якоря и практически без дополнительных потерь. Таким же образом, без пускового реостата и без дополнительных потерь, может производиться пуск двигателя.
Импульсный способ регулирования в экономическом отношении весьма выгоден для управления двигателями, работающими в режимах переменной скорости вращения с частыми пусками, например на электрифицированном транспорте.
 |
| Рисунок 5. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения P н = 10 кВт, U н = 200 В, n н = 950 об/мин |
Рабочие характеристики
Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности P 1 , потребляемого тока I , скорости n , момента M , и к. п. д. η от полезной мощности P 2 при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рисунке 5.
Одновременно с увеличением мощности на валу P 2 растет и момент на валу M . Поскольку с увеличением P 2 и M скорость n несколько уменьшается, то M ∼ P 2 / n растет несколько быстрее P 2 . Увеличение P 2 и M , естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I . Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность P 1 . При холостом ходе (P 2 = 0) к. п. д. η = 0, затем с увеличением P 2 сначала η быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.
Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.
Устройство и принцип работы
ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.
Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.
Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.
Краткая история создания
Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.
Особенности ДПТ
Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.
Достоинства и недостатки ДПТ
К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.
Сфера применения
Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.
Схема двигателя.
Схема двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.25. Обмотка якоря и обмотка возбуждения включены параллельно. В этой схеме: I – ток, потребляемый двигателем из сети, I я – ток якоря, I в – ток возбуждения. Из первого закона Кирхгофа следует, что I = I я + I в.
Естественная механическая характеристика. Естественная механическая характеристика описывается формулой (1.6).
При холостом ходе М = 0 и n х = U/С Е Ф.
Если Ф = const, то уравнение механической характеристики принимает вид:
n = n х – b М, (1.8)
где b = R я /С Е Ф.
Из (1.8) следует, что механическая характеристика (рис. 1.26, прямая 1) – прямая с углом наклона a и угловым коэффициентом b. Так как у двигателей постоянного тока R я мало, то с увеличением нагрузки на валу частота вращения n изменяется незначительно – характеристики подобного типа называются «жесткими».
Ток, потребляемый двигателем из сети, практически растет пропорционально моменту нагрузки. Действительно, М » М эм = С м I я Ф, и так как у двигателя параллельного возбуждения Ф = const, то I я ~ М.
Регулирование частоты вращения.
Регулирование частоты вращения возможно из (1.6) тремя способами: изменением магнитного потока главных полюсов Ф, изменением сопротивления цепи якоря R я и изменением подводимого к цепи якоря напряжения U (изменение n за счет изменения момента нагрузки М в понятие регулирования не входит).
Регулирование n изменением магнитного потока Ф осуществляется с помощью регулировочного реостата R р. При увеличении сопротивления реостата ток возбуждения I в и магнитный поток главных полюсов Ф уменьшаются. Это приводит, во-первых, к увеличению частоты вращения холостого хода n х и, во-вторых, к увеличению коэффициента b, т.е. к увеличению угла наклона механической характеристики. Однако b остается небольшим и жесткость механических характеристик сохраняется. На рис. 1.28 помимо естественной характеристики 1, соответствующей максимальному магнитному потоку Ф, приведено семейство механических характеристик 2-4, снятых при уменьшенном магнитном потоке. Из характеристик следует, что изменением магнитного потока можно только увеличивать частоту вращения относительно естественной характеристики. Практически частоту вращения таким методом можно увеличивать не более чем в 2 раза, так как увеличение скорости приводит к ухудшению коммутации и даже механическим повреждениям машины.
Другой способ регулирования скорости связан с включением последовательно с якорем регулировочного реостата R я.р (пусковой реостат R п для этой цели непригоден, так как он рассчитан на кратковременный режим работы). Формула (1.6) при этом принимает вид:
n = 
,
откуда следует, что скорость при холостом ходе при любом сопротивлении R я.р одинакова, а коэффициент b и, следовательно, наклон механических характеристик 5-7 увеличивается (рис. 1.26). Регулирование частоты вращения этим способом приводит к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. Кроме того, оно неэкономично, так как связано с большой мощностью потерь (R я.р I ) в регулировочном реостате, по которому протекает весь ток якоря.
Третий способ регулирования частоты вращения – безреостатное изменение подводимого к якорю напряжения. Он возможен только в случае, когда якорь двигателя питается от отдельного источника, напряжение которого можно регулировать. В качестве регулируемого источника применяются отдельные, специально предназначенные для данного двигателя генераторы или управляемые вентили (тиратроны, ртутные выпрямители, тиристоры). В первом случае образуется система машин, называемая системой Г-Д (генератор – двигатель), (рис. 1.27). Она применяется для плавного регулирования в широких пределах частоты вращения мощных двигателей постоянного тока и в системах автоматического управления. Система регулирования с управляемыми вентилями УВ (рис. 1.28) находит применение для регулирования частоты вращения двигателей меньшей мощности. Ее преимущество – большая экономичность.
Регулирование частоты вращения изменением U практически возможно только в сторону уменьшения, так как увеличение напряжения выше номинального недопустимо из-за резкого ухудшения коммутации. Из (1.9) следует, что при уменьшении напряжения уменьшается скорость холостого хода n х, а наклон механических характеристик 8-10 не изменяется (см. рис. 1.26), они остаются жесткими даже при низких напряжениях. Диапазон регулирования (n max /n min) таким способом 6:1-8:1. Он может быть значительно расширен при применении специальных схем с обратными связями.
Регулировочная характеристика.
Регулировочная характеристика n=f(I в) двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.29.
Ее характер определяется зависимостью (1.5), из которой следует, что частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку и, следовательно, току возбуждения I в. При токе возбуждения I в = 0, что может быть при обрыве цепи возбуждения, магнитный поток равен остаточному Ф ост и частота вращения становится настолько большой, что двигатель может механически разрушиться, – подобное явление называется разносом двигателя.
Физически явление разноса объясняется тем, что вращающий момент (1.2) при уменьшении магнитного потока, казалось бы, должен уменьшиться, однако ток якоря I я = (U – E)/R я увеличивается значительнее, так как уменьшается Е (1.1) и разность U – E увеличивается в большей степени (обычно Е » 0,9 U).
Тормозные режимы.
Тормозные режимы двигателя имеют место тогда, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, действует против направления вращения якоря. Они могут возникать в процессе работы двигателя при изменении условий работы или создаваться искусственно с целью быстрого уменьшения скорости, остановки или реверсирования двигателя.
У двигателя параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: генераторное торможение с возвратом энергии в сеть, торможение противовключением и динамическое торможение.
Генераторное торможение возникает в тех случаях, когда частота вращения якоря n становится больше частоты вращения при идеальном (т.е. при М пр = 0) холостом ходе n x (n>n x). Переход в этот режим из режима двигателя возможен, например, при спуске груза, когда момент, создаваемый грузом, приложен к якорю в том же направлении, что и электромагнитный момент двигателя, т.е. тогда, когда момент нагрузки действует согласно с электромагнитным моментом двигателя и он набирает скорость, большую чем n x . Если n>n x , то Е>U c (где U c – напряжение сети) и ток двигателя изменяет свой знак (1.4) – электромагнитный момент из вращающего становится тормозным, а машина из режима двигателя переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть (рекуперация энергии). Переход машины из двигательного режима в генераторный иллюстрируется механической характеристикой (рис. 1.30). Пусть в двигательном режиме a 1 – рабочая точка; ей соответствует момент М. Если частота вращения увеличивается, то рабочая точка по характеристике 1 из квадранта I переходит в квадрант II, например, в рабочую точку a 2 , которой соответствует частота вращения n΄ и тормозной момент – М΄.
Торможение противовключением возникает в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или тока возбуждения переключается на противоположное. Электромагнитный момент при этом изменяет знак и становится тормозным.
Работе двигателя с противоположным направлением вращения соответствуют механические характеристики, располагающиеся в квадрантах II и III (например, естественная характеристика 2 на рис. 1.30).
Внезапный переход на эту характеристику практически недопустим, так как сопровождается чрезмерно большим броском тока и тормозного момента. По этой причине одновременно с переключением одной из обмоток в цепь якоря включается добавочное сопротивление R доб, ограничивающее ток якоря.
Механическая характеристика режима с R доб имеет большой наклон (прямая 3). При переходе в режим противовключения частота вращения n в первый момент измениться не может (из-за инерционности якоря) и рабочая точка из положения a 1 перейдет в положение a 3 на новой характеристике. Из-за появления М тор частота вращения n будет быстро падать до тех пор, пока рабочая точка a 3 не перейдет в положение a 4 , соответствующее остановке двигателя. Если в этот момент двигатель не отключить от источника питания, то якорь изменит направление вращения. Машина начнет работать в двигательном режиме с новым направлением вращения, а ее рабочая точка a 5 будет находиться на механической характеристике 3 в квадранте III.
Динамическое
торможение
возникает в тех случаях, когда якорь двигателя отключается от сети и замыкается на сопротивление динамического торможения R д.т. Уравнение характеристики (1.6) принимает вид:
n = 
что соответствует семейству прямых 4 (при разных R д.т), проходящих через начало координат. При переключении в этот режим рабочая точка a 1 переходит на одну из характеристик 4, например, в точку a 6 , а затем перемещается по прямой 4 до нуля. Якорь двигателя тормозится до полной остановки. Изменением сопротивления R д.т можно регулировать ток якоря и скорость торможения.
Лекция №9
Двигатели постоянного тока
По габаритам;
По способу защиты;
По мощности;
По скорости вращения;
Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.
Рис. 9.1 Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное
Основные формулы и уравнения
Если принять скорость вращения якоря в системе СИ (рад/с), то формула 4.13 из лекции №4 примет вид
М - электромагнитный момент машины постоянного тока, Н/м (ньютон делить на метр)
k - постоянная для данной машины величина;
Ф - основной магнитный поток, Вб (вебер)
р - число пар полюсов обмотки якоря
N - число пазовых сторон обмотки якоря
а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря
I а или просто I - ток якоря, А;
Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно получить уравнение напряжений (Э.Д.С.) для цепи якоря генератора:
Это уравнение получают на основании второго закона Кирхгофа
. (9.3)
Сумма сопротивлений всех участков цепи якоря:
Обмотки якоря r а или, r я
Обмотки добавочных полюсов r д,
Компенсационной обмотки r ко,
Последовательной обмотки возбуждения r с
Переходного щеточного контакта r щ.
При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (9.4) не входят соответствующие слагаемые.
Из (9.3) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря.
На основании (9.3) получим формулу тока якоря
. (9.5)
Умножив обе части уравнения (9.3) на ток якоря I а, получим уравнение мощности для цепи якоря:
, (9.6)
, (9.7)
(9.8)
ω- угловая частота вращения якоря;
Электромагнитная мощность двигателя.
Следовательно, выражение представляет собой электромагнитную мощность двигателя.
Рабочие характеристики
Рабочие характеристики двигателя представлены на рис 9.2б
Частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р 2 уменьшается, а график ω= f(Р 2) приобретает падающий вид . Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которую называют стабилизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.
Изменение частоты вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:
, (9.12)
∆ω ном = 100
где 0 (n 0) - частота вращения двигателя в режиме х.х.
Обычно для двигателей параллельного возбуждения ∆ω ном =2-8%, поэтому характеристику частоты вращения двигателя параллельного возбуждения называют жесткой .
Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой 
. При 
график 
имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, и поэтому зависимость 
криволинейна
.
График зависимости М эл =f(Р 2)
проходит параллельно кривой М 2 =f(Р 2)
.
Пуск двигателя
Ток якоря двигателя определяется формулой
В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС Е а =0. Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток
I п = (9.13)
Обычно сопротивление 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. И наконец, 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 (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7-1,0 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 (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).
Перед пуском двигателя необходимо реостат ввести, т.е поставить наибольшее сопротивление. Затем включают рубильник и постепенно уменьшают сопротивление реостата.
Рис. 9.4. Схема включения пускового реостата
Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата
. (9.14)
Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.
Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения.
Примерами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двигателя в схеме «генератор-двигатель».
Реверсирование двигателей
Реверсирование двигателя - это изменение направления вращения якоря.
Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя М эм и соответственно направление вращения якоря.
КПД машин постоянного тока
η = P 2 /P 1 , (9.20)
Р 2 - полезная мощность машины (у генератора - это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя - механическая мощность на валу);
Р 1 - подводимая к машине мощность (у генератора - это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя - мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P 1 включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).
Очевидно, мощность Р 1 может быть выражена следующим образом: Р 1 = Р 2 + ΣΔP,
где ΔP - сумма перечисленных выше потерь мощности.
С учетом последнею выражения
η = P 2 /(P 2 + ΣΔP). (9.21)
Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р 2 равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η=f(Р 2) приведен на рис. 9.5.
При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р 2 , достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р 2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.
Литература: Кацман М.М. Электрические машины. Глава 29.
§29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6, 29.8, 29.10
Лекция №9
Двигатели постоянного тока
Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока используются в промышленности в случае необходимости регулирования скорости ЭП (электропривода). В основном применяются системы УВ-Д (управляемый выпрямитель-двигатель), которые обеспечивают регулирование скорости с высоким качеством.
По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:
1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.
2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.
3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.
4. Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.
Двигатели с независимым возбуждением и параллельным возбуждением обладают одинаковыми свойствами, поэтому эти группы объединяют и относят к одной группе: двигатели с независимым возбуждением предназначенные для работы в регулируемых ЭП.
Промышленность выпускает двигатели постоянного тока основной общепромышленной серии 2П и 4П, они подразделяются по следующим признакам:
По габаритам;
По способу защиты;
По мощности;
По скорости вращения;
По напряжению на якоре (110В, 220В, 340В, 440В);
На напряжению обмотке возбуждения (110 и 220 В);
Если напряжение на якоре и на обмотке возбуждения (ОВ) совпадают, то обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря.
Кроме серий 2П и 4П выпускаются и другие специализированные серии.
