Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 36 из 42)
; (2.75) 
, (2.76)но момент имеет противоположное направление. Из (2.74б) и (2.75) можно получить формулу для определения частоты вращения
. (2.77)Свойства двигателей постоянного тока, как и генераторов, в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независимым последовательным и смешанным возбуждением. Схемы включения двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения тока при пуске.
Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.60, а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат rр.в, а в цепь якоря–пусковой реостат rп. Характерной особенностью двигателя является то, что ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Ia(тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно (2.76) и (2.77) получим, чтс зависимости M=f(Ia) и n=f(Ia) (моментная и скоростная характеристики) будут линейными (рис. 2.60, б). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя n = f(M) (см. рис. 2.61, а). Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат с сопротивлением rп, то
, (2.77а)где n0 = U/(сеФ) – частота вращения при холостом ходе; Δn = (∑r + rп) Iа/(сеФ) – уменьшение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.
Величина Δn, т.е. сумма сопротивлений ∑r + rп, определяет наклон скоростной n=f(Ia) и механической М = f(Iа) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления rпуказанные характеристики будут «жесткими» (естественные характеристики 1 на рис. 2.60, б и 2.61, а), так как падение напряжения Iа∑r в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3–5% от Uном. При включении добавочного сопротивления rп угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным значениям rп2, rп3 и rп4. Чем больше сопротивление rп, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т.е. тем она «мягче». Следует отметить, что реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные мощные двигатели с параллельным возбуждением часто снабжают небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. М. д. с. этой обмотки при токе Iном составляет 10% от м. д. с. параллельной обмотки.
Рис. 2.61 – Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением
Регулировочный реостат rp.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. Как следует из (2.77а), при этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь.
На рис. 2.61, б изображены рабочие характеристики рассматриваемого двигателя. Они представляют собой зависимости потребляемой мощности P1тока Ia≈ Iн, частоты вращения n, момента М и к. п. д. η от отдаваемой мощности Р2 на валу двигателя при U= const и Iв = const. Характеристики n = f(P2) и M = f(Р2), как следует из рассмотренных ранее положений, являются линейными, а зависимости Pl = f(P2), Ia = f(P2) и η=f(P2) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря Iа.
В случае, если обмотка якоря двигателя и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание двигателей осуществляется от генераторов или полупроводниковых преобразователей. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iа.
Рис. 2.62 – Схема двигателя с последовательным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря
Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.62, а) ток возбуждения Iв = Iа, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря 1а< (0,8 ÷ 0,9) Iном, когда магнитная система машины не насыщена Ф = kфIа, причем коэффициент пропорциональности kФ в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем Iа, и при больших нагрузках (Iа> Iном) можно считать, что Ф = const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n = f(Ia) и M– f(Ia).
При токе якоря Iа< (0,8 ÷ 0,9) Iном частота вращения
, (2.78)где с1 и с2 – постоянные.
Следовательно, скоростная характеристика двигателя n = f (Ia) имеет форму гиперболы (рис. 2.62, б).
При токе якоря Iа> Iном частота вращения
, (2.78а)где с'1и с'2– постоянные.
В этом случае скоростная характеристика n = f(Ia) становится линейной.
Аналогично может быть получена зависимость электромагнитного момента от тока якоря–M = f(Ia). При Iа < (0,8 ÷ 0,9) Iиом электромагнитный момент
, (2.79)где c3– постоянная.
Следовательно, моментная характеристика М = f(Iа) имеет форму параболы (рис. 2.62, б).
При Iа> Iном электромагнитный момент
, (2.79а)где с'3–постоянная.
В этом случае зависимость M = f(Ia) становится линейной.
Механические характеристики n = f(M) (см. рис. 2.63, а) могут быть построены на основании зависимостей ni = f(Ia) и M=f(Ia). При токе якоря, меньшем (0,8 ÷ 0,9) Iном, частота вращения изменяется по закону
, (2.80)где с»1–постоянная.
При токе якоря, большим Iном, зависимость n = f(M) становится линейной.
Кроме естественной характеристики 1, путем включения добавочных пусковых сопротивлений rп в цепь якоря можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям rп2, rп3и rп4; причем чем больше гп, тем ниже располагается характеристика.
Из рис. 2.63, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются «мягкими» и имеют гиперболический характер.
Рис. 2.63 – Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением
При малых нагрузках частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 –0,25) Iном; только двигатели очень малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.