Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных, крановых и других установках, где требуется широкое плавное регулирование частоты вращения. Одна и та же электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство электрических машин называют обратимостью.

Предположим, что к двигателю подведено напряжение U_СЕТИ = const. При заданной на рисунке 16.1 полярности полюсов и направлении тока I_Я в якоре (обмотка якоря показана только одним проводником) на валу двигателя создается вращающий электромагнитный момент М, направленный против вращения часовой стрелки. Под действием этого момента двигатель вращается в направлении момента с постоянной частотой п.

Рисунок 16.1 – Направление момента и противо-э.д.с. обмотки якоря двигателя

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно составить уравнение э.д.с.

U_СЕТИ=Е_Я+I_ЯR_Я,

где Е_Я и I_Я – э.д.с и ток, соответствующие установившемуся режиму работы;

I_ЯR_Я – падение напряжения в сопротивлениях цепи якоря двигателя.

Уравнение моментов двигателя. Электромагнитный момент двигателя

М=(1/π)NI_ЯpФ/(2а)=C_МI_ЯФ (16.1)

создается в результате взаимодействия основного магнитного поля Ф и тока в обмотке якоря I_Я и расходуется на преодоление тормозящих моментов:

а) момента х.х. М₀;

б) полезного момента М₂;

в) динамического момента M_j.

Момент х.х. М₀ существует при любом режиме работы двигателя и определяется трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, вентиляционными потерями и потерями в стали. Полезный момент М₂ определяется свойствами рабочей машины и характером производственного процесса. Динамический момент возникает при всяком изменении частоты вращения двигателя

M_j=±J(dω/d), (16.2)

где J – момент инерции всех вращающихся частей;

ω – угловая скорость вращения якоря.

Если частота вращения двигателя увеличивается, то момент Е_j положителен и, складываясь с моментами М₀ и М₂, увеличивает тормозной момент на валу двигателя. При уменьшении п момент M_j отрицателен и уменьшает общий тормозной момент. Зависимость между вращающим и тормозным моментами двигателя на его валу определяется законом равновесия моментов: в любых условиях работы двигателя эти моменты находятся во взаимном равновесии, т.е. равны друг другу по величине, но направлены в противоположные стороны. При n=const момент M_j=0 и тогда

М=М₀+М₂=М_СТ (16.3)

где М_СТ – статический момент сопротивления на валу двигателя.

Энергетическая диаграмма двигателя. На рисунке 16.2 изображена энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения, работающего в установившемся режиме, т.е. при n=const. К двигателю из сети подводится мощность P₁=U_CI, которая покрывает потери в цепи возбуждения R_В и электрические потери в цепи якоря I²_ЯR_Я, а оставшаяся ее часть составляет электромагнитную мощность якоря Р_ЭМ=Е_ЯI_Я преобразующуюся в полную механическую мощность Р_М двигателя. Полезная механическая мощность на валу двигателя Р₂ меньше полной механической мощности Р_М на величину мощности P₀ необходимой для покрытия потерь в стали Р_С и механических потерь Р_МЕХ, т.е.

Р₂=Р_М – (Р_С+Р_МЕХ).

Рисунок 16.2 – Энергетическая диаграмма двигателя

параллельного возбуждения

В зависимости от способа включения обмотки возбуждения и обмотки якоря различают следующие типы двигателей постоянного тока:

а) параллельного возбуждения;

б) последовательного возбуждения;

в) смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения: параллельная и последовательная. Двигатели постоянного тока оцениваются по совокупности следующих видов характеристик: пусковых, рабочих, регулировочных и механических.

Пусковые характеристики.

Пусковые характеристики определяются следующими величинами:

а) пусковым током I_ПУСК характеризуемым отношением I_ПУСК / I_НОМ;

б) пусковом моментом М_ПУСК, характеризуемым отношением М_ПУСК / М_НОМ

в) плавностью пусковой операции;

г) временем пуска в ход t_ПУСК;

д) экономичностью операции, определяемой стоимостью пусковой аппаратуры.

В начальный момент пуска двигателя его якорь неподвижен, противо-э.д.с. в обмотке якоря равна нулю и ток в якоре двигателя I_Я=U_С / R_Я. Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает номинальный в 20 и более раз. Резкий скачок тока при пуске создает на валу двигателя большой пусковой момент, который может вызвать механические разрушения, как самого двигателя, так и исполнительного механизма, привести к резкому падению напряжения в сети и вызвать интенсивное искрение под щетками. Поэтому при пуске двигателя в ход для ограничения пускового тока применяют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря (см. рисунок 16.3). По мере увеличения частоты вращения якоря противо-э.д.с. увеличивается, а ток якоря уменьшается, поэтому сопротивление реостата следует уменьшить так, чтобы в конце пуска оно было полностью выведено, и чтобы пусковой ток превышал номинальный не более чем в два-три раза.

Рисунок 16.3 – Схема включения пускового реостата в цепь двигателя

параллельного возбуждения