Электродвигатели

откуда

Из этой формулы следует, что от э. д. с. Е зависит сила тока I_я, и, следовательно, мощность, потребляемая двигателем. Если э. д. с. уменьшается, например, при уменьшении частоты вращения п (в результате возрастания механической нагрузки на валу) или магнитного потока Ф, то возрастает ток I_я и мощность, потребляемая электродвигателем.

Частота вращения и вращающий электромагнитный момент. Формулу для частоты вращения электродвигателя можно получить таки образом:

Электромагнитный вращающий момент электродвигателя определяется по той же формуле, что и электромагнитный тормозной момент генератора. При работе электродвигателя под нагрузкой на его вал, кроме вращающего электромагнитного момента М действует еще противоположно направленный внешний тормозной момент М_вн(см. рис. 68, б), создаваемый приводимым им вдвйжение механизмом. Например, в грузоподъемных механизмах поднймаёмый гpз оказывает сопротивление вращению электродвигателя, который тянет трос с подвешенным к нему грузом. При работе электровозов и тепловозов масса поезда и самого локомотива, различные виды трения (колес о рельсы, осей в буксовых подшипниках локомотива и вагонов, различных движущихся частей в локомотиве и его тяговых двигателях), а также давление воздуха на торцовую поверхность локомотива и вагонов создают сопротивление движению поезда, которое приходится преодолевать тяговым двигателям этих локомотивов. Чем больше масса состава, скорость движения или подъем, по которому следует поезд, тем больше сопротивление, оказываемое вращению тяговых двигателей локомотива.

В зависимости от значений этих моментов якорь электродвигателя ускоряется (при М >М_вн), замедляется (при М <М_вн или вращается с постоянной частотои (при М =М_вн). Следователно, при равномерном вращении якоря (после окончания периода разгона или торможения) электромагнитный вращающий момент М определяется тормозным внешним моментом М_вн, приложенным к его валу. Например, при увеличении внешнего момента М_вн равновесие моментов нарушается и частота n вращения якоря уменьшается. Это вызывает уменьшение э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, и, следовательно, увеличение тока I_я и электромагнитного момента М. Указанный процесс продолжается до тех пор, пока моменты М и М_вн не уравняются.

После этого якорь будет снова вращаться с постоянной частотой, несколько меньшей, чем до увеличения момента М_вн.

Процесс изменения момента М при увеличении момента М_вн можно объяснить также исходя из энергетических соотношений. При увеличении внешнего момента М_вн увеличивается механическая энергия, которую электродвигатель отдает приводимой во вращение колесной паре или производственному механизму. Следовательно, должна увеличиться электрическая энергия, потребляемая двигателем от источника (контактной сети, тепловозного генератора), т. е. ток I_я, поступающий в обмотку якоря и создаваемый им момент М.

Из рассмотренных условий изменения момента М при увеличении или уменьшении момента М_вн следует, что ток I_я в обмотке якоря зависит от механической нагрузки на валу электродвигателя. Чем больше тормозной момент М_вн, приложенный к валу, тем больше должен быть ток I_я, чтобы создать электромагнитный вращающий момент M ≈ М_вн. Из формулы М = с_M ФI_я можно получить

I_я = М/(c_eФ) ≈ М_вн //(c_eФ)

Из этой формулы следует также, что сила тока I_я зависит от магнитного потока Ф. Физически это объясняется следующим образом.

Если уменьшить поток Ф, то должны уменьшиться электромагнитный момент М и э. д. с. в обмотке якоря Е. Однако это сейчас же приведет к увеличению тока I_я, который будет возрастать до тех пор, пока момент М не уравняется с внешним моментом М_вн.

Электродвигатель с независимым возбуждением. В этом электродвигателе (рис. 125, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику с напряжением U_B. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r_рв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат r_п. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения двигателя, а пусковой—для ограничения тока якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения I_в не зависит от тока I_я в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. При этом условии получим, что зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения n от тока I_я будут линейными (рис. 126, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя — зависимость частоты вращения n от электромагнитного момента М (рис. 126, б).

При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением r_п скоростная и механическая характеристики будут «жесткими», т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напря жения I_я r_я в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3—5% от U _H0M. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 126, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением r_п угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным значениям r_п1, r_п2 и r_п3. Чем больше сопротивление r_п, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она «мягче».

Регулировочный реостат r_рв позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и его магнитный поток Ф. При этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения, резко возрастает (двигатель идет «вразнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря I_я и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Ф_ост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток I_я. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения п будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором Е = U — I_я r_я).

При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток I_я и машина должна быть отключена от источника питания.

Следует отметить, что частота вращения n₀ соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I₀, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности, и развивает некоторый момент М₀, требуемый для преодоления трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше n₀.

Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности P₂(рис. 126, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока якоря I_я и мощности Р₁ от Р₂ также практически линейны. Ток I_я и мощность Р₁ при Р₂ = 0 представляют, собой ток холостого хода I₀ и мощность Р₀, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин.

Электродвигатель с параллельным возбуждением. В этом электродвигателе (см. рис. 125, б) обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением U. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r_рв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат r_п. В рассматриваемом электродвигателе имеет место по существу раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения I_в не зависит от тока обмотки якоря I_я. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель о параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением. При питании электродвигателя от источника с изменяющимся напряжением (генератор или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее уменьшение тока возбуждения I_в и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря I_я. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.

Электродвигатель с последовательным возбуждением. Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря включен пусковой реостат r_п (рис. 127, а), а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат r_рв. Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения I_в равен или пропорционален (при включении реостата грв) току обмотки якоря I_я, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя (рис. 127, б).

При токе обмотки якоря I_я, меньшем (0,8-0,9) номинального тока I_ном, магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току I_я. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет «мягкая» — с увеличением тока I_я частота вращения n будет резко уменьшаться (рис. 128, а). Уменьшение частоты вращения n, происходит из-за увеличения падения напряжения I_я r_я во внутреннем сопротивлении r цепи обмотки якоря; из-за увеличения магнитного потока Ф.

Электромагнитный момент М при увеличении тока I_я будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток Ф, т. е. момент М будет пропорционален току I_я². Поэтому при токе I_я, меньшем (0,8-0,9) I_ном, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

При токах I_я > I _ном зависимости М и n от I_я линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока I_я меняться не будет.

Механическая характеристика, т. е. зависимость п от М (рис. 128, б), может быть построена на основании зависимостей п и М от I_я. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением r_п получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям r_п1, r_п2 и r_п 3; при этом чем больше r_п, тем ниже располагается характеристика. Механическая характеристика рассматриваемого двигателя «мягкая» и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения п резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет «вразнос»). 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 для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2-0,25) I _ном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.). Объясняется это тем, что при «мягкой» характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением; поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кро­ме того, этот двигатель имеет боль­ший пусковой момент, чем двига­тели с параллельным и независи­мым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличи­вается и магнитный поток.

Если принять, например, что кратковременный пусковой ток может в 2 раза превышать номиналь­ный рабочий ток машины, и пре­небречь влиянием насыщения, реак­цией якоря и падением напряженияв цепи его обмотки, то в двигателе с последовательным возбуждениемпусковой момент будет в 4 разабольше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбужде­нием — только в 2 раза больше. В действительности из-за насыще­ния магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорцио­нально току, но все же пусковой момент двигателя с последователь­ным возбуждением при прочих равных условиях будет значитель­но больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.

Зависимости п и М от мощности Р₂ на валу электродвигателя (рис. 128, в), как следует из рассмотренных выше положений, яв­ляются нелинейными; зависимости P₁, I _я и η от Р₂ имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным возбуждением.

Электродвигатель со смешанным возбуждением. В этом электро­двигателе (рис. 129, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения I _в1 и I _в2 = I _я. Поэтому

Ф= Ф_посл + Ф_пар

где Ф_посл — магнитный поток последовательной обмотки, завися­щий от тока I _я;

Ф_пар — магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения I _в1).

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным воз буждением (рис. 129,б) располагается между характеристиками дви­
гателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил
параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последова­тельной обмотки) или к характеристике 2 (кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки). Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая «мягкой» механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Ф_посл = 0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Ф_пар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет «вразнос»).