Двигатель с параллельным возбуждением

Цепи якоря и возбуждения у двигателя с параллельным возбужде­нием соединены между собой параллельно. Следовательно, ток воз­буждения такого двигателя не зависит от тока якоря и от нагрузки двигателя.

На рис. 13.37 показана основная схема соединений двигателя о пусковым r_п и регулировочным r_ш реостатами. Пусковой реостат необ­ходим для того, чтобы ограничить ток в якоре при пуске, пока ЭДС якоря равна нулю или мала, так как согласно (13.6)

I_я = (U - E_я)/(r_я + r_п).

Электродвижущая сила Е_я пропорциональна потоку Ф; желательно, чтобы при пуске двигателя ЭДС Е_я возрастала возможно быстрее.

По этой причине при пуске обмотку возбуждения следует включать сразу на полное напряжение сети при выведенном регулировочном реостате г_ш.. Вращающий момент двигателя (13.2) также пропорциона­лен магнитному потоку Ф, поэтому если пуск двигателя происходит при наибольшем потоке, то наибольшего значения достигает и вращаю­щий момент, что существенно облегчает процесс пуска, так как соот­ветственно может быстрее снизиться пусковой ток.

В схеме на рис. 13.38 такое соединение обмотки возбуждения предусмотрено. Пусковой реостат снабжен металлической дугой т, которой касается скользящий контакт, укрепленный на рукоятке рео­стата. Пока рукоятка эта стоит на холостом контакте О пускового реостата, обе цепи двигателя выключены. Затем, когда во время пуска рукоятка перемещается по контактам реостата, обмотка возбуждения двигателя все время находится под полным напряжением сети.

Первый контакт пусково­го реостата соединен с мед­ной дугой т, благодаря чему при выключении двигателя обмотка возбуждения оказы­вается замкнутой на якорь и пусковой реостат. Тем самым

предупреждается возникновение большой ЭДС самоиндукции при размыкании цепи возбуждения, так как обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью. Благодаря наличию замкнутого контура с резистором при выключении двигателя энергия магнитного поля обмотки возбуждения преобразуется в этом резисторе в тепло. Секции пускового реостата рассчитываются так, чтобы при нормальном пуске ток якоря не превышал примерно двойного значения номинального тока якоря. Ток якоря при работе двигателя равен 1_я=(U — Е_я)/r_я.

Так как Е_я = с_ЕФп, то

n = (U - r_яI_я)/с_EФ (13.7)

— это уравнение частоты вращения двигателя с параллельным воз­буждением.

Общее уравнение электромагнитного момента (13.2) машины по­стоянного тока определяет вращающий момент двигателя с парал­лельным возбуждением:

М_вр = с_мФ1_я

Этот момент уравновешивает тормозной момент, приложенный к валу двигателя (статический момент).

При увеличении нагрузки на валу двигателя сначала равновесие моментов нарушается и двигатель несколько уменьшает частоту вра­щения. Но это вызывает уменьшение Е_я, а следовательно, и увеличение I_я. Пропорционально I_я возрастает вращающий момент, и при немного понизившейся частоте вращения п равновесие моментов восстанавливается. На основании (13.7) и (13.8) зависимость п от вращающего момента можно выразить также следующим образом:

n = - MBP .

(13.9)

Реакция якоря может оказывать некоторое влияние на работу двигателя. При увеличении тока якоря I_я уменьшается главный маг­нитный поток Ф (в наибольшей степени у двигателей без дополнитель­ных полюсов). Согласно уравнению (13.9) ослабление потока увели­чивает п, а следовательно, противодействует снижению частоты вращения, вызываемому увели­чением r_яI_я. Вместе с тем ослаб­ление потока уменьшает вра­щающий момент, а следователь­но, вызывает увеличение тока якоря, необходимое для поддер­жания равновесия моментов.

Большинство двигателей с параллельным возбуждением для компенсации влияния реакции якоря на главный магнитный поток снабжается дополнитель­ной последовательной обмоткой возбуждения из небольшого числа витков, называемой стабилизирующей обмоткой. Она соединяется согласно с параллельной обмоткой возбуждения и на вид характери­стик двигателя практически не влияет, поэтому двигатели с такой дополнительной обмоткой рассматриваются как двигатели с паралле­льным возбуждением, хотя фактически в них осуществлено смешан­ное возбуждение. Однако наличие этой дополнительной обмотки необ­ходимо учитывать, если использовать двигатель для каких-либо спе­циальных целей.

Следовательно, если считать магнитный поток Ф неизменным, то (13.9) — естественная механическая характеристика двигателя с па­раллельным возбуждением п = F (М), — изображается прямой линией, слегка наклоненной в сторону оси абсцисс (рис. 13.39). При изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной частота вращения большинства двигателей параллельного возбуждения умень­шается лишь на 3—8 % (тем меньше, чем больше номинальная мощ­ность двигателя). Таким образом, естественную механическую характе­ристику двигателей с параллельным возбуждением следует считать жесткой.

Угол наклона механической характеристики можно изменить, вклю­чив последовательно с якорем реостат г. В этом случае уравнение частоты вращения двигателя будет:

п = . (13.10)

Изменяя сопротивление реостата r, можно получить семейство искусственных механических характеристик (реостатных характерис­тик) более мягких, чем естественная механическая характеристика двигателя. Все эти характеристики будут пересекать ось ординат в одной и той же точке, определяемой условием I_я = 0 или Е_я = с_Еп_х Ф = U; здесь п_х — частота вращения якоря при идеальном холостом ходе двигателя. Заметим, что идеальный холостой ход дви­гателя соответствует отсутствию тормозного момента на его валу. Так как трение в подвижных частях двигателя всегда создает тормоз­ной момент, то идеальный холостой ход можно получить только воздей­ствием на вал машины внешнего вращающего момента от вспомогатель­ного двигателя.

Если при неизменном моменте на валу постепенно увеличивать сопротивление реостата г в цепи якоря, то точка п, показывающая на диаграмме рис. 13.39 частоту вращения двигателя, будет переме­щаться с одной характеристики на другую (точ­ки n₁ — n₄). Следовательно, посредством рео­стата r можно регулировать частоту вращения двигателя. Однако такое регулирование неэко­номично, так как ток в цепи регулировочного реостата равен току якоря I_я а это обуслов­ливает значительную мощность потерь rI²_я. По этой причине регулирование включением рео­стата в цепь якоря применяется лишь для двигателей небольших мощностей. По суще­ству реостатом регулируется напряжение на якоре. Положительной стороной такого регули­рования частоты вращения изменением напряжения является постоян­ство тока якоря и вращающего момента, развиваемого двигателем. Для большого числа приводов характерно постоянство нагрузочного момента при изменении частоты вращения. Следовательно, при работе двигателя на такой привод регулирование частоты вращения измене­нием напряжения не будет вызывать изменения тока якоря и послед­ний не будет перегружаться по току. По этой причине регулирование изменением напряжения называют регулированием с постоянным предельно допустимым моментом.

Уравнение (13.10) показывает, что частота вращения п обратно пропорциональна главному магнитному потоку Ф, а этот поток, пока магнитная цепь машины не насыщена, можно считать пропорциональ­ным току возбуждения I_в. Следовательно, частоту вращения двигателя можно регулировать изменением тока возбуждения, для чего в цепь возбуждения вводится реостат г_ш. Зависимость п = F (I_B) носит гиперболический характер; на рис. 13.40 показана эта характеристика двигателя при холостом ходе.

Процесс регулирования при постоянном тормозном моменте на валу двигателя протекает следующим образом.

Увеличение сопротивления реостата г_ш уменьшает ток возбуждения I_в, вследствие чего уменьшается магнитный поток Ф и индуктируемая им ЭДС Е_я в обмотке якоря. Понижение ЭДС Е_я вызывает увеличение тока в обмотке якоря:

I_я = (U-Е_я)/r₂

а следовательно, увеличение вращающего момента и частоты вращения двигателя. Благодаря этому равновесие моментов и равновесие элект­рическое

U = E_я + r_я1_я

восстанавливаются при возросших частоте вращения п и токе якоря I_Я. Таким образом, при М = const увеличение п двигателя посредством ослабления магнитного потока вызывает увеличение I_Я а следователь­но, некоторую перегрузку током коллектора и обмотки якоря.

Иные условия имеют место, если нагрузка на валу двигателя тре­бует постоянства мощности Р_н. Так как Р_н = М _вр = с_мФ1_яп /30 = кФ1_яп, то уменьшение магнитного потока будет вызывать увеличение частоты вращения и уменьшение вращающего момента при неизменном токе /_я. Следователь­
но, регулирование частоты вращения двига­теля путем изменения тока возбуждения вы­годно при постоянстве мощности на валу.
По этой причине такое регулирование частоназывают регулированием с постоянной пре­дельно допустимой мощностью.

Рис. 13.41.

Механические характеристики двигателя при различном возбуждении наклонены не­одинаково к оси абсцисс (рис. 13.41). Чем меньше магнитный поток, тем больше при том же вращающем моменте М = с_мФ1_в должен быть ток I_я, а следовательно, тем большее изменение п = (U — r_яI_я)/с_EФ вызывает изменение нагрузки, т. е. с ослаблением магнитного потока механическая характеристика двигателя становится мягче.

Так как ток возбуждения I_в относительно мал — примерно (2—3 %) I_я, то и дополнительные мощности потерь r_BI²_B при регули­ровании частоты вращения ослаблением магнитного потока Ф относи­тельно малы, благодаря чему такое регулирование весьма экономично. Однако значительное увеличение частоты вращения может обусловли­вать перегрузку коллектора и якоря по току, сильное ухудшение условий коммутации, возникновение опасных механических центро­бежных сил в якоре, и т. п. По этим причинам серийные двигатели параллельного возбуждения рассчитываются на регулирование частоты вращения в пределах до 2: 1. Возможность регулирования частоты вращения нагруженного двигателя в более широких пределах требует соответствующих конструктивных изменений машины. Такие изме­нения делаются заводами-изготовителями по специальным заказам, и в СССР выпускаются двигатели, рассчитанные на регулирование час­тоты вращения посредством изменения тока возбуждения в пределах 2,5: 1; 3: 1; 4: 1.

Очень широкие пределы регулирования частоты вращения и без­реостатный пуск двигателя с параллельным возбуждением обеспечи­вает применение системы П—Д (преобразователь—двигатель). Особенно целесообразно ее применение для больших мощностей, например для приводов прокатных станов. В качестве преобразователей могут использоваться генераторы постоянного тока, тиристорные выпрями­тели и т. д.

При использовании генератора постоянного тока в качестве пре­образователя весь агрегат системы Г—Д (генератор—двигатель) стоит из четырех машин (рис.13.42), асинхронный (или синхронный) двигатель АД вращает с постоянной частотой мощный генератор постоянного тока Г и небольшой генератор В с парал­лельным возбуждением, служа­щий возбудителем для установ­ки.

Цепь якоря генератора Г замкнута непосредственно на цепь якоря двигателя Д. Цепи возбуждения генератора и двига­теля питаются от возбудителя В. Все операции управления частотой вращения двигателя осуществляются воздействием только на цепи возбуждения машин. Напряжение генератора регулируется с помо­щью реостата г_в.г, включенного в его цепь возбуждения. Для того чтобы иметь возможность изменять направление тока возбуждения генератора, этот реостат часто снабжают двумя подвижными кон­тактами и включают по схеме по­тенциометра. Изменение направле­ния тока возбуждения генератора изменяет напряжения на выводах генератора и, следовательно, вы­зывает реверсирование двигателя. Для пуска двигателя напряже­ние генератора понижается регу­лированием возбуждения генера­тора.

Пределы регулирования изме­нением напряжения для установки средней мощности — примерно от 5:1 до 10: 1. Механические харак­теристики в пределах этой области регулирования — параллельные прямые (рис. 13.43), только их угол наклона к оси абсцисс несколько больше, чем угол наклона естественной механической характеристики двигателя. Меньшая жесткость характеристики является следствием понижения напряжения генератора с увеличением нагрузки из-за влияния внутреннего сопротивления якоря г_{Яг г} генератора. Таким образом, уравнение частоты вращения двигателя в системе Г—Д будет:

n= = - M_вр .

Уменьшение тормозного момента до нуля соответствует идеальному холостому ходу. Если далее воздействовать на вал машины внешним вращающим моментом (М < 0), то машина перейдет из режима двига­теля в режим генератора.

Дальнейшее расширение пределов регулирования частоты враще­ния системы Г—Д достигается изменением тока возбуждения двига­теля. Ослаблением магнитного потока двигателя можно обеспечить регулирование в пределах примерно до 4: 1, а следовательно, для системы Г—Д в целом пределы регулирования будут от 12: 1 до 16: 1.

Регулирование в пределах второй зоны, т. е. ослабление магнит­ного потока, экономически выгодно при постоянстве мощности привода.

Недостатками системы Г—Д являются большие габариты, низкий КПД из-за потерь в трех преобразователях энергии и большая инерционность регулирования.

Во многих современных установках система Г—Д заменена тиристорной системой с фазовым регулированием.

Для машины с параллельным возбуждением может быть построена уни­версальная характеристика. Если посредством какого-либо независимого двигателя вращать якорь с частотой вращения, превосходящей частоту вращения иде­ального холостого хода п_х, то направление тока в якоре изменится и машина будет работать как генератор на сеть постоянного тока. Если же приложить к валу двигателя достаточно большой тормозной мо­мент, то двигатель остановится, а если тормозной момент активный, создаваемый, например, опускающимся достаточно большим грузом, то машина из режима двигателя перейдет в режим электромагнит­ного тормоза. В этом случае ток в якоре

1_я = (U + Е_я)/(r_я + r), (13.12)

где r — сопротивление реостата, который необходимо включить в цепь якоря, чтобы ограничить ток.

При номинальном напряжении и отсутствии реостата ток в якоре при остановке в режиме тормоза был бы слишком большим и произошло бы разрушение коллектора и обмотки якоря. Торможение, получаемое таким образом, именуется торможением противовключением. Наряду с ним для быстрой остановки привода используется режим динами­ческого торможения. Вращающийся якорь отключается от сети и замыкается на некоторый резистор. В этих условиях ЭДС якоря играет роль ЭДС генератора. Она создает ток в якоре и резисторе, а этот ток вызывает возникновение электромагнитного тормозного момента.