Двигатель с последовательным возбуждением

У двигателя с последовательным возбуждением ток якоря является вместе с тем током возбуждения, так как обмотка возбуждения этого двигателя соединена последовательное якорем (рис. 13.45). Благодаря такому соединению главный магнитный поток машины изменяется пропорционально току якоря, пока магнитопровод машины ненасы­щен. Как и все двигатели постоянного тока, этот двигатель для ограни­чения пускового тока снабжается пусковым реостатом r_n.

Уравнения машин постоянного тока (13.1) и (13.2) можно преобра­зовать для двигателя с последовательным возбуждением следующим образом. Магнитный поток его при ненасыщенном магнитопроводе прямо пропорционален МДС его обмотки возбуждения I_яw_B и обратно пропорционален магнитному сопротивлению машины R_м, т. е. Ф = I_яw_B / R_м

Подставив это выражение магнитного потока в общие уравнения момента и частоты вращения двигателей постоянного тока, получим уравнение частоты вращения двигателя (электромеханической харак­теристики)

n= (13.14)

и уравнение его вращающего момента

M_вp = c_Mw_BI²_я /R_м. (13.14)

Последнее уравнение показывает, что вращающий момент двигателя при ненасыщенном магнитопроводе возрастает пропорционально квадрату тока, в соответствии с чем начальная часть кривой зависимости момента от тока имеет вид параболы (рис. 13.46). Но при сильном насы­щении магнитной цепи поток почти перестает увеличиваться с увели­чением тока возбуждения, и момент в дальнейшем возрастает прибли­зительно пропорционально току. Частота вращения двигателя убы­вает почти обратно пропорционально току, пока не сказывается маг­нитное насыщение. Механическая характеристика (естественная) дви­гателя показана на рис. 13.47 (кривая 1). При увеличении нагрузки на валу двигателя ток возрастает относительно медленно и обратно пропорционально ему уменьшается частота вращения.

Например, если пренебречь насыщением магнитной цепи и реак­цией якоря, то можно считать, что при увеличении вдвое момента на валу двигателя ток возрастает лишь до 140 % первоначального значения, а частота вращения уменьшается до 70 %. У двигателя с параллельным возбуждением повышение вдвое момента на валу лишь незначительно уменьшит частоту вращения, зато ток двигателя уве­личится до 200 % первоначального.

Двигатель с последовательным возбуждением может, следовательно, выдерживать сильные перегрузки при умеренном увеличении тока. Это его ценное свойство. При уменьшении нагрузки на валу двигателя его ток медленно уменьшается, зато быстро повышается частота вращения и при нагрузках, примерно меньших 25 % номинальной, она приобретает значения, опасные для механической целостности двига­теля, — двигатель «разносит». Двигатели последовательного возбужде­ния поэтому не следует пускать вхолостую или с малой нагрузкой. Согласно ГОСТ двигатель этот должен выдерживать без всяких вред­ных последствий повышение частоты вращения на 20 % сверх наиболь­шей, указанной на табличке двигателя, но не менее чем на 50 % сверх своей номинальной. Естественная механическая характеристика дви­гателя является мягкой, так как изменение момента сильно сказыва­ется на частоте вращения двигателя.

Для регулирования частоты вращения можно шунтировать обмотку возбуждения регулируемым сопротивлением г_р (рис. 13.48). При шунтировании обмотки возбуждения уменьшается магнитный поток Ф, а следовательно, согласно (13.11) частота вращения п двигателя возрастает обратно пропорционально потоку. Одновременно увели­чивается ток двигателя, так как вращающий момент мы считаем неиз­менным:

М_вр~ФI_я.

Следовательно, если первоначально магнитный поток и ток двига­теля были Ф₁, 1_я1, а после регулирования они будут Ф_я и I_я2, то

На рис. 13.47 кривая 2 — искусственная механическая характе­ристика, т. е. характеристика, когда обмотка возбуждения двигателя шунтирована резистором с постоянным сопротивлением r_р.

Возможно регулирование двигателя путем изменения напряжения на якоре. Но такое регулирование весьма неэкономично, так как требует последовательного соединения с якорем реостата. Этот способ регулирования применяется лишь тогда, когда нужно кратковремен­ное, но значительное снижение частоты вращения.

Высокая перегрузочная способность и мягкая характеристика дви­гателя с последовательным возбуждением особенно ценны для электри­ческой тяги. В СССР электрификация транспорта (трамвай, метропо­литен, электрические железные дороги) осуществлена в основном с применением в качестве тяговых двигателей двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Для их энергоснабжения устраиваются преобразовательные подстанции, выпрямляющие переменный ток. На некоторых электрических железных дорогах преобра­зование переменного тока в постоянный осуществляется на самом электровозе, обычно посредством тиристоров.

Эти двигатели весьма удобны также в качестве крановых двигате­лей там, где имеются источники постоянного тока.