Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока долгое время применялись прак­тически во всех регулируемых приводах. Однако, начиная с 60-х годов. XX в. в связи с созданием управляемых полупровод­никовых вентилей-тиристоров, а с 1980-х годов. и полностью управляемых силовых транзисторов на ведущие позиции выходит электропривод переменного тока с асинхронными и вен­тильными двигателями.

В стране в силу сложившихся традиций и других причин на данный момент существует ряд сфер экономики, где приводы с двигателями постоянного тока занимают доминирующее по­ложение.

Прежде всего, это тяговый привод для электрифициро­ванного транспорта, начиная от электропогрузчиков, полу­чающих питание от аккумуляторной батареи, и заканчивая магистральными электровозами, питающимися от контакт­ной сети постоянного тока напряжением 3000 В или одно­фазного переменного тока 25 000 В. В последнем случае двигатели запитываются через понижающий трансформатор и выпрямитель.

Промышленность выпускает тяговые двигатели для при­вода: трамваев мощностью 50 кВт при напряжении 275 В; ва­гонов метрополитена мощностью 110 кВт при напряжении 375 В; пригородных электропоездов мощностью 250 кВт при напряжении 750 В; магистральных электровозов мощностью до 1000 кВт при постоянном напряжении 1500 В и выпрям­ленном 800 В.

Для привода прокатных станов, где большие (до четы­рехкратных) кратковременные перегрузки по току, частые реверсы, также используются одноякорные двигатели посто­янного тока мощностью до 14 000 кВт и двухъякорные мощ­ностью 25 000 кВт при частоте вращения до 100 об/мин.

Двигатели серии 411 мощностью от 132 до 1000 кВт при­меняются в приводах, где требуется регулирование частоты вращения в широких пределах. Напряжение от 440 до 930 В, частота вращения от 350 до 2000 об/мин. Возбуждение – не­зависимое, вентиляция – принудительная.

Можно также отметить двигатели типов 4ПП, 4ПС, 41IM для буровых установок мощностью от 750 до 1000 кВт, напря­жением 800 В при частотах вращения 1000 + 1500 об/мин.

Для шагающих экскаваторов выпускаются двигатели для привода механизмов поворота, тяги и шагания типов МПЭ, ГПЭ мощностью от 90 до 1250 кВт.

Если сравнивать машины постоянного тока с машинами переменного тока, то у первых обычно отмечают их высокие перегрузочную способность и регулировочные свойства. В то же время они более дорогие – примерно в 2 раза дороже асин­хронных такой же мощности, у них выше материалоемкость, габариты, эксплуатационные расходы.

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 2.1.

Будем полагать, что якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U *, сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Рис. 2.1. Схема электропривода с двигателем постоянного тока

Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера и возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:

М = kФI (2.1)

где k – конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:

E = kФw, (2.2)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине – ЭДС источника питания U.

В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение

U-E = IR. (2.3)

Уравнения (3.1)–(3.3) – простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь , входящим в М_с,

и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Разумеется, в условиях каждой задачи должно быть строго оговорено, что задано и известно, а что нужно искать.

Рассмотрим подробнее роль, которую играет ЭДС Е в процессе преобразования энергии, осуществляемом электрической машиной. Если существовал некоторый установившийся режим М₁ = М_с1, а затем М_с изменился, например, возрос до величины М_с2, то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы М, приведя его в соответствие с новым значением М_с. В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине – специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС. Действительно, при возрастании М_с скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится в соответствии с (3.2) и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R – постоянные). Из (3.3) следует, что

,

следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (3.1). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий, перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках М_с, т. е. ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.