Двигательный режим машин постоянного тока

МПТ в двигательном режиме преобразует ЭЭ источника постоянного напряжения в механическую энергию. Формальными признаками двигательного режима является совпадение направлений действия момента электромагнитных сил М и вращения якоря, а также различные направления ЭДС е и протекающего по нему тока i. Уравнение контура якоря двигателя получается из (8.8) изменением знака тока г:

Механическая характеристика двигателя постоянного тока (ДПТ) описывает основную для этого типа электрических машин зависимость угловой скорости якоря двигателя от момента электромагнитных сил в установившихся режимах.

Исключение переменных ей i в системе уравнений (8.6), (8.7) и (8.9) приводит к уравнению механической характеристики ДПТ

Работа ДПТ описывается также зависимостями подводимой от источника мощности = u(i + i_B). КПД г = Р_[/Р,, тока якоря вращающего момента М, частоты вращения п и других от механической мощности на валу (мощность на выходе) Р₂ = DM .

На рис. 8.12 показан характер этих зависимостей для двигателя с параллельным возбуждением. Максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) ДПТ находится в пределах 0,7- 0,9. Меньшие значения КПД относятся к двигателям малой мощности (единицы киловатт и менее).

Рис. 8.12. Рабочие характеристики ДПТ тока с параллельным возбуждением

Для пуска ДПТ и управления их угловой скоростью используются дополнительные сопротивления в цепи якоря г и обмотки возбуждения г_р. С этой же целью может использоваться питание цепей якоря и обмотки возбуждения от независимых источников регулируемого напряжения и или и_в (рис. 8.13).

Двигатель со схемой параллельного возбуждения (частный вариант схемы на рис. 8.13 при и_в=и и г_вс= 0) имеет механическую характеристику Q = /(м), описываемую линейным уравнением

которое при принятых допущениях следует из (8.10) с учетом того, что Ф = ю_в =ки/(г_вш + г_р). Постоянные D и С, определяются параметрами машины и напряжением питания.

Рис. 8.13. Схема ДПТ со смешанным возбуждением с пусковым г и регулирующим г_р сопротивлениями и независимым источником питания и _в обмотки параллельного

возбуждения

Естественная механическая характеристика двигателя в отсутствии дополнительных регулировочных сопротивлений (г = 0, г_р = 0) оказывается жесткой (рис. 8.14, кривая 1). Малый наклон характеристики определяется малым значением коэффициента С, благодаря малости сопротивления цепи якоря ( г я + ^гя ~ °>⁰² - 0,005«_нш, П_ном).

Введение дополнительного сопротивления г в цепь якоря позволяет снизить угловую скорость Q присоединенного механизма, в результате увеличивается наклон характеристики (увеличиается коэффициент С,) (рис. 8.14, кривая 2). Использование этого способа связано с существенной потерей энергии Р, рассеиваемой в сопротивлении г при протекании тока i: P_r = ri².

Энергетически более выгодным является управление сопротивлением в цепи возбуждения г_р (рис. 8.14, кривая 4). Чрезмерное увеличение г_р и в особенности разрыв цепи возбуждения г_р —> оо опасны, так как это приводит к недопустимому увеличению угловой скорости Q («разносу» электродвигателя) и тока якоря i.

Экономичное и плавное управление режимами работы ДПТ в широком диапазоне угловых скоростей достигается изменением напряжений источников питания цепи якоря и (рис. 8.14, кривая 3) и цепи возбуждения и_в. Эти способы в настоящее время реализуются с помощью полупроводниковых преобразователей на базе тиристоров и транзисторов.

Рис. 8.14. Механические характеристики двигателей с параллельным возбуждением: 1 — естественная; 2 — при введении дополнительных сопротивлений в цепь якоря; 3 — при снижении напряжения в цепи якоря; 4 — при введении дополнительных сопротивлений в цепь обмотки возбуждения

Управление с помощью дополнительного сопротивления г - var или переменного напряжения и - var в цепи якоря необходимо в режимах пуска двигателей. Первоначально значения угловой скорости Г2 и, следовательно, ЭДС вращения е малы.

Прямое включение якоря ДПТ на номинальное напряжение и_ном при Q = О и, следовательно, при е = 0 («прямой пуск») вызывает быстрое нарастание пускового тока якоря i_n до значений (20-30) i_HOM. Такие кратности пусковых токов i_n следуют из (8.9) при е = 0:

с учетом того, что у машин постоянного тока

Большой пусковой ток /„ опасен тем, что вызывает обгорание коллектора и механические повреждения машины, возникающие под воздействием сопутствующих электродинамических сил. Для ограничения пускового тока якоря допустимыми значениями (обычно порядка i_HOM) необходимо либо увеличить общее сопротивление цепи якоря за счет добавочного пускового (или регулировочного) сопротивления г, либо уменьшить напряжение питания и.

У ДПТ со схемой последовательного возбуждения (частный случай схемы на рис. 8.13 при отсутствии г_вш или Ф, =0) механическая характеристика описывается уравнением

поскольку при последовательном (сериесном) возбуждении Ф, = k₃i и, следовательно, М = СФх = ск~_'Ф² или Ф = к²4м .

Рис. 8.15. Механические характеристики ДПТ с последовательным возбуждением:

• 1 — естественная (при г = 0); 2 — с дополнительным сопротивлением в цепи якоря
• (г >0)

Механическая характеристика ДПТ последовательного возбуждения (рис. 8.15) показывает существенную зависимость его угловой скорости от вращающего момента. Работа такого двигателя без нагрузки (тормозного момента) недопустима, так как приводит к чрезмерному увеличению угловой скорости

(теоретически до бесконечности). Наибольшие моменты двигатель развивает при малых угловых скоростях. Введение в цепь якоря сопротивления г увеличивает крутизну этой характеристики и обеспечивает возможность работы электродвигателя в тормозном режиме (М>0, Q< 0).

Последний обусловлен переходом машины в режим генератора, в котором происходит преобразование кинетической энергии ротора и вращаемого механизма в электрическую энергию. Возможна ее отдача с малыми потерями источнику питания (рекуперация энергии) или в балластные сопротивления, включаемые в цепь якоря (тепловая потеря энергии).

Вопросы и задания для самопроверки

• 1. Какие устройства называются МПТ?
• 2. Назовите основные конструктивные элементы МПТ.
• 3. Объясните принцип действия ГПТ.
• 4. Объясните назначение коллектора в МПТ.
• 5. Какова роль щеток в электрических МПТ?
• 6. Напишите выражение для ЭДС якоря ГПТ.
• 7. Напишите выражение для электромагнитного момента ДПТ.
• 8. Что такое реакция якоря?
• 9. Назовите виды МПТ.
• 10. Объясните внешние характеристики ГПТ различных типов.
• 11. В чем заключается принцип обратимости?
• 12. Объясните механические характеристики ДПТ независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
• 13. Назовите основные виды потерь в ДПТ.
• 14. Каким образом можно регулировать частоту вращения в ДПТ?
• 15. Какие условия необходимы для того, чтобы произошло самовозбуждение ГПТ с параллельным возбуждением?
• 16. Каково основное назначение коллектора в МПТ?
• 17. Изобразите регулировочную характеристику ГПТ независимого возбуждения.

Темы для рефератов

• 1. Области применения ДПТ.
• 2. Области применения ГПТ. Их преимущества и недостатки.
• 3. Виды потерь в ДПТ и пути их снижения.