Схеми електродвигунів постійного струму і їх характеристики
1. з незалежним збудженням. обмотка збудження живиться від стороннього джерела постійного струму (збудника або випрямляча).
2. з паралельним збудженням. обмотка збудження підключена паралельно обмотці якоря,
3. з послідовним збудженням. обмотка збудження включена послідовно з обмоткою якоря,
4. зі змішаним збудженням. він має дві обмотки збудження, одна підключена паралельно обмотці якоря, а інша - послідовно з нею.
Всі ці електродвигуни мають однаковий пристрій і відрізняються лише виконанням обмотки збудження. Обмотки збудження зазначених електродвигунів виконують так само, як у відповідних генераторів.
Електродвигун постійного струму з незалежним збудженням
У цьому електродвигуні (рис. 1, а) обмотка якоря підключена до основного джерела постійного струму (мережі постійного струму, генератору або випрямителю) з напругою U, а обмотка збудження - до допоміжного джерела в напругою UB. У ланцюг обмотки збудження включений регулювальний реостат Rрв, а в ланцюг обмотки якоря - пусковий реостат Rn.
Регулювальний реостат служить для регулювання частоти обертання якоря двигуна, а пусковий - для обмеження струму в обмотці якоря при пуску. Характерною особливістю електродвигуна є те, що його струм збудження Iв не залежить від струму I я в обмотці якоря (струму навантаження). Тому, нехтуючи розмагнічуючої дії реакції якоря, можна наближено вважати, що і потік двигуна Ф не залежить від навантаження. Залежно електромагнітного моменту М і частоти обертання n від струму I я будуть лінійними (рис. 2, а). Отже, лінійної буде і механічна характеристика двигуна - залежність п (М) (рис. 2, б).
При відсутності в ланцюзі якоря реостата з опором Rn швидкісна і механічна характеристики будуть жорсткими, т. Е. З малим кутом нахилу до горизонтальної осі, так як падіння напруги Iя # 931; Rя в обмотках машини, включених в ланцюг якоря, при номінальному навантаженні становить лише 3-5% від Uном. Ці характеристики (прямі 1 на рис. 2, а і б) називаються природними. При включенні в ланцюг якоря реостата з опором Rn кут нахилу цих характеристик зростає, внаслідок чого можна отримати сімейство реостатних характеристик 2, 3 і 4, що відповідають різним значенням Rn1, Rn2 і Rn3.
Мал. 1. Принципові схеми електродвигунів постійного струму з незалежним (а) і паралельним (б) порушенням
Мал. 2. Характеристики електродвигунів постійного струму з незалежним і паралельним збудженням. а - швидкісні і моментная, б - механічні, в - робочі Чим більше опір Rn, тим більший кут нахилу має реостатно характеристика, т. е. тим вона м'якша.
Регулювальний реостат Rpв дозволяє змінювати струм збудження двигуна Iв і його магнітний потік Ф. При цьому буде змінюватися і частота обертання n.
У ланцюг обмотки збудження ніяких вимикачів і запобіжників не встановлюють, так як при розриві цьому ланцюзі різко зменшується магнітний потік електродвигуна (в ньому залишається лише потік від залишкового магнетизму) і виникає аварійний режим. Якщо електродвигун працює при холостому ході або невеликому навантаженні на валу, то частота обертання різко зростає (двигун йде в рознос). При цьому сильно збільшується струм в обмотці якоря I я і може виникнути круговий вогонь. Щоб уникнути цього захист повинен відключити електродвигун від джерела живлення.
Різке збільшення частоти обертання при обриві ланцюга обмотки збудження пояснюється тим, що в цьому випадку різко зменшуються магнітний потік Ф (до значення потоку Фост від залишкового магнетизму) і е. д. з. Е і зростає струм I я. А так як прикладена напруга U залишається незмінним, то частота обертання n буде збільшуватися до тих пір, поки е. д. з. Е не досягне значення, приблизно рівного U (що необхідно для рівноважного стану електричного кола якоря, при якому E = U - Iя # 931; Rя.
При навантаженні на валу, близькою до номінальної, електродвигун в разі розриву ланцюга збудження зупиниться, так як електромагнітний момент, який може розвинути двигун при значному зменшенні магнітного потоку, зменшується і стане менше навантажувального моменту на валу. У цьому випадку так само різко збільшується струм I я, і машина повинна бути відключена від джерела живлення.
Слід зазначити, що частота обертання n0 відповідає ідеальному холостому ходу, коли двигун не споживає з мережі електричної енергії та його електромагнітний момент дорівнює нулю. В реальних умовах в режимі холостого ходу двигун споживає з мережі струм холостого ходу I0, необхідний для компенсації внутрішніх втрат потужності, і розвиває деякий момент M0, необхідний для подолання сил тертя в машині. Тому в дійсності частота обертання при холостому ході менше n0.
Залежність частоти обертання n і електромагнітного моменту М від потужності Р2 (рис. 2, в) на валу двигуна, як випливає з розглянутих співвідношень, є лінійної. Залежності струму обмотки якоря I я і потужності Р1 від Р2 також практично лінійні. Струм I я і потужність Р1 при Р2 = 0 є струм холостого ходу I0 і потужність Р0, споживану при холостому ході. Крива к. П. Д. Має характер, загальний для всіх електричних машин.
Електродвигун постійного струму з паралельним збудженням
У цьому електродвигуні (див. Рис. 1, б) обмотки збудження і якоря живляться від одного і того ж джерела електричної енергії з напругою U. У ланцюг обмотки збудження включений регулювальний реостат Rpв, а в ланцюг обмотки якоря - пусковий реостат Rп.
В даному електродвигуні має місце, по суті, роздільне харчування ланцюгів обмоток якоря і збудження, внаслідок чого струм збудження Iв не залежить від струму обмотки якоря Iв. Тому електродвигун з паралельним збудженням матиме такі ж характеристики, як і двигун з незалежним збудженням. Однак двигун з паралельним збудженням працює нормально тільки при харчуванні від джерела постійного струму з постійною напругою.
При харчуванні електродвигуна від джерела із змінним напругою (генератор або керований випрямляч) зменшення напруги живлення U викликає відповідне зменшення струму збудження Iв і магнітного потоку Ф, що призводить до збільшення струму обмотки якоря I я. Це обмежує можливість регулювання частоти обертання якоря шляхом зміни напруги живлення U. Тому електродвигуни, призначені для живлення від генератора або керованого випрямляча, повинні мати незалежне збудження.
Електродвигун постійного струму з послідовним збудженням
Для обмеження струму при пуску в ланцюг обмотки якоря включений пусковий реостат Rп (рис. 3, а), а для регулювання частоти обертання паралельно обмотці збудження може бути включений регулювальний реостат Rрв.
Мал. 3. Принципова схема електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням (а) і залежність його магнітного потоку Ф від струму I я в обмотці якоря (б)
Мал. 4. Характеристики електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням: а - швидкісні і моментная, б - механічні, в - робочі.
Характерною особливістю цього електродвигуна є те, що його струм збудження Iв дорівнює або пропорційний (при включенні реостата Rpв) току обмотки якоря I я, тому магнітний потік Ф залежить від навантаження двигуна (рис. 3, б).
При струмі обмотки якоря I я, меншому (0,8-0,9) номінального струму Iном магнітна система машини не насичена і можна вважати, що магнітний потік Ф змінюється прямо пропорційно току I я. Тому швидкісна характеристика електродвигуна буде м'яка - зі збільшенням струму I я частота обертання n буде різко зменшуватися (рис. 4, а). Зменшення частоти обертання n, відбувається через збільшення падіння напруги Iя # 931; Rя. у внутрішньому опорі Rя. ланцюга обмотки якоря, а також через збільшення магнітного потоку Ф.
Електромагнітний момент М при збільшенні струму I я різко зростатиме, так як в цьому випадку збільшується і магнітний потік Ф, т. Е. Момент М буде пропорційний току I я. Тому при струмі I я, меншому (0,8 Н 0,9) Iном, швидкісна характеристика має форму гіперболи, а моментная - параболи.
При токах Iя> Iном залежності М і п від Iя лінійні, так як в цьому режимі магнітна ланцюг буде насичена і магнітний потік Ф при зміні струму I я мінятися не буде.
Механічна характеристика, т. Е. Залежність n від М (рис. 4, б), може бути побудована на підставі залежностей n і М від Iя. Крім природної характеристики 1, можна шляхом включення в ланцюг обмотки якоря реостата з опором Rп отримати сімейство реостатних характеристик 2, 3 і 4. Ці характеристики відповідають різним значенням Rn1, Rn2 і Rn3, при цьому чим більше Rn, тим нижче розташовується характеристика.
Механічна характеристика розглянутого двигуна м'яка і має гіперболічний характер. При малих навантаженнях магнітний потік Ф сильно зменшується, частота обертання n різко зростає і може перевищити максимально допустиме значення (двигун йде в рознос). Тому такі двигуни не можна застосовувати для приводу механізмів, що працюють в режимі холостого ходу і при невеликому навантаженні (різні верстати, транспортери та ін.).
Зазвичай мінімально допустиме навантаження для двигунів великої і середньої потужності становить (0,2 .... 0,25) Iном. Щоб запобігти можливості роботи двигуна без навантаження, його з'єднують з приводним механізмом жорстко (зубчастої передачею або глухий муфтою), застосування пасової передачі або фрикційної муфти неприпустимо.
Незважаючи на зазначений недолік, двигуни з послідовним збудженням широко застосовують, особливо там, де мають місце зміни моменту навантаження в широких межах і важкі умови пуску: у всіх тягових приводах (електровози, тепловози, електропоїзди, електрокари, електронавантажувачі та ін.), А також в приводах вантажопідйомних механізмів (крани, ліфти та ін.).
Пояснюється це тим, що при м'якій характеристиці збільшення моменту навантаження призводить до меншого зростання струму і споживаної потужності, ніж у двигунів з незалежним і паралельним збудженням, тому двигуни з послідовним збудженням краще переносять перевантаження. Крім того, ці двигуни мають великий пусковий момент, чим двигуни з паралельним і незалежним збудженням, так як при збільшенні струму обмотки якоря при пуску відповідно збільшується і магнітний потік.
Якщо прийняти, наприклад, що короткочасний пусковий струм може в 2 рази перевищувати номінальний робочий струм машини, і знехтувати впливом насичення, реакцією якоря і падінням напруги в ланцюзі його обмотки, то в двигуні з послідовним збудженням пусковий момент буде в 4 рази більше номінального (у 2 рази збільшуються і струм, і магнітний потік), а в двигунах з незалежним і паралельним збудженням - тільки в 2 рази більше.
Насправді через насичення магнітного кола магнітний потік не збільшується пропорційно току, але все ж пусковий момент двигуна з послідовним збудженням при інших рівних умовах буде значно більше пускового моменту такого ж двигуна з незалежним або паралельним збудженням.
Залежності n і М від потужності Р2 на валу електродвигуна (рис. 4, в), як випливає з розглянутих вище положень, є нелінійними, залежно P1, I я і # 951; від Р2 мають таку ж форму, як і у двигунів з паралельним збудженням.
Електродвигун постійного струму зі змішаним збудженням
У цьому електродвигуні (рис. 5, а) магнітний потік Ф створюється в результаті спільної дії двох обмоток збудження - паралельної (або незалежної) і послідовної, за якими проходять струми збудження Iв1 і Iв2 = Iя
де Фпосл - магнітний потік послідовної обмотки, що залежить від струму I я, Фпар - магнітний потік паралельної обмотки, який не залежить від навантаження (визначається струмом збудження Iв1).
Механічна характеристика електродвигуна зі змішаним збудженням (рис. 5, б) розташовується між характеристиками двигунів з паралельним (пряма 1) і послідовним (крива 2) збудженням. Залежно від співвідношення магніторушійних сил паралельної і послідовної обмоток при номінальному режимі можна наблизити характеристики двигуна зі змішаним збудженням до характеристики 1 (крива 3 при малій м. Д. С. Послідовної обмотки) або до характеристики 2 (крива 4 при малій м. Д. с. паралельної обмотки).
Мал. 5. Принципова схема електродвигуна зі змішаним збудженням (а) і його механічні характеристики (б)
Перевагою двигуна постійного струму зі змішаним збудженням є те, що він, володіючи м'якою механічною характеристикою, може працювати при холостому ході, коли Фпосл = 0. В цьому режимі частота обертання його якоря визначається магнітним потоком Фпар і має обмежене значення (двигун не йде в рознос).