Електрически вериги с постоянен ток и техните характеристики

Имоти DC двигатели се определят главно от начина на включване на намотката за възбуждане. В зависимост от това се разграничават електродвигатели:

1. независимо възбудени: намотката за възбуждане се захранва от външен източник на постоянен ток (възбудител или токоизправител),

2. паралелно възбуждане: намотката на полето е свързана паралелно с намотката на котвата,

3. последователна възбуда: намотката за възбуждане е свързана последователно с намотката на котвата,

4. със смесено вълнение: има две полеви намотки, едната свързана паралелно с намотката на котвата, а другата последователно с нея.

Всички тези електродвигатели имат едно и също устройство и се различават само по конструкцията на намотката за възбуждане. Възбуждащите намотки на тези електродвигатели се изпълняват по същия начин, както в съответните генератори.

Електрически мотор постоянен ток независимо възбудени

В този електродвигател (фиг. 1, а) намотката на котвата е свързана към основния източник на постоянен ток (мрежа с постоянен ток, генератор или токоизправител) с напрежение U, а намотката за възбуждане е свързана към спомагателен източник с напрежение UB. Регулаторен реостат Rрв е включен във веригата на възбуждащата намотка, а стартов реостат Rn е включен във веригата на намотката на котвата.

Регулиращият реостат се използва за регулиране на скоростта на котвата на двигателя, а стартовият реостат се използва за ограничаване на тока в намотката на котвата при стартиране. Характерна особеност на електродвигателя е, че неговият ток на възбуждане Iv не зависи от тока Ii в намотката на котвата (ток на натоварване). Следователно, пренебрегвайки размагнителния ефект на реакцията на котвата, можем приблизително да приемем, че потокът на двигателя Ф не зависи от натоварването. Зависимостите на електромагнитния момент M и скоростта n от тока Iя ще бъдат линейни (фиг. 2, а). Следователно механичните характеристики на двигателя също ще бъдат линейни — зависимостта n (M) (фиг. 2, б).

При липса на реостат със съпротивление Rn във веригата на котвата, скоростта и механичните характеристики ще бъдат твърди, тоест с малък ъгъл на наклон към хоризонталната ос, тъй като спадът на напрежението IяΣRя в намотките на машината, включени в котвата верига при номинално натоварване е само 3-5 % от Unom. Тези характеристики (прави линии 1 на фиг. 2, а и б) се наричат ​​естествени. Когато реостат с съпротивление Rn е включен във веригата на котвата, ъгълът на наклон на тези характеристики се увеличава, в резултат на което може да се получи семейство от характеристики на реостата 2, 3 и 4, съответстващи на различни стойности на Rn1 , Rn2 и Rn3.

Ориз. 1. Схематични схеми на електродвигатели постоянен ток с независимо (а) и паралелно (б) възбуждане

Ориз. 2. Характеристики на електродвигателите постоянен ток с независимо и паралелно възбуждане: a — скорост и въртящ момент, b — механичен, c — работен Колкото по -голямо е съпротивлението Rn, толкова по -голям е ъгълът на наклона на характеристиката на реостата, тоест той е по -мек.

Регулиращият реостат Rpv ви позволява да промените тока на възбуждане на двигателя Iv и неговия магнитен поток F. В този случай честотата на въртене n също ще се промени.

В веригата на намотката за възбуждане не са инсталирани ключове и предпазители, тъй като при прекъсване на тази верига магнитният поток на електродвигателя рязко намалява (в него остава само потокът от остатъчния магнетизъм) и възниква авариен режим.Ако електродвигателят работи на празен ход или леко натоварване на вала, тогава скоростта рязко се увеличава (двигателят се движи). В този случай токът в намотката на котвата Iya се увеличава значително и може да възникне всестранен пожар. За да се избегне това, защитата трябва да изключи електродвигателя от източника на захранване.

Рязкото увеличаване на скоростта на въртене при прекъсване на веригата на намотката на възбуждане се обяснява с факта, че в този случай магнитният поток Ф (до стойността на потока на Фост от остатъчния магнетизъм) и e. и т.н. с. E и текущата Iya се увеличава. И тъй като приложеното напрежение U остава непроменено, честотата на въртене n ще се увеличи до e. и т.н. с. E няма да достигне стойност, приблизително равна на U (което е необходимо за равновесното състояние на електрическата верига на котвата, при което E = U — IяΣRя.

Когато натоварването на вала е близо до номиналното, електродвигателят ще спре в случай на прекъсване на веригата за възбуждане, тъй като електромагнитният момент, който двигателят може да развие при значително намаляване на магнитния поток, намалява и става по -малък от въртящия момент на товара на вала. В този случай токът Iya също се увеличава рязко и машината трябва да бъде изключена от източника на захранване.

Трябва да се отбележи, че скоростта на въртене n0 съответства на идеална скорост на празен ход, когато двигателят не консумира електрическа енергия от мрежата и електромагнитният му момент е нулев. В реални условия, в режим на празен ход, двигателят консумира от мрежата тока на празен ход I0, който е необходим за компенсиране на вътрешните загуби на мощност, и развива определен въртящ момент M0, необходим за преодоляване на силите на триене в машината. Следователно в действителност скоростта на празен ход е по -малка от n0.

Зависимостта на скоростта на въртене n и електромагнитния момент M от мощността P2 (фиг. 2, в) от вала на двигателя, както следва от разглежданите отношения, е линейна. Зависимостите на тока на намотката на котвата Iya и мощността P1 от P2 също са практически линейни. Токът I и мощността P1 при P2 = 0 представляват тока на празен ход I0 и мощността P0, консумирана при празен ход. Кривата на ефективност е характерна за всички електрически машини.

Електрически мотор постоянен ток паралелно възбуждане

В този електродвигател (виж фиг. 1, б) възбуждащите намотки и арматурите се захранват от един и същ източник на електрическа енергия с напрежение U. Регулаторен реостат Rpv е включен във веригата на намотката на възбуждане и е включен стартов реостат Rp във веригата на намотката на котвата.

В разглеждания електродвигател по същество има отделно захранване на веригите на котвата и възбуждащата намотка, в резултат на което токът на възбуждане Iv не зависи от тока на намотката на котвата Iv. Следователно паралелният двигател за възбуждане ще има същите характеристики като независимия двигател за възбуждане. Паралелният двигател за възбуждане обаче ще работи нормално само когато се захранва от източник на постоянен ток с постоянно напрежение.

Когато електродвигателят се захранва от източник с различно напрежение (генератор или управляван токоизправител), намаляването на захранващото напрежение U причинява съответно намаляване на възбуждащия ток Iв и магнитния поток Ф, което води до увеличаване на намотката на котвата текущ Ия. Това ограничава възможността за регулиране на скоростта на котвата чрез промяна на захранващото напрежение U. Следователно електрическите двигатели, предназначени за захранване от генератор или управляван токоизправител, трябва да имат независимо възбуждане.

Електрически мотор постоянен ток последователна възбуда

За да се ограничи токът при стартиране, пусковият реостат Rp (фиг. 3, а) е включен във веригата на намотката на котвата (фиг. 3, а) и за регулиране на скоростта на въртене паралелно с намотката за възбуждане, като се регулира реостат Rpv може да бъде включен.

Ориз. 3. Принципна схема на електродвигателя постоянен ток с последователно възбуждане (а) и зависимостта на магнитния му поток Ф от тока Iя в намотката на котвата (б)

Ориз. 4. Характеристики на електродвигателя постоянен ток с последователно възбуждане: a — висока скорост и въртящ момент, b — механично, c — работници.

Характерна особеност на този електродвигател е, че неговият ток на възбуждане Iv е равен или пропорционален (когато реостатът Rpv е включен) на тока на намотката на котвата Iya, следователно магнитният поток Ф зависи от натоварването на двигателя (фиг. 3, б) .

Когато токът на намотката на котвата Iya е по-малък от (0.8-0.9) от номиналния ток Inom, магнитната система на машината не е наситена и може да се приеме, че магнитният поток Ф се променя право пропорционално на тока Iя. Следователно характеристиката на скоростта на електродвигателя ще бъде мека — с увеличаване на тока I скоростта на въртене n ще намалее рязко (фиг. 4, а). Намаляване на скоростта на въртене n се дължи на увеличаване на спада на напрежението IяΣRя. във вътрешното съпротивление Rя. вериги за намотка на котва, както и поради увеличаване на магнитния поток F.

Електромагнитният момент M с увеличаване на тока Iя рязко ще се увеличи, тъй като в този случай магнитният поток Ф също се увеличава, тоест моментът M ще бъде пропорционален на тока Iя. Следователно, когато токът Iya е по-малък (0.8 N-0.9) Inom, характеристиката на скоростта има формата на хипербола, а характеристиката на момента има формата на парабола.

При токове Iа> Iа, зависимостите на M и n от Iа са линейни, тъй като в този режим магнитната верига ще бъде наситена и магнитният поток Ф няма да се промени при промяна на тока Iа.

Механичната характеристика, тоест зависимостта на n от M (фиг. 4, b), може да бъде конструирана въз основа на зависимостите на n и M от Iya. В допълнение към естествената характеристика 1, е възможно да се получи семейство от характеристики на реостата 2, 3 и 4. чрез включване на реостат с съпротивление Rp във веригата на намотката на котвата. Тези характеристики съответстват на различни стойности на Rn1, Rn2 и Rn3 , докато колкото повече Rn, толкова по -ниска е характеристиката.

Механичната характеристика на разглеждания двигател е мека и хиперболична. При ниски натоварвания магнитният поток Ф намалява значително, скоростта на въртене n нараства рязко и може да надхвърли максимално допустимата стойност (двигателят работи див). Следователно такива двигатели не могат да се използват за задвижване на механизми, работещи в режим на празен ход и при ниско натоварване (различни машини, конвейери и др.).

Обикновено минимално допустимото натоварване за двигатели с висока и средна мощност е (0,2… 0,25) Inom. За да се предотврати възможността двигателят да работи без товар, той е здраво свързан със задвижващия механизъм (зъбен или слеп съединител); използването на ремъчно задвижване или фрикционен съединител е неприемливо.

Въпреки този недостатък, двигателите с последователно възбуждане са широко използвани, особено когато има големи разлики в въртящия момент на товара и тежките условия на стартиране: във всички тягови задвижвания (електрически локомотиви, дизелови локомотиви, електрически влакове, електрически автомобили, електрически мотокари и др.) , както и в задвижвания на повдигащи механизми (кранове, асансьори и др.).

Това се обяснява с факта, че с мека характеристика, увеличаването на въртящия момент на натоварване води до по -ниско увеличение на тока и консумацията на енергия, отколкото при двигатели с независимо и паралелно възбуждане, поради което двигателите със серийно възбуждане могат да издържат по -добре на претоварване. В допълнение, тези двигатели имат по-висок стартов въртящ момент от двигателите с паралелно и независимо възбуждане, тъй като с увеличаване на тока на намотката на котвата при стартиране, магнитният поток също се увеличава съответно.

Ако приемем например, че краткосрочният пусков ток може да бъде 2 пъти по-висок от номиналния работен ток на машината и пренебрегваме влиянието на насищане, реакция на котвата и спад на напрежението в намотката му, тогава в двигател с серийно възбуждане, началният въртящ момент ще бъде 4 пъти по -висок от номиналния (както в тока, така и в магнитния поток се увеличава 2 пъти), а в двигатели с независимо и паралелно възбуждане — само 2 пъти повече.

Всъщност, поради наситеността на магнитната верига, магнитният поток не се увеличава пропорционално на тока, но въпреки това, началният въртящ момент на мотор със серийно възбуждане, при равни други условия, ще бъде много по -голям от началния въртящ момент на същия двигател с независимо или паралелно възбуждане.

Зависимостите на n и M от мощността P2 на вала на двигателя (фиг. 4, c), както следва от позициите, разгледани по -горе, са нелинейни, зависимостите на P1, Iя и η от P2 имат същата форма като при двигателите с паралелно възбуждане.

Електрически мотор постоянен ток със смесено вълнение

В този електродвигател (фиг. 5, а) магнитният поток Ф се създава в резултат на съвместното действие на две възбуждащи намотки — паралелни (или независими) и последователни, през които възбуждащите токове Iв1 и Iв2 = Iя

Ето защо

където Фпосл — магнитният поток на серийната намотка, в зависимост от тока Iя, Фпар — магнитният поток на паралелната намотка, който не зависи от товара (определя се от тока на възбуждане Iв1).

Механичната характеристика на електродвигател със смесено възбуждане (фиг. 5, б) се намира между характеристиките на двигатели с паралелно (права линия 1) и последователно (крива 2) възбуждане. В зависимост от съотношението на магнитодвигателните сили на паралелни и последователни намотки при номиналния режим, характеристиките на двигателя със смесено възбуждане могат да бъдат приближени до характеристика 1 (крива 3 при ниски ppm на серийната намотка) или до характеристика 2 (крива 4 при ниски ppm. с. паралелна намотка).

Ориз. 5. Схематична диаграма на електродвигател със смесено възбуждане (а) и неговите механични характеристики (б)

Предимството на двигателя постоянен ток със смесено възбуждане е, че той, имащ мека механична характеристика, може да работи на празен ход, когато Fposl = 0. В този режим честотата на въртене на арматурата му се определя от магнитния поток Fpar и има ограничена стойност (двигателят не работи).