Как определить электромагнитную мощность двигателя постоянного тока

1.2 Примеры решения задач по машинам постоянного тока

ря N = 180 шт., магнитный поток Ф = 0,07 Вб, частота вращения n = 1500 мин -1 . Обмотка якоря простая петлевая, ширина щетки равна ширине коллекторной пластины < ответ с точностью до двух знаков после запятой >. Решение Электромагнитная мощность двигателя (кВт): Р эм = 9550 М n . Электромагнитный момент машины постоянного тока (Н м); М = C м Ф I я . Постоянная машины при расчете момента.

C м =	pN
	2 π a

Ширина щетки равна ширине коллекторной пластины, обмотка простая петлевая, поэтому количество пар параллельных ветвей равно количеству пар полюсов: а = р , — тогда C м = 2 N π . С учетом вышеизложенного Р эм = N Ф I я n = 180 × 0 , 07 × 10 × 1500 = 3 , 1498кВт 2 π 9550 2 × 3 , 1416 × 9550 Ответ: Р эм = 3,15 кВт.

1.2.2 Задача 2

Четырехполюсная машина постоянного тока независимого возбуждения имеет следующие параметры: диаметр якоря D = 0,2 м, длина якоря l = 0,4 м, число проводников обмотки якоря N = 540, индукция в воздуш- 10

ном зазоре B = 0,4 Тл, обмотка якоря простая петлевая, ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. Частота вращения машины, работающей в режиме генератора, n = 1000 мин -1 , напряжение на нагрузке U г = 220 В. Определить частоту вращения при работе этой же машины в режиме двигателя, если токи возбуждения и якоря остались неизменными, двигатель питается от сети U д = 220 В. В расчете индукцию в воздушном зазоре считать постоянной по всей длине зазора, падением напряжения нащетках пренебречь< ответсточностьюдоцелогочисла >. Решение Частотавращения двигателя (падением напряжениянащетках пренебречь) n д = U д С − е Ф I я r я . Сопротивление обмотки якоря определится из формулы равновесия ЭДС генератора: U г = Е − I я r я = С е Ф n − I я r я r я = С е Ф I n я − U г . Подставляем полученное выражение расчета сопротивления обмотки якоря в формулу частоты вращения двигателя:

U д − I я		С е Ф n − U г	U д − С е Ф n + U г
		n		I я
=	=				.
			д			С е Ф		С е Ф

Постоянная машины при определении ЭДС C e = 60 Np a Количество пар полюсов — р =2 (из условия) Ширина щетки равна ширине коллекторной пластины, обмотка 11

простая петлевая, поэтому количество пар параллельных ветвей равно количеству пар полюсов: а = р , — тогда C e = N = 540 = 9 60 60 Так как принято допущение, что индукция в воздушном зазоре постоянная по всей длине зазора, магнитный поток можно рассчитать по формуле:

Ф = Bl τ= Bl	3 , 1416 D	= 0 , 4 × 0 , 4	3 , 1416 × 0 , 2	= 0 , 02513 Вб.
	2 p		22

Частота вращения двигателя n д = 220 − 9 × 0 , 02513 × 1000 + 220 = 945 , 2 мин -1 9 × 0 , 02513 Ответ: n д = 945 мин -1 .

1.2.3 Задача 3

Двигатель постоянного тока подключен к сети напряжением U = 440 В. Требуется рассчитать его магнитный поток (Вб), если его мощность на валу Р 2 = 10 кВт, сопротивление обмотки якоря r я = 0,07 Ом, число проводников обмотки якоря N = 240, частота вращения n = 1000 мин -1 . Реакцией якоря и падением напряжения на щетках пренебречь, обмотка якоря простая петлевая, одноходовая < ответ с точностью до трех знаков после запятой >.

Решение	Р 2
Из уравнений: М = C м Ф I я и М = 9550		определим ток якоря
	n
12

C м Ф I я = 9550	Р 2	I я =	9550 Р 2 .
	n
C м Ф n

Полученное выражение подставим в формулу: n = U − I я r я . С е Ф Получим n 2 = U C м Ф n − 9550 Р 2 r я . С е C м Ф 2 Сделав алгебраические преобразования, получим квадратное уравнение: С е C м Ф 2 n 2 − U C м Ф n + 9550 Р 2 r я = 0 . Дляпростойпетлевой, одноходовойобмоткиякоря а = р , поэтому

C	e	=	N	=	240	= 4 ;	C	= 9 , 55 C .
			60		60				м	e

Подставляем числовые значения в систему уравнений 9,55 × 4 2 × 1000 2 Ф 2 − 440 × 9 , 55 × 4 × 1000 × Ф + 9550 × 10 × 0,07 = 0 Дискриминант системы D = 278423 × 10 9 Корни уравнения: Ф 1 = 0; Ф 2 = 0,1096 Вб. Ответ: Ф = 0,110 Вб. 13

ЭЛ.ТЕХ И ЭЛЕКТРОНИКА / Лабораторные работы / Лаб № 10 ДПТ с пар.воз

Лабораторно-практическое занятие № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1. Цель и задачи занятия Цель : изучение конструкции, принципа действия двигателей постоянного тока. Построение механической и рабочих характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Задачи : в результате выполнения работы студенты долж- ны: — знать принцип работы, паспортные и технические характеристики, конструктивные особенности двигателей постоянного тока; — уметь составлять и читать электротехнические схемы, проверять техническое состояние электротехнического оборудования, а также производить измерения электрических величин; — иметь навыки включения двигателей постоянного тока, управления ими и контроля их эффективной и безопасной работы. 2. Краткие теоретические сведения 2.1. Конструкция и принцип действия машин постоянного тока Двигатели постоянного тока (ДПТ), несмотря на некоторые недостатки, обусловленные наличием коллектора и щеток, применяются достаточно широко. Это связано с тем, что они позволяют плавно и в широком диапазоне регулировать скорость вращения, имеют сравнительно малые габариты и вес и высокий коэффициент полезного действия.

Устройство ДПТ представлено на рис. 10.1

1 –	корпус; 2 – главный полюс; 3 – обмотка возбуждения; 4 – якорь;
5 – коллектор; 6 – вал; 7 – щеткодержатели со щетками;
8 –	передний подшипниковый щит; 9 – задний подшипниковый щит;
10 – вентилятор; 11 – лапы; 12 – подшипник
Рис.10.1

На рис. 10.2 изображена упрощенная модель ДПТ.

Ш1 (С1)
1	2	4 3	5
N	6
7
Я1
Я2
S	8
3	9
4	2
Ш2 (С2)
Рис. 10.2

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося якоря. Статор – это стальной цилиндр 1 , внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3 , образуя вместе с корпусом магнитопровод машины (рис. 10.2). Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря. На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения (ОВ) 4 , предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Ф в машины. Концы обмотки возбуждения выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины. Для ДПТ с последовательным возбуждением — С1, С2, для ДПТ с параллельным возбуждением – Ш1, Ш2. Якорь (подвижная часть машины) – это цилиндр 5 , набранный из листов электротехнической стали, на внешней поверхности которого имеются пазы и в них уложена якорная обмотка 9 . Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6 , расположенного на вращающемся в подшипниках валу 7 . Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по технологии «ласточкина хвоста») на стальной втулке. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные щётки 8 , соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающуюся ОЯ с внешней электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим). С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. Обмотка возбуждения выполняется последовательно или параллельно якорной цепи или подключается к первичному источнику питания. Принцип действия двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока в проводниках обмотки якоря I я с магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения.

ЭДС обмотки якоря возникает при его вращении и определяется выражением

Е я = С ΩФ = С Е n Ф,	(10.1)
где W –	угловая частота вращения, рад/с;
Ф –	магнитный поток одного полюса, Вб;

С E – конструктивная электрическая постоянная машины; С = pN / 2π a — конструктивная постоянная машины;

р –	число пар полюсов машины;
N –	число активных проводников обмотки якоря;
a –	число пар параллельных ветвей обмотки якоря.
Электромагнитный вращающий момент, который приводит
якорь двигателя во вращение, определяется выражением
M = CI я Ф [ Н × м ] .	(10.2)

Этот момент уравновешивает тормозной момент, приложенный к валу двигателя. На рис. 10.3 приведены схемы двигателей постоянного тока последовательного ( а ) и параллельного ( б ) возбуждений. U

+	U	—
C 1		I	I в
Ш1
	ОВ	I в = I я
Ш2
	C 2
E я		Е я	I я
	ОЯ

Я 1 Я 2 I я

Рис. 10.3 Напряжение U , подведенное к цепи якоря двигателя, уравновешивается противо-ЭДС Е я и падением напряжения на сопротивлении цепи якоря R я . Сопротивление цепи якоря включает в себя сопротив-

ление обмотки якоря R оя и сопротивление обмотки возбуждения R ов для двигателя последовательного возбуждения

U = E я + R я I я .

(10.3)

Для ДПТ с параллельным возбуждением I = I я + I в , а для ДПТ с последовательным возбуждением I = I я = I в . Подставив в уравнение (10.3) выражение для противо-ЭДС можно получить выражение для угловой частоты вращения (электро-

механическая характеристика)
n =	U − R я I я	.	(10.4)
	C E Ф

Из уравнения (10.4) видно, что регулировать частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно тремя способами: — изменением подводимого напряжения; — изменением сопротивления цепи якоря; — изменением магнитного потока. 2.2. Механическая характеристика двигателя постоянного тока На основании (10.2) и (10.4) можно определить выражение для механической характеристики двигателя постоянного тока n = f(M) , которая является основной характеристикой двигателя

n =	U	−	R Я	М ,	(10.5)
	C Е Φ		C Е С Φ 2

где n – частоты вращения, об/мин; С Е = π С – постоянная величина. 30 На рис. 10.4 приведены механические характеристики ДПТ с параллельным возбуждением – 1, ДПТ с последовательным возбуждением – 2.

n 0 2 M Рис. 10.4

Недопустима работа и пуск ДПТ с последовательным возбуждением с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при этом магнитный поток Ф слишком мал и скорость вращения достигает чрезмерно больших значений, что ведет к «разносу» двигателя. Исключение составляют двигатели малых мощностей (до 100 Вт), которые могут работать в режиме холостого хода. Это объясняется тем, что механические потери этих двигателей при больших скоростях вращения соизмеримы с их номинальной мощностью.

При небольших нагрузках I я < I ном ,		когда магнитная	цепь ма-
шины ненасыщенна, поток Ф пропорционален току якоря			I я , элек-
тромагнитный момент пропорционален		квадрату тока якоря
M = К I я	2 . С увеличением нагрузки магнитная цепь машины насы-

щается и пропорциональность между потоком Ф и током I я нарушается. 2.3. Рабочие характеристики ДПТ Рабочими характеристиками двигателя называют зависимость частоты вращения n , полезного момента M 2 , тока якоря I я , потреб-

ляемой мощности P и КПД от полезной мощности P при U = const .
1	2
Зависимость n = f ( I в ) при U = const и M = const	называют регули-

ровочной характеристикой. 2.4. Пуск двигателя В момент включения в сеть якорь неподвижен и противо-ЭДС равна нулю ( Е я = 0). Поэтому в соответствии с формулой (10.3) величина начального пускового тока определяется сопротивлением R я , которое обычно невелико. Пусковой ток может многократно превышать номинальный ток двигателя. Такое большое увеличение тока в цепи якоря недопустимо, так как оно может вызвать механический ² удар ² вследствие большого пускового момента, «круговой огонь» на коллекторе и резкое падение напряжения в питающей сети (в случае, если мощность двигателя соизмерима с мощностью сети), что плохо отразится на работе других потребителей энергии, включенных в сеть. Для ограничения пускового тока и обеспечения плавности пуска двигателей применяют пуско- 114

вые реостаты, включаемые последовательно с обмоткой якоря и которые постепенно выводят по мере увеличения числа оборотов якоря. Сопротивление реостата R п выбирают таким, чтобы пусковой ток превышал номинальный ток двигателя не более чем в 2 ÷ 4 раза:

I пуск =	U	= (2	¸ 4) I н .	(10.6)
	R я + R п

Помимо электромагнитного вращающего момента на вал двигателя действуют тормозящий момент, обусловленный механическими и магнитными потерями, и полезный противодействующий момент, созданный нагрузкой на валу двигателя. Полезный момент на валу двигателя связан с его полезной мощностью P 2 формулой

M =	30 P 2		[Н × м] ,			(10.7)
	p n
где n –	частота вращения двигателя, об/мин;
P 2	– полезная мощность, номинальная мощность двигателя, ука-
зываемая в паспортных данных, Вт.
2.5. Потери мощности и КПД двигателя
Полезная мощность, отдаваемая двигателем потребителю,
меньше подводимой мощности P на величину потерь									∑	р
P = P −	1	р = UI		−
	∑				н	∑	р .	(10.8)
2 1

Потери мощности в электрических машинах делятся на магнитные, механические и электрические. Магнитные потери складываются из потерь на вихревые токи и потерь на перемагничивание (гистерезис), возникающих в сердечнике якоря при его вращении. Величина этих потерь зависит от частоты вращения якоря, магнитной индукции, толщины листов и т.д. Механические потери складываются из потерь на трение в подшипниках, на трение щеток о коллектор, трение вращающихся частей машины о воздух и потерь на вентиляцию. Электрические потери обусловлены потерями в щеточно-

коллекторном узле при прохождении по ним тока.
Потери в обмотках возбуждения
р	= R	I	2 .	(10.9)
в	ов	я

Потери в обмотке якоря

р	я	= R	I	2 .	(10.10)
оя		я

Сопротивления обмоток возбуждения и якоря указаны в паспортных данных двигателя. Коэффициент полезного действия

η =

P 2

.

(10.11)

P 1 3. Расчетная часть 3.1. Типовые задачи Задача 3.1.1. Определить мощность, потребляемую двигателем при номинальной нагрузке; сумму потерь; электрические потери в обмотках якоря и возбуждения; магнитные и механические потери; электромагнитную мощность; сопротивление пускового реостата при условии I п = 2,5 I н . Паспортные данные двигателя приведены в таблице.

Р н ,	U н ,	n н ,	η,	Сопротивление при 20 о С
				Тип
					R я , Ом	R в , Ом
кВт	В	об/мин	%
				2ПН90МУХЛ4	0,25	220	1120	57	15,47	610

Задача 3.1.2. Определить вращающийся момент при номинальной нагрузке, частоту вращения при холостом ходе и построить естественную механическую характеристику. Построить искусственную механическую характеристику при условии, что пусковой реостат ошибочно не был выведен после запуска двигателя. Характеристики двигателя приведены в таблице.

Р н ,	U н ,	n н ,	η,	Сопротивление при 20 о С
				Тип
					R я , Ом	R в , Ом
кВт	В	об/мин	%
				2ПН100LУХЛ4	2,2	220	3150	84	0,52	295

Задача 3.1.3. Двигатель последовательного возбуждения имеет следующие номинальные данные U н = 110 В, Р н =2,2 кВт, n н =1500 об/мин, η = 83,3 %, R оя = 0,28 Ом.

Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя. Указание: расчет моментов произвести при токах I = (0,2; 0,4;

0,6; 0,8; 1,0) I Н , при этом воспользоваться характеристикой холостого
хода Ф =f ( I ов * ), где I ов% * = I ов /I вн ; Ф * = (Ф/Ф н						) × .
Ф *	0,05	0,45	0,73	0,88	0,95	1,0	1,03	1,07
I ов *	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,5

Задача 3.1.4. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением имеет следующие паспортные данные:

Р н ,	U н ,	n н ,	η,	Сопротивление при 20 о С
				Тип
					R я , Ом	R в , Ом
кВт	В	об/мин	%
				2ПН112МУХЛ4	2,5	230	3000	75,0	0,788	156

Определить номинальный ток обмотки якоря, ЭДС обмотки якоря при номинальном режиме, потери электрические, сумму потерь, потребляемую (механическую) мощность, магнитные и механические потери при номинальном режиме работы. Задача 3.1.5. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением имеет следующие паспортные данные:

Р н ,	U н ,	n н ,	η,	Сопротивление при 20 о С
				Тип
					R я , Ом	R в , Ом
кВт	В	об/мин	%
				2ПН100МУХЛ4	1,25	230	3000	76,0	1,792	359

Определить добавочное сопротивление реостата в обмотке возбуждения R доб , которое в режиме холостого хода надо ввести для того, чтобы напряжение на зажимах якоря было равно номинальному. При решении задачи воспользоваться данной в таблице процентной зависимостью магнитного потока от тока возбуждения. За 100 % приняты соответственно номинальные значения магнитного потока и тока возбуждения.

Ф * , %			0	20	40	60	80	100	120	150
I	*	,%	5	45	73	88	95	100	103	107
			ов

3.2. Задачи для самостоятельного решения Задача 3.2..1 Двигатель параллельного возбуждения имеет следующие паспортные данные : U н = 220 В, I н = 55 А , n н = 1500 об/мин , I вн = 5,0 А , R я = 0,02 Ом. Найти частоту вращения двигателя, если напряжение его питания уменьшается до U 1 = 180 В, при этом поддерживаются неизменными токи в цепи возбуждения и тормозной момент. Задача 3.2.2. Шестиполюсный двигатель постоянного тока смешанного возбуждения имеет следующие номинальные параметры: U н =220 В, I н = 13,3А, n н = 1000 об/мин, η = 75,2 %, R оя = 0,65 Ом, R овпосл = 1,0 Ом, R овпарал = 183 Ом. Определить вращающий момент на валу двигателя, электромагнитную, потребляемую и номинальную мощности. Задача 3.2.3 . Двигатель последовательного возбуждения работает при номинальном напряжении U ном = 110 В и номинальном токе I ном = 24 А. Якорь вращается с частотой n = 1500 об/мин и развивает на валу момент М =14 Н·м. Сопротивление обмоток якоря и возбуждения составляет R = 0,28 Ом. Определить электромагнитную, полезную и потребляемую мощности и КПД. Как изменятся эти величины, а также потребляемый ток и частота вращения при понижении подводимого напряжения до 90 В при неизменном вращающем моменте на валу ? При расчете воспользоваться зависимостью магнитного потока от тока возбуждения из задачи 3.1.3. 4. Экспериментальная часть 4.1. Описание лабораторного оборудования Экспериментальные исследования проводятся на универсальном лабораторном стенде. При сборке цепи используется следующее оборудование: 118

14.8. Двигатели постоянного тока. Основные уравнения

Ранее было установлено, что при работе машины в генераторном режиме э. д. с. Е якоря будет больше, чем напряжение на его зажи­мах, на значение падения напряжения в цепи якоря (14.7). В этом случае ток течет от положительного зажима генератора во внешнюю сеть и электромагнитный момент машины М является тормозным (рис. 14.19, а).

Машина постоянного тока, подключенная к сети постоянного тока, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме. Если у генератора с параллельным или независимым возбуждением, подклю­ченного к этой сети, уменьшить ток возбуждения с таким расчетом, чтобы э. д. с. якоря E стала меньше напряжения сети, то ток в цепи якоря из-за преобладания напряжения сети над э. д. с. изменит направление, т. е. пойдет от сети к машине. При этом электромагнитный момент также изменит направление и будет направлен в сторону вращения машины, т. е. станет вращающим (рис. 14.19, б).

Таким образом, машина постоянного тока может быть переведена из генераторного режима в двигательный, при котором якорь машины начинает потреблять из сети ток, создаваемый разностью напряжения сети и э. д. с. якоря:

В двигательном режиме инду­цируемая в обмотке якоря э. д. с. направлена против протекающего по ней тока, поэтому ее принято называть противо-э. д. с. Значение противо-э. д. с., так же как и для генератора, определяется согласно (14.3). Напряжение, приложенное к зажимам якоря двигателя согласно (14.10), должно уравновешивать противо-э. д. с. и компенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении цепи якоря:

(14.11)

Умножив левую и правую части уравнения (14.11) на ток I_a, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря двигателя:

(14.12)

где UI_a — мощность, потребляемая якорем двигателя из сети; I_a 2 r_a — мощность потерь в обмотке якоря; ЕI_а — электромагнитная мощность, преобразуемая в механическую мощность вращения вала двигателя.

Вращающий момент двигателя определяется по формуле (14.5), как и для генератора. Момент в двигательном режиме имеет противо­положное направление по сравнению с генераторным режимом.

Путем подстановки в выражение (14.3) значения Е из равенства (14.11) можно получить формулу для определения частоты вращения двигателя:

(14.13)

Регулирование частоты вращения. Полученное выражение (14.13) по­казывает, что частоту вращения двигателя постоянного тока можно регулировать: изменением магнитного потока Ф, изменяя соответ­ственно ток возбуждения; изменением питающего напряжения U; включением добавочного сопротивления в цепь обмотки якоря.

Изменение направления вращения. Если требуется изменить направ­ление вращения двигателя, то для этого необходимо изменить направ­ление электромагнитного момента М, действующего на якорь. Согласно (14.5), это можно осуществить изменением направления тока в обмотке якоря I_а или путем изменения направления магнитного потока Ф (тока возбуждения). На практике это производят путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря или к обмотке возбуждения. Свойство саморегулирования. Для того чтобы двигатель вращался с постоянной частотой n, развиваемый им вращающий момент М должен быть равным создаваемому нагрузкой тормозному моменту M_т:

(14.14)

Если равенство (14.14) нарушается, то частота вращения двигателя увеличивается или уменьшается до тех пор, пока снова вращающий момент двигателя не будет уравновешен тормозным моментом. Таким образом, двигатели постоянного тока обладают свойством саморегу­лирования — способностью при изменении нагрузки автоматически устанавливать новое значение частоты вращения, при которой двигатель работает устойчиво. Роль регулятора играет противо-э. д. с., наводимая в обмотке якоря.

Рассмотрим сущность процесса саморегулирования. Допустим, что тормозной момент, создаваемый нагрузкой, уменьшился и стал меньше вращающего момента двигателя, вследствие чего частота вра­щения и последнего начала возрастать. С увеличением n, согласно (14.11), возрастает противо-э. д. с. Е и, согласно (14.10) и (14.5), уменьшаются ток якоря I_а и вращающий момент двигателя М. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент двигателя не станет равным тормозному. Тогда рост частоты вращения прекратится. Аналогично протекает процесс при увеличении тормозного момента, когда вращающий момент двигателя становится меньше тормозного. В этом случае частота вращения двигателя начинает падать, вследствие чего уменьшится противо-э. д. с. и возрастают ток якоря и вращающий момент. Этот процесс, так же как при уменьшении нагрузки, прекратится, когда M = M_т и n = const.

В установившемся режиме, когда M = M_т, потребляемый якорем двигателя ток определяется моментом на валу I_а = М_т/(С_МФ). Из этого выражения следует, что при Ф = const ток, потребляемый двигателем, всегда пропорционален моменту на валу.

Пуск двигателей. В момент включения двигателя в сеть его частота вращения n равна нулю, противо-э. д. с. также равна нулю, а пусковой токI_п = U/r_a ограничивается только сопротивлением обмотки якоря, которое у двигателей средней и большой мощностей составляет десятые — сотые доли Ом. Поэтому при прямом пуске путем непо­средственного включения двигателя в сеть пусковой ток был бы недо­пустимо большим—в 10—20 раз больше номинального. Это может вызвать поломку вала, а также сильное искрение под щетками. Поэтому при пуске двигателей постоянного тока в цепь якоря часто включают добавочный пусковой реостат с таким сопротивлением r_п, чтобы пусковой ток не превышал допустимого значения. Прямой пуск применяют в основном для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, а иногда мощностью в несколько киловатт. В машинах большой и средней мощностей допустимый пусковой ток а в машинах малой мощности

По мере увеличения частоты вращения двигателя в обмотке якоря возрастает противо-э. д. с., ток уменьшается, вследствие чего сопротив­ление пускового реостата необходимо постепенно уменьшать. При достижении двигателем номинальной частоты вращения пусковой реостат полностью выводится. Чем короче период пуска, тем меньше потери энергии в цепи якоря.

Следует иметь в виду, что чрезмерное уменьшение пускового тока может привести к тому, что двигатель вообще не сможет стронуться с места, так как пусковой момент не сможет преодолеть момента сопротивления на валу двигателя. Для обеспечения большого пускового момента при ограниченном пусковом токе необходимо создать возможно больший магнитный поток, что достигается за счет увеличения тока возбуждения с помощью специального реостата, включаемого в цепь возбуждения двигателя.

Ограничение пускового тока при реостатном пуске обычно сопро­вождается значительными потерями энергии в пусковом реостате. Для исключения этого пуск двигателя можно осуществить при пониженном напряжении, подводимом к его обмотке якоря от источника с регу­лируемым напряжением. В процессе пуска в этом случае напряжение, подводимое к якорю двигателя, плавно повышают.

Классификация двигателей. Двигатели постоянного тока отличаются друг от друга способом питания обмотки возбуждения. Двигатели постоянного тока, как и генераторы, могут иметь независимое, парал­лельное, последовательное и смешанное возбуждение.

Двигатели с независимым возбуждением применяют тогда, когда напряжение на зажимах якоря изменяется в процессе работы или когда напряжение якоря отличается по значению от напряжения возбуждения.

Двигатели последовательного возбуждения получили широкое приме­нение, так как обладают рядом ценных свойств. Двигатели со смешанным возбуждением по своим свойствам являются промежуточными между двигателями последовательного и параллельного возбуждения.

Двигатели с параллельным возбуждением, получившие наибольшее распространение, — это, по существу, те же двигатели с независимым возбуждением, но только питание обмотки возбуждения у них произ-­ водится от того же источника энергии, что и питание якоря. На рис. 14.20 приведена схема двигателя с параллельным возбуждением. В нем обмотка возбуждения подключена непосредственно к сети параллельно с обмот-­ кой якоря. В цепь якоря включен пусковой реостат r_п, а в цепь обмотки воз­буждения — регулировочный реостат r_рв. Так как обмотка возбуждения питается независимо от обмотки якоря непосредственно от сети, то ток возбуждения двигателя параллельного возбуждения не зависит от тока якоря.

Если сопротивление регулировочного реостата не меняется, то ток возбуждения при напряжении сети U = const остается постоянным. Поэтому магнитный поток двигателя при изменении нагрузки также практически не меняется (немного уменьшаясь при увеличении нагрузки за счет усиления реакции якоря). Ток I, потребляемый двигателем из сети,

(14.15)

Обмотка возбуждения состоит из большого числа витков отно­сительно тонкого провода и обладает значительным сопротивлением r_в, поэтому ток возбуждения I_в мал по сравнению с током якоря, состав­ляя от него не более 3—4%.

(14.16)

Характерным свойством двигателей параллельного возбуждения является то, что при напряжении сети U = const и сопротивлении цепи возбуждения ток возбужденияI_в = const и не зависит от тока нагрузки I.

Для оценки свойств электрических дви­гателей широко используют различные ха­рактеристики. Наиболее распространенным режимом работы двигателей параллельного возбуждения является режим при U = const и I_в = const. В этом случае свойства двигателя достаточно полно описываются тремя характеристиками: моментной, ско­ростной и механической. Согласно (14.15), моментная характеристика М = f(I_а) будет линейной (рис. 14.21, а), так как магнитный поток двигателя параллельного возбуждения остается постоянным при изменении тока якоря и, следовательно, момент двигателя прямо пропорционален току якоря. Действительно, при Ф = const момент

Скоростной характеристикой двигателя постоянного тока называют зависимость частоты его вращения от тока якоря n = f(I_a), а механи­ческой — зависимость частоты вращения двигателя от момента n = f(М) при U = const и I_в = const. Согласно (14.13), скоростная характеристика для двигателей параллельного возбуждения будет линейной (рис. 14.21, а). Следовательно, линейной будет также механическая характеристика двигателя (рис. 14.21, б). Подставляя значение тока якоря I_а из (14.5) в (14.13), получим уравнение механической характеристики:

(14.17)

Когда в цепи якоря отсутствует добавочный реостат (r_рег = 0), механическая характеристика называется естественной. Механическая характеристика двигателя, у которого в цепь якоря введен регулиро­вочный реостат с сопротивлением r_рег, называется искусственной (рис. 14.21, б). Естественная характеристика обычно линейна и имеет слегка падающий характер. Как механическую, так и скоростную харак­теристики у двигателей параллельного возбуждения можно считать жест­кими, так как при изменении нагрузки от холостого хода до номиналь­ной частоты вращения уменьшаются на 3 — 7%. Способность этих двигателей сохранять частоту вращения почти неизменной при изменении нагрузки широко используется на практике.

С другой стороны, частоту вращения двигателей параллельного возбуждения можно изменять в широких пределах с помощью регулиро­вочного реостата с сопротивлением r_рв, позволяющего изменять ток возбуждения двигателя I_в и его магнитный поток Ф и, как следует из (14.13), частоту вращения n.

Следует особо отметить, что при холостом ходе и небольшой нагрузке для двигателя параллельного возбуждения большую опас­ность представляет значительное уменьшение тока возбуждения и тем более обрыв цепи возбуждения, когда I_в = 0 (Ф = 0). В этом случае частота вращения может возрасти до опасных пределов — двигатель «идет в разнос». Кроме того, при этом ток якоря сильно возрастает, вследствие чего усиливается искрение под щетками.

Для оценки эксплуатационных свойств двигателей широко исполь­зуют рабочие характеристики, представляющие зависимость потребляемой мощности Р₁, тока якоря I_а, частоты вращения n, момента М, к. п. д. η от мощности на валу Р₂ при U = const и I_в = const (рис. 14.22). Из рисунка видно, что с увеличением нагрузки частота вращения двигателя несколько уменьшается и характеристика n = f(Р₂) линейна, а также то, что момент якоря растет практически прямо пропорционально нагрузке, т. е. характеристика М = f(P₂) тоже линейна.

Характеристики имеют вид, характерный для любых электрических машин.

Двигатель с последовательным возбуждением. На рис. 14.23 при­ведена схема двигателя последовательного возбуждения. Обмотка воз­буждения, обмотка якоря и пусковой реостат r_п в этом двигателе соеди­няются последовательно, поэтому ток якоря является одновременно и током возбуждения. В связи с этим обмотку возбуждения двигателя выпол­няют с малым числом витков из провода большего сечения, чем в двигателе параллельного возбуждения. При холостом ходе и малых нагрузках, когда потребляемый двигателем ток небольшой, м. д. с. обмотки и магнитный поток Ф двигателя также невелики. Так как частота вращения двигателя обратно пропорциональна значению магнитного потока, то при холостом ходе и малых нагрузках она в несколько раз превышает номинальную, представляя опасность для целостности двигателя. Поэтому эти двигатели нельзя запускать вхолостую или при небольшой нагрузке (менее 20 — 25 % от номинальной), т. е. нельзя применять для привода механизмы, работающие вхолостую или при небольшой нагрузке. Исключение составляют двигатели малой мощности (десятки ватт), которые могут быть использованы для привода механизмов, у которых возможен холостой ход. Так как частота вращения двигателя

(14.18)

то ее можно регулировать как посредством изменения Ф, так и путем изменения U. В первом случае для регулирования изменяют магнит­ный поток путем шунтирования обмотки возбуждения регулировочным реостатом. При этом часть тока ответвляется через реостат, включенный параллельно обмотке возбуждения. Это позволяет изменять (уменьшать) ток в обмотке возбуждения и устанавливать требуемую частоту вращения двигателя.

Частоту вращения за счет изменения напряжения на зажимах якоря регулируют, включая последовательно с якорем реостат, на котором падает часть напряжения сети, вследствие чего частота вращения двигателя уменьшается. Этот способ регулирования неэкономичен из-за больших потерь энергии в реостате.

Характерной особенностью двигателей последовательного возбуж­дения является резкое уменьшение частоты вращения при увеличении нагрузки. При ненасыщенной магнитной системе машины, когда I_а < (0,8-0,9) I_н, скоростная характеристика двигателя n = f(I_a) имеет вид гиперболы (рис. 14.24). При больших нагрузках (I_а > I_н), когда наблю­дается насыщение магнитной системы машины (Ф = const), скоростная характеристика становится линейной.

Моментная характеристика двигателя М = f(I_a) при ненасыщенной магнитной системе машины имеет вид параболы (рис. 14.24), так как Ф = С_фI_а и электромагнитный момент

(14.19)

где k — постоянная. Таким образом, при ненасыщенной магнитной системе машины электромагнитный момент изменяется пропорцио­нально квадрату тока якоря.

В то же время значительное увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается сравнительно небольшим ростом тока якоря. Это свойство двигателя последовательного возбуждения особенно ценно тогда, когда требуется большой вращающий момент, значительно превышающий номинальный, например при пуске в ход двигателя в трамваях, электровозах и т. д.

Механические характеристики n = f(М) двигателя являются мягкими и имеют гиперболический вид (рис. 14.25). Подставляя значение тока из (14.19) в (14.18), получим выражение, определяющее механическую характеристику двигателя при I_а < (0,8 - 0,9)I_н:

(14.20)

При насыщении магнитной системы двигателя (I_а > I_н) зависимость n = f(М) становится линейной. Изменяя сопротивление реостата r_п, включенного последовательно с якорем, кроме естественной характе­ристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2 и 3.

На рис. 14.26 приведены рабочие характеристики двигателя последо­вательного возбуждения. Характеристики M = f(P₂) и n = f(P₂) нелиней­ны, а характеристики имеют вид, аналогичный подобным зависимостям для двигателя параллельного возбуждения. На рис. 14.26 начальные участки рабочих характеристик, изображенные штриховыми линиями, соответствуют работе двигателя при малой нагрузке, когда частота вращения становится недопустимо большой.

Двигатель со смешанным возбуждением. На рис. 14.27 приведена схема двигателя смешанного (компаундного) возбуждения, у которого имеется две обмотки возбуждения: сериесная и шунтовая. В двигателе магнитный поток Ф создается совместным действием токов возбуждения шунтовой I_вш и сериесной I_вс обмоток. Обмотки возбуждения можно включать таким образом, что они будут создавать магнитные потоки одного (согласное включение) или противоположного (встречное вклю­чение) направлений.

При встречном включении с небольшой м. д. с. последовательной обмотки можно получить двигатель с жесткой механической характе­ристикой, однако встречное включение обмоток возбуждения применяют очень редко, так как в этом случае ухудшаются пусковые свойства двигателя. В этом двигателе характер изменения частоты вращения и вращающего момента зависит от соотношения м. д. с. последовательной и параллельной обмоток возбуждения. Подбирая соответствующим образом соотношение между м. д. с. обмоток, можно получить необходи­мое изменение частоты вращения при нагрузке, «приблизив» двигатель по свойствам к двигателям последовательного или параллельного возбуждения. Следовательно, рабочие характеристики двигателя сме­шанного возбуждения являются промежуточными между характеристи­ками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

Эти двигатели при работе вхолостую не «идут в разнос», так как всегда имеется постоянный магнитный поток, создаваемый парал­лельной обмоткой возбуждения. Кроме того, из-за наличия после­довательной обмотки возбуждения в них при возрастании нагрузки увеличивается магнитный поток. Двигатели обладают большей пере­грузочной способностью по сравнению с двигателями параллельного возбуждения.

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

• обмотки якоря
• добавочных полюсов
• обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Электромагнитный момент

где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;