Двигатель параллельного возбуждения

Глава 29

Основные понятия

Коллекторные машины обладают свойством об­ратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбужде­ния и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаи­модействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который яв­ляется не тормозящим, как это имело место в гене­раторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента яко­ря машина начнет вращаться, т. е. машина будет ра­ботать в режиме двигателя, потребляя из сети элек­трическую энергию и преобразуя ее в механичес­кую. В процессе работы двигателя его якорь враща­ется в магнитном поле. В обмотке якоря индуциру­ется ЭДС ,направление которой можно опреде­лить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока , и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Направление проти­во-ЭДС в обмотке якоря двига­теля

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения,

. (29.1)

Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря

. (29.2)

Умножив обе части уравнения (29.1) на ток яко­ря , получим уравнение мощности для цепи якоря:

, (29.3)

где — мощность в цепи обмотки якоря; — мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения проделаем следую­щее преобразование:

,

или

.
Но, согласно (25.24),

тогда

, (29.4)

где — угловая частота вращения якоря; — электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромаг­нитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение (29.3) с учетом (29.4), получим

.

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением на­грузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря , т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным , то увеличе­ние нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря .

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждени­ем от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромаг­нитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включе­ния обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин)

.

Подставив значение из (29.1), получим (об/мин)

, (29.5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна на­пряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку воз­буждения. Физически это объясняется тем, что повышение на­пряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ; это, в свою очередь, ведет к росту тока [см. (29.2)]. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизмен­ным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля можно изменением либо напряжения U, подводимого к дви­гателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрическо­го сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнит­ного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, из­менив направление какой-либо из указанных величин, можно из­менить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изме­нения направления вращения якоря, так как при этом одновремен­но изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой (29.2). Если при­нять U и неизменными, то ток зависит от противо-ЭДС . Наибольшего значения ток достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС . Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

. (29.6)

Обычно сопротивление невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7—1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поста­вить на холостой контакт О (рис. 29.2). Затем включают рубиль­ник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наиболь­шее сопротивление реостата .

Рис. 29.2. Схема включения пускового реостата

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пус­ка не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление ши­ны по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренеб­режимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

. (29.7)

С появлением тока в цепи якоря возникает пусковой мо­мент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС , что ведет к уменьшению пускового тока и пуско­вого момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага рео­стата пуск двигателя заканчивается . Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2—3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорциона­лен потоку Ф [см. (25.24)], то для облегчения пуска двигателя па­раллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения следует полностью вывести . Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при мень­шем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе (см. § 29.6) или пуск двига­теля в схеме «генератор—двигатель» (см. § 29.4).

Двигатель параллельного возбуждения

Схема включения в сеть двигателя параллельного возбужде­ния показана на рис. 29.3, а. Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не за­висит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и маг­нитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его ра­бочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M₂, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р₂ при и (рис. 29.3, 6).

Для анализа зависимости и , которую обычно называ­ют скоростной характеристикой, обратимся к формуле (29.5), из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки умень­шается числитель , при этом вследствие реакции якоря уменьшается и знаменатель Ф. Обычно ослабление потока, вы­званное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на час­тоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂ уменьшается, а график приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращен­ной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровож­дается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это пока­зано штриховой кривой на рис. 29.3, б. Однако такая зависимость является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения n двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в разнос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбу­ждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последо­вательную обмотку возбуждения, которую называют стаби­лизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Рис. 29.3. Схема двигателя параллельного возбуждения ( )

и его рабочие характеристики ( )

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от но­минальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

, (29.8)

где — частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения , поэтому характеристику частоты вращения двигателя па­раллельного возбуждения называют жесткой.

Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двига­теля снижается, и поэтому зависимость криволинейна.

При вращающий момент двигателя . Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии , что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двига­теле, то момент х.х. . Поэтому график зависимости проходит параллельно кривой Если принять по­ток , то график является в то же время выраже­нием зависимости ,так как .

Для получения аналитического выражения механической ха­рактеристики преобразуем выражение (29.5):

; (29.9)

подставив в него из (25.24) значение тока якоря

, (29.10)

получим

, (29.11)

где — частота вращения в режиме х.х.; — изменение часто­ты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Если пренебречь реакцией якоря, то (так как ) можно принять . Тогда механическая характеристика двигателя па­раллельного возбуждения представляет собой прямую линию, не­сколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 29.4, а). Угол наклона меха­нической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характери­стику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические харак­теристики двигателя, полученные при введении дополнительного со­противления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).

Вид механической характеристики зависит также и от значе­ния основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф уве­личивается частота вращения х.х. и одновременно увеличивает­ся , т. е. увеличиваются оба слагаемых уравнения (29.11). Это приводит к резкому увеличению наклона механической характе­ристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 29.4, б).

При изменении напряжения на якоре U меняется частота вра­щения , а остается неизменной. В итоге жесткость механиче­ской характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 29.4, в), т. е. характеристики смещаются по вы­соте, оставаясь параллельными друг другу.