Механические характеристики.

Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной.
Уравнения электромеханической ω=f(I _я) и механической ω=f(M _эм.) характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа:

U _я=E _я+I _я)(R _я+R _д), (5.35)

где R_я – активное сопротивление якоря.
Преобразуя (5.35) с учетом (5.6), получим уравнение электромеханической характеристики

ω=(U _я-I _я(R _я+R _д))/kФ. (5.36)

В соответствии с (5.10) ток якоря I _я=M _эм./kФ и выражение (5.36) преобразуется в уравнение механической характеристики:

ω=U_я/ kФ – ( R _я+ R _д)/( kФ) ²)M_эм. . (5.37)

Это уравнение можно представить в виде ω= ω _о.ид.- Δ ω, где

ω _о.ид.=U_я/kФ (5.38)

ω _о.ид - угловая скорость идеального холостого хода ( при I_я=0 и, соответственно, М_эм.=0 ); Δ ω= М_эм. [(R_я+R_д)/(kФ)²]– уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.

Семейство механических характеристик при номинальном напряжении на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря изображено на рис.1. а.

Рис.1

Механические характеристики двигателей принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и линейности.

Естественная механическая характеристика, соответствующая (5.37) при R_д=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика линейная; отклонение от линейного закона может быть вызвано реакцией якоря, приводящей к изменению потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря (прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики устойчивые, так как dω/dM_эм.<0, и обеспечивают саморегулирование двигателя, т.е. он автоматически приспосабливается к изменяющейся нагрузке. Увеличение статического момента сопротивления на валу двигателя приводит к уменьшению угловой скорости и ЭДС якоря. Ток якоря, выражение для которого можно записать на основании (5.35),

I_я= (U_я-E_я)/(R _я+ R _д)=(U_я -kωФ;)/( R _я R _д ), (5.39)

возрастает. Соответственно растет электромагнитный момент вплоть до нового значения момента сопротивления (переход из точки А в точку В на механической характеристике).

По аналогии на основании (5.37) может быть построено семейство искусственных характеристик при различных значениях U_я или Ф. Анализ таких характеристик будет проделан в разделе исполнительных двигателей постоянного тока.

Рабочие характеристики.

Рабочие характеристики двигателя – это зависимости угловой скорости ω, электромагнитного М_эм. и полезного М₂ моментов и кпд η от полезной механической мощности на валу двигателя P₂=M₂ω при номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений (рис.1,б).
Однако у рассматриваемых двигателей рабочие характеристики построены не в функции полезной мощности двигателя P₂, а в функции тока якоря I_я. Объясняется это тем, что в двигателях постоянного тока электрическая мощность, идущая на преобразование в механическую, поступает через цепь якоря. Ток якоря двигателей независимого и параллельного возбуждения, у которых скорость слабо зависит от нагрузки, практически прямо пропорционален мощности P₂. Уравнения же рабочих характеристик через ток I_я получить гораздо проще. Характеристики ω= f(I_я) и M_эм.=а(I_я) могут быть построены соответственно на основании уравнений (5.36) и (5.10). Без учета реакции якоря эти характеристики линейные, у реальных машин под действием реакции якоря (изменение Ф) характеристики могут оказаться нелинейными.
Полезная составляющая момента двигателя M₂ меньше электромагнитного момента на значение момента холостого хода M₀=(ΔP_мех.+ΔP_м)/ ω, где ΔP_мех. – механические потери мощности (трение); Δ P_м – магнитные потери.
Характеристики полезного момента M₂ и КПД η начинаются из точки реального холостого хода, которому соответствует ток якоря I_яо (рис. 5.20,б). Кривая КПД имеет типичный для всех электрических машин характер, т.к. в двигателе имеются постоянные потери (ΔP_мех.+ΔP_м+U_вI_в), практически не зависящие от нагрузки (тока якоря), и переменные потери в якоре I _{2 я} R_я .

Пуск.
В соответствии с уравнением равновесия моментов (2.29) условием пуска двигателя является неравенство М_п >М_ст. Если это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение и разгоняется до установившегося режима. Ввиду того, что ротор обладает моментом инерции, разгоняется он не мгновенно – нарастание скорости происходит по закону, близкому к экспоненте.

Пуск двигателя постоянного тока осложняется тем, что при ω=0 ЭДС E_я=0 и пусковой ток якоря I_яп= U_я/ R_я может в 10 – 20 раз превышать номинальный ток, что опасно как для двигателя (усиление искрения, динамические перегрузки), так и для источника питания. Поэтому важнейшими показателями пускового режима являются кратность пускового тока K_iп= I_п/ I_ном и кратность пускового момента К_мп= М_п/ М_ном. При пуске необходимо обеспечить требуемую кратность пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока.

Прямой пуск применяют обычно при кратности пускового тока K _iп?6. При большем значении K_iп применяют способы пуска, обеспечивающие снижение тока I_яп либо за счет подачи пониженного напряжения на обмотку якоря, либо за счет введения добавочного сопротивления в цепь якоря. Первый способ применяется в основном при работе двигателей в системах автоматического регулирования с якорным способом управления. Второй способ, называемый реостатным, распространен наиболее широко в нерегулируемом приводе. Сопротивление пускового реостата R_п= R_д (см. рис. 5.19) выбирают таким, чтобы ограничить I_яп до (1,4 – 1,8) I_я.ном у двигателей средней мощности и до (2,0 – 2,5) I_я.ном у двигателей малой мощности. По мере разгона якоря ток якоря уменьшается и пусковой реостат постепенно выводится.

Реверсирование.
Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя М_эм и соответственно направление вращения ротора.

Двигатели последовательного и смешанного возбуждения.
У двигателя последовательного возбуждения (рис. 2 ,а) ток якоря протекает по обмотке возбуждения (I_в= I_я) и это определенным образом сказывается на основных характеристиках двигателя. При отсутствии насыщения магнитопровода можно принять, что

Ф=K_фI_я, (5.40)

где K_ф – коэффициент пропорциональности.

С учетом (5.40) уравнения (5.10) и (5.37) принимают вид

М_эм=KK_фI_я², (5.41)

ω = (U/ √(KK_фM_эм)) -(R_я+R_в/KK_ф), (5.42)

где R_в – сопротивление обмотки возбуждения.

Механическая характеристика мягкая, имеет гиперболическую форму и обеспечивает устойчивую работу двигателя. Мягкость характеристики объясняется тем, что с увеличением момента нагрузки и соответственно уменьшением скорости растут ток и поток возбуждения. При больших нагрузках начинает сказываться насыщение магнитопровода и характеристика отличается от расчетной (сплошная линия).

Двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки на валу, так как при М_эм → 0, угловая скорость ω → ∞.

Квадратичная зависимость момента от тока позволяет при одинаковой кратности пускового тока получать у двигателя последовательного возбуждения больший пусковой момент, чем у двигателя независимого или параллельного возбуждения.

Пуск, реверсирование, торможение и регулирование угловой скорости двигателей последовательного возбуждения осуществляется теми же способами, что и у двигателей независимого и параллельного возбуждения с учетом специфики включения обмоток.

Рис.2

Двигатели смешанного возбуждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение между двигателями независимого и последовательного возбуждения. Конкретный вид характеристик зависит от того, согласно или встречно(по потоку) включены между собой обмотки возбуждения.