Электрические машины постоянного тока (6)

Цель: Сформировать знания о машинах постоянного тока и их применение в отрасли.

Тема: Электродвигатели постоянного тока

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

На практике получили распространение двигатели постоянного тока как параллельного возбуждения, так и последовательного.

Ток якоря двигателей рассчитывается по формуле (9.1 – ( I=(U-E)/R_я) ). Так как при неподвижном якоре противоЭД отсутствует, пусковой ток двигателя I_П = U/R_я значительно превышает номинальный ток I_ном. Это обусловлен также тем, что сопротивление обмотки якоря R_я двигателя выполняют по возможности малым, чтобы уменьшить потери на нагрев обмотки.

При непосредственном включении двигателя постоянного тока в сеть на номинальное напряжение его пусковой ток I_П = U/R_я оказывается в 10—15 раз больше нормального, так как сопротивление якоря относительно мало. Для двигателей переменного тока К_п = 5—7. Такая разница объясняется тем, что при переменном токе обмотки двигателя, кроме активного, имеют еще и индуктивное сопротивление, что уменьшает пусковой ток.

Из-за больших пусковых токов, способных повредить обмотку якоря, коллектор и щетки, пуск двигателя постоянного тока прямым включением в сеть допустим только для двигателей малой мощности (менее 500 Вт) у которых более значительные сопротивления якоря, ограничивающие пусковой ток. Для пуска более мощных двигателей применяют пусковой реостат с сопротивлением. R_П (рис. 9.12). Он включается последовательно обмотке якоря, что уменьшает пусковой ток I_П = U/(R_я+ R_П).

Пусковой реостат обычно выполняется ступенчаты и имеет зажимы: Л— линия, Я — якорь и Ш — шунт. Ручка реостата соединена с зажимом Л и до запуска двигателя находится на контакте 0. При запуске она последовательно перемещается в крайнее левое

положе­ние, что уменьшает число включенных секций реостата.

По окончании пуска реостат полностью выводится из работы.

Из формулы I_П = U/R_я следует, что ограничение пу­сковых токов двигателя можно осуществить также путем снижения напряжения. Этот способ находит все более широкое применение на практике. Для питания электро­двигателей применяют управляемые выпрямители на тиристорах с регулируемым выходным напряжением.

По формуле (9.5) электромагнитного момента машины: М_ЭМ=I_яФ, вращающий момент имеет макси­мальное значение при пусковом токе. Это выгодно отли­чает двигатели постоянного тока от асинхронных двигателей переменного тока, у которых пусковые моменты относительно малы.

Используя формулы (9.2): Е nФ и (9.3): U=E+I_ЯR, получаем

п Е/Ф = (U-I_яR_я)/Ф. (9.6)

Отсюда следует, что при увеличении магнитного потока Ф за счет роста тока возбуждения I_в частота враще­ния двигателя уменьшается. Таким образом, изменяя ток возбуждения, можно плавно и в широких пределах регулировать частоту вращения двигателя.

Из формулы (9.6) также следует, что регулирований частоты вращения двигателя можно осуществлять путем изменения напряжения на его входных зажимах (напри­мер, при помощи тиристорных преобразователей).

Вследствие малого значения сопротивления якоря R_я падение напряжения в цепи якоря невелико. Поэтому при постоянных значениях U и R_я ток якоря резко возрастает при небольшом уменьшении противоЭДС. Так, при R_я = 0,2 Ом, U = 220 В и токе якоря 10 А по формуле (9.3) Е = U — I_ЯR_я = 220 — 2 = 218 В. Если противоЭДС уменьшится всего на 10 В (примерно на 5 %), ток якоря станет равным I_Я = (220 —208)/0,2 = 60 А, т. е. увеличится в 6 раз.

При обрыве цепи возбуждения противоЭДС резко: уменьшается за счет уменьшения магнитного потока до значения потока остаточного магнетизма. Это вызываем многократное возрастание тока якоря и за счет этого вращающего момента двигателя. В результате двигатель постоянного тока идет «вразнос». При этом центробеж­ные силы могут деформировать обмотку якоря, якорь заклинивает, а в некоторых случаях и разрушается. Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя.

За счет увеличения тока якоря при росте нагрузки двигателя автоматически увеличивается вращающий момент. В результате частота вращения двигателя парал­лельного возбуждения почти не изменяется (рис. 9.13). Такая механическая характеристика двигателя называет­ся жесткой.

Зависимости частоты вращения п, тока якоря I_Я, вращающего момента М и КПД η от полезной мощности Р₂ на валу двигателя при постоянном напряжении сети называют рабочими характеристиками. На рис. 9.14 приведены рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения, а на рис. 9.15,б —двигателя последовательного возбуждения.

	п,м; h>1
		п
		Рис. 9.14

Двигатель последовательного возбуждения (рис. 9,15, а) имеет вращающий момент, пропорциональный квадрату тока, так как магнитный поток возбуждения создается током нагрузки, проходящим по обмотке воз­буждения (Ф , поэтому М ФI I²). Отсюда следует, что эти двигатели развивают большие пусковые моменты, что важно для электропривода на транспорте (благодаря этому электропоезд способен быстро набирать скорость после остановки).

Следует отметить, что для двигателей последователь­ного возбуждения опасен режим холостого хода, так как мри уменьшении нагрузки на валу до нуля частота вра­щения двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «вразнос». Это обстоятельство требует такого сочленения двигателя с рабочей машиной, при котором режим холостого хода был бы исключен. В частности, нельзя применять ременную передачу, так как при ослаблении или обрыве ремня двигатель пойдет «вразнос».

Выраженная зависимость частоты вращения двигателя последовательного возбуждения от нагрузки (см. рис. 9.15,6) ограничивает применение этих двигателей.

Отношение полезной механической мощности на валу, двигателя Р₂ к электрической мощности на входе дви­гателя Р₁ выражает КПД двигателя:

η= Р₂/Р₁ = (P₁ — Р_В — Р_Я — Р_мех)/Р₁,

где P_B = R_B—потери в цепи возбуждения; Р_я = R_Я - потери в цепи якоря; Р_мех — механические потери.

Вопросы 1. Каковы достоинства и недостатки двигателей постоянного тока в сравнении с асинхронными двигателями переменного тока? 2. В каких случаях и почему двигатель постоянного тока может пойти «вразнос»? 3. В чем различия механических характе­ристик двигателей параллельного и последовательного возбуждения?

Задание 9

1. Изучите структурную схему главы 9 (рис. 9.16). Рис. 9.16