Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Лекция №9

Двигатели постоянного тока

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в промышленности в случае необходимости регулирования скорости ЭП (электропривода). В основном применяются системы УВ-Д (управляемый выпрямитель-двигатель), которые обеспечивают регулирование скорости с высоким качеством.

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Двигатели с независимым возбуждением и параллельным возбуждением обладают одинаковыми свойствами, поэтому эти группы объединяют и относят к одной группе: двигатели с независимым возбуждением предназначенные для работы в регулируемых ЭП.

Промышленность выпускает двигатели постоянного тока основной общепромышленной серии 2П и 4П, они подразделяются по следующим признакам:

- по габаритам;

- по способу защиты;

- по мощности;

- по скорости вращения;

- по напряжению на якоре (110В, 220В, 340В, 440В);

- на напряжению обмотке возбуждения (110 и 220 В);

и др.

Если напряжение на якоре и на обмотке возбуждения (ОВ) совпадают, то обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря.

Кроме серий 2П и 4П выпускаются и другие специализированные серии.

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.

Рис. 9.1 Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное

Основные формулы и уравнения

Если принять скорость вращения якоря в системе СИ (рад/с), то формула 4.13 из лекции №4 примет вид

Е_а=

Фω =kФω

(9.1)

где

Е_а - ЭДС машины постоянного тока

k - постоянная для данной машины величина в системе СИ

Ф — основной магнитный поток, Вб;

ω - частота вращения якоря, рад/с;

р - число пар полюсов обмотки якоря;

N - число пазовых сторон обмотки якоря;

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

М = ФI_а = kФI_а

(9.2)

где

М - электромагнитный момент машины постоянного тока, Н/м (ньютон делить на метр)

k - постоянная для данной машины величина;

Ф — основной магнитный поток, Вб (вебер)

р - число пар полюсов обмотки якоря

N - число пазовых сторон обмотки якоря

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря

I_а или просто I — ток якоря, А;

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно получить уравнение напряжений (Э.Д.С.) для цепи якоря генератора:

Это уравнение получают на основании второго закона Кирхгофа

. (9.3)

Здесь

(9.4)

— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря:

- обмотки якоря r_а или, r_я

- обмотки добавочных полюсов r_д,

- компенсационной обмотки r_ко,

- последовательной обмотки возбуждения r_с

- переходного щеточного контакта r_щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (9.4) не входят соответствующие слагаемые.

Из (9.3) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря.

На основании (9.3) получим формулу тока якоря

. (9.5)

Умножив обе части уравнения (9.3) на ток якоря I_а, получим уравнение мощности для цепи якоря:

, (9.6)

тогда

, (9.7)

(9.8)

ω — угловая частота вращения якоря;

— электромагнитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромагнитную мощность двигателя.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики двигателя представлены на рис 9.2б

Частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂ уменьшается, а график ω = f(Р₂) приобретает падающий вид. 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.

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

, (9.12)

или

∆ ω _ном= 100

где ₀(n₀) — частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения ∆ ω _ном =2-8%, 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.

График зависимости М_эл= f(Р₂) проходит параллельно кривой М₂= f(Р₂).

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС Е_а=0. Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

I_п= (9.13)

.

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 реостат ввести, т.е поставить наибольшее сопротивление. Затем включают рубильник и постепенно уменьшают сопротивление реостата.

Рис. 9.4. Схема включения пускового реостата

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

. (9.14)

Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2—3 раза.

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 или пуск двигателя в схеме «генератор—двигатель».

Реверсирование двигателей

Реверсирование двигателя - это изменение направления вращения якоря.

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 якоря.

КПД машин постоянного тока

η = P₂/P₁, (9.20)

где

- Р₂ — полезная мощность машины (у генератора — это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя — механическая мощность на валу);

- Р₁ — подводимая к машине мощность (у генератора — это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя — мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P₁ включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).


Рис. 9.5. Зависимость КПД машин постоянного тока от полезной мощности

Очевидно, мощность Р₁ может быть выражена следующим образом: Р₁ = Р₂ + Σ Δ P,

где Δ P — сумма перечисленных выше потерь мощности.

С учетом последнею выражения

η = P₂/(P₂ + Σ Δ P). (9.21)

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р₂ равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η =f(Р₂) приведен на рис. 9.5.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р₂, достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р_2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0, 74 до 0, 92 соответственно.

Литература: Кацман М.М. Электрические машины. Глава 29.

§29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6, 29.8, 29.10