Общие сведения о двигателях постоянного тока

Принцип обратимости электрических машин.

Двигатели постоянного тока по конструкции не отличаются от генераторов и, как отмечалось, электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. являются обратимыми. Допустим, что машина работает в режиме генератора на сеть с постоянным напряжением U=const и развивает тормозной (по отношению к первичному двигателю) момент M_т (рис.1).

Для  этого режима справедливы соотношения

где ?r- полное сопротивление цепи якоря.

Рис. 1 — Генераторный и двигательный режимы  машины постоянного тока

Если уменьшать ЭДС Е_а генератора, уменьшая его частоту вращения или магнитный поток Ф, то будет уменьшаться и ток I_a. Когда Е_а станет меньше напряжения U, ток I_a изменит свое направление, однако, посколь­ку U=const, направление тока I_a в обмотке возбуждения, а следовательно и полярность основных полюсов останутся без изменения. При этих условиях изменяется знак электромагнитного момента М_г и машина переходит в двигательный режим, т.е. если прежде она работала генератором, преобразовывая механическую мощность в электрическую, то теперь она потребляет электрическую мощность, преобразовывая эту мощность в механическую и развивая на валу вращающий момент М_д. При этом машина продолжает вращаться в прежнем направлении. Если отсоединить первичный двигатель и приложить к валу машины момент сопротивления механизма М_с, то он будет преодолеваться электромагнитным моментом М_эм.

Классификация двигателей постоянного тока.

Аналогично генераторам, двигатели постоянного тока классифицируются по способу включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря — независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Схемы двигателей и генераторов с перечисленными способами возбуждения одинаковы и приведены на (рис. 1.). Все типы двигателей в зависимости от вида возбуждения имеют различные характеристики, но в основе их работы лежит один и тот же энергетический процесс, характеризуемый уравнениями равновесия ЭДС и моментов.

Уравнение ЭДС двигателя в установившемся режиме работы имеет вид

ЭДС Е_а в обмотке якоря направлена встречно приложенному напряжению, поэтому ее называют противо ЭДС.

Энергетическая диаграмма.

Энергетический процесс рассмотрим на примере двигателя параллельного возбуждения с помощью энергетической диаграммы (рис.2). Двигатель потребляет из сети мощность P₁=U(I_a+I_в). Часть этой мощности тратится на покрытие потерь на возбуждение ?P_в=UI_в и потери в цепи якоря ?Р_э=I_a²?r.

Рис. 2 — Энергетическая диаграмма

Оставшаяся часть мощности представляет собой электромагнитную мощность якоря P_эм, которая преобразовывается в полную механическую мощность

P_эм= U(I_a+I_в) — UI_в — I_a²

Полезная механическая мощность P₂, отдаваемая двигателем рабочему механизму, меньше мощности P_эм на величину потерь холостого хода ?P_о, включающих потери в стали якоря ?P_ст и механические потери P_мех (трение в подшипниках, вентиляционные и т.д.)

 P₂= P_эм— ?P_o = P_эм — (?P_c — ?P_мех)

Полезная мощность P₂ обозначается на заводском щитке машины.

Аналогично происходит энергетический процесс в двигателях других типов.

Уравнение равновесия моментов.

Уравнение вращающих моментов в установившемся режиме можно получить, разделив все члены равенства на W (угловую скорость вращения двигателя)

где М₂ — момент сопротивления рабочего механизма; М_о-момент холостого хода.

Вращающий электромагнитный момент равен

Таким образом, вращающий электромагнитный момент расходуется на уравновешивание двух тормозящих моментов:

— момента сопротивления рабочего механизма М₂  ;

— момента холостого хода М_о, соответствующего потерям Р_о=Р_с+Р_мх.

Момент М₂ называется полезным моментом, т.к. он соответствует полезной мощности двигателя Р₂. В неустановившемся режиме скорость двигателя изменяется и на его валу возникает динамический момент. Уравнение равновесия мо­ментов в таких режимах приобретает вид

где М_ст =М₂ +М_о -статический момент сопротивления;

— динамический момент.

В зависимости от того, уменьшается или увеличивается частота вращения двигателя, динамический момент может быть отрицательным или положительным, т.е. в переходных режимах на валу двигателя создается момент М_j, который препятствует изменению скорости вращения двигателя и механизма. В установившемся режиме динамический момент М_j=0.

Характеристики двигателей постоянного тока.

Рабочие свойства электродвигателей постоянного тока оцениваются следующими характеристиками:

1. Пусковые характеристики, которые оценивают пусковые свойства электродвигателя. К ним относятся:

— кратность пускового тока; где I_ап — пусковой ток ;  I_ан— номинальный ток нагрузки;

 

— кратность пускового момента; где М_п=с_мI_апФ_п;

 

— t_п -время пуска;

— экономичность пуска (стоимость пусковой аппаратуры, пусковые потери).

2. Рабочие характеристики, под которыми понимают зависимости n, M и h от полезной мощности P₂ или тока якоря I_a при постоянных значениях напряжения U_с, сопротивления цепи якоря ?rи сопротивления цепи возбуждения r_в. Зависимость n=f(P₂) называют скоростной характеристикой, зависимость М=f(P₂)- моментной характеристикой.

3. Механическая характеристика, представляющая собой зависимость n=f(M) при постоянных значениях U_н, r_а, r_в.

4. Регулировочные характеристики, к которым относятся:

— диапазон регулирования скорости n_max/n_min;

— экономичность регулирования (потери, стоимость аппаратуры);

— характер регулирования (плавность);

— простота, надежность и компактность регулировочной аппаратуры.