4.5. Двигатели постоянного тока

Так же как и генераторы, двигатели классифицируются по типу возбуждения: с параллельным (шунтовые), последовательным (сериесные) и смешанным (компаундные) возбуждением.

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме U>E, поэтому

В двигателе с параллельным возбуждением (рис. 4.13а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети.

а)

б)

Рис. 4.13. Схема двигателя с параллельным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от тока нагрузки. В этом случае механическая характеристика двигателя ω=f(M) будет линейной.

где

- скорость вращения при холостом ходе;

- уменьшение скорости, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Сумма сопротивлений () определяет наклон скоростной ω=f(I_a) и механической ω=f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления r_n указанные характеристики будут максимально жесткими. В этом случае они называются естественными характеристиками. При включении добавочного сопротивления r_n угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2,3,4, соответствующих различным значениям r_n (рис. 4.13б). Чем больше r_n , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче. Современные двигатели с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая передает механической характеристике необходимый угол наклона. НС этой обмотки при токе I_ном составляет до 10 % от НС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат r_р.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и тем самым его магнитный поток. Согласно выражению ω=f(Ф) при этом будет изменяться и скорость вращения двигателя. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу скорость двигателя резко возрастает (он идет в "разнос"). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь на коллекторе машины.

В двигателе с последовательным возбуждением (рис. 4.14а) ток возбуждения равен току якоря: I_в=I_а , поэтому магнитный поток Ф является функцией тока нагрузки I_а. Характер этой функции изменяется в зависимости от величины нагрузки. При I_a<(0,8...0,9) I_ном, когда магнитная система ненасыщенна, Ф=к_фI_а , причем коэффициент пропорциональности К_ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании нагрузки поток Ф растет медленнее, чем I_a , и при больших нагрузках (I_a>I_ном) можно считать, что Ф=const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n=f(I_a), M=f(I_a) (рис. 4.14б).

а)

б)

Рис.4.14. Схема двигателя с последовательным возбуждением (а) и зависимости его момента и скорости вращения от тока якоря (б)

Кроме естественных характеристик 1, можно путем включения добавочных сопротивлений r_n в цепь якоря получить семейство реостатных характеристик 2, 3, и 4. Чем больше величина r_n, тем ниже располагается характеристика.

При малых нагрузках скорость n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в "разнос"). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке. Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2...0,25) I_ном; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы при холостом ходе. Применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда имеет место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия труда.

При жесткой характеристике скорость вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность:

где С₄ - постоянная.

При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:

где - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂ , а, следовательно, мощность Р₁ и ток I_a изменяются у двигателей с последовательным возбуждением в меньших пределах, чем у двигателя с параллельным возбуждением, кроме того, они лучше переносят перегрузки.

В двигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения - параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением (рис. 4.15).

Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его скорость холостого хода n₀ имеет конечное значение.

Рис.4.15. Механические характеристики двигателя со смешанным возбуждением