Двигатели независимого и параллельного возбуждения

Уравнение механической характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения соответствует основному уравнению, т.к. между потоком Ф, напряжением питания и моментом нет дополнительных связей. Его можно преобразовать к виду , где - скорость холостого хода, а величина обратная жесткости характеристики . Жесткость механической характеристики является очень важным параметром, т.к. отражает изменение скорости двигателя при изменении нагрузочного момента. Если скорость постоянна при любом моменте, то характеристика называется абсолютно жесткой, если же она изменяется от до при постоянном моменте, то характеристика абсолютно мягкая.

Очевидно, что уравнение механической характеристики это уравнение прямой линии с коэффициентом наклона , пересекающей ось в точке холостого хода . Точку пересечения характеристики с осью момента, т.е. пусковой момент двигателя, найдем, положив , тогда . Таким образом, скорость холостого хода определяется только величиной магнитного потока и напряжением питания, а жесткость характеристики – сопротивлением цепи якоря и магнитным потоком. При номинальном потоке и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, жесткость характеристики двигателя параллельного возбуждения высокая и отклонение скорости от скорости холостого хода при номинальном моменте составляет 2-8%. Двигатели с такой жесткой характеристикой могут использоваться в приводе, где требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки оставалась практически постоянной.

Из уравнения механической характеристики следует, что управлять скоростью вращения можно изменением трех величин: магнитного потока Ф; напряжения питания якоря и добавочного сопротивления в цепи якоря , если в уравнении под понимать сопротивление всей цепи якоря, состоящей из последовательно включенного собственно якоря и добавочного сопротивления. Изменение любого из этих параметров будет вызывать изменение механической характеристики и соответственно скорости вращения двигателя. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Электрическая схема управления магнитным потоком двигателя приведена на рисунке (а). Изменение сопротивления в цепи возбуждения при постоянном напряжении якоря будет приводить изменению тока обмотки возбуждения и линейно связанного с ним магнитного потока главных полюсов Ф. Изменение магнитного потока может быть только в меньшую сторону, т.к. магнитная система двигателя насыщена и увеличение тока возбуждения будет только перенасыщать ее, не вызывая существенного возрастания потока. Уменьшение Ф (увеличение ) ведет к увеличению скорости холостого хода и уменьшению пускового момента, т.е. жесткость характеристики будет уменьшаться (рис (а)). Регулировочные характеристики строятся при условии постоянства момента. При нулевом моменте функция представляет собой гиперболу. Это означает что при малых токах возбуждения двигатель будет разгоняться до недопустимо больших скоростей. При ненулевых постоянных моментах нагрузки уменьшение магнитного потока будет приводит к увеличению тока якоря (), и соответствующему увеличению падения напряжения на . Скорость вращения при этому будет возрастать до момента, пока падение напряжения не станет равным . В этом режиме скорость вращения достигнет максимума и дальше будет уменьшаться. Увеличение момента нагрузки будет приводить к снижению максимальной скорости.

Изменение напряжения якоря (рис. (б)) также возможно только в сторону уменьшения, т.к. электрические машины по условию электрической прочности изоляции не рассчитаны на работу при повышенных напряжениях. Как следует из уравнения механической характеристики, уменьшение напряжения будет приводить к линейному уменьшению скорости холостого хода и пускового момента, т.е. жесткость характеристик при этом будет сохраняться. Регулировочные характеристики также будут линейны. Регулирование напряжением якоря обеспечивает полное плавное управление двигателем при скоростях нише номинальной с оптимальными характеристиками управления. В современных системах оно реализуется с помощью управляемых выпрямителей или широтно-импульсных преобразователей, позволяющих использовать все возможности двигателя при высоких энергетических показателях.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря (рис.(в)), позволяет изменять жесткость механической характеристики при сохранении скорости холостого хода, т.е. все искусственные характеристики пересекаются в точке холостого хода. Регулировочные характеристики также как при управлении напряжением якоря линейны, однако с изменением момента они меняют свой наклон, т.е. изменяется передаточная характеристика двигателя, что усложняет процесс управления. Кроме того, реостат в цепи якоря потребляет большую мощность, ухудшая энергетические показатели работы привода, поэтому этот способ управления в современных разработках не используется.

В заключение рассмотрим характеристики двигателя при одновременном уменьшении напряжения питания якоря и обмотки возбуждения, т.е. при их параллельном подключении к одному источнику питания. В этом случае магнитный поток можно представить через напряжение и сопротивление обмотки возбуждения в виде , где - коэффициент связи между током возбуждения и потоком. Подставляя это выражение в уравнение механической характеристики, получим

, где и - константы. Таким образом, механические характеристики при уменьшении напряжения качественно будут выглядеть так же, как при изменении сопротивления в цепи якоря, но уменьшение жесткости характеристик будет выражено существенно больше.