Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электромеханическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением

Электромеханическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением

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.

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.

— 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 ном , когда магнитная система ненасыщенна, Ф=к ф I 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).

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 С 4 — постоянная.

При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р 2 , а, следовательно, мощность Р 1 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 n 0 имеет конечное значение.

Рис.4.15. Механические характеристики двигателя со смешанным возбуждением

Электромеханическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением

Рис. 7. Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Для построения механической характеристики двигателя параллельного возбуждения достаточно иметь две ее точки, так как характеристика имеет вид прямой линии (прямолинейна).

На рис. 8 приведены естественные и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Рис. 8. Механические характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
1 — естественная; 2 — искусственные при различных потоках возбуждения; 3 — искусственные при различных напряжениях; 4 — искусственные при различных сопротивлениях в цепи якоря

Искусственные механические характеристики, получаемые за счет изменения магнитного потока Ф или подводимого напряжения U (рис. 8, прямые 2 и 3), являются жесткими характеристиками, а получаемые за счет изменения сопротивления якорной цепи R — мягкими характеристиками (рис. 8, прямая 4).

Реверсирование вращения двигателя постоянного тока осуществляется изменением направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения. Переключение обмотки возбуждения практикуется реже, так как вследствие ее индуктивности время торможения возрастает по сравнению с переключением обмотки якоря.

Скоростные и механические характеристики, соответствующие условиям задачи, представлены на рис. 9.

Рис. 9. Естественная и искусственные скоростные (а) и механические (б) характеристики двигателя параллельного -возбуждения (к примеру 2)

В современных электроприводах часто возникает необходимость останавливать производственный механизм или изменять направление его движения. Эти операции можно осуществлять переводом электродвигателя в тормозной режим работы по одной из механических характеристик, отвечающих выбранному способу электрического торможения. Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением для различных режимов работы представлены на рис. 10.

Рис. 10. Механические характеристики двигателя с параллельным возбужденней при различных режимах работы

В этом режиме ток и момент на валу двигателя отрицательны. Рассматриваемый тормйзной режим работы электродвигателя создается автоматически, без каких-либо переключений в нормальной схеме, если ток возбуждения увеличивается или скорость вращения двигателя повышается сверх возможной скорости п0. В этом случае электрическая машина работает как генератор, отдавая электрическую энергию в сеть. Развиваемый машиной тормозной момент уравновешивается движущим моментом, приложенным к валу. Этот способ торможения применяется в крановых и других установках при спуске груза. Генераторное торможение в электроприводах с частыми пусками и остановками является весьма экономичным, поскольку оно сопровождается отдачей электроэнергии в сеть.

Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть.

Механические характеристики машины в режиме генераторного торможения с отдачей энергии в сеть являются естественным продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II (см. рис. 10).

Генераторное торможение при замыкании якоря машины на сопротивление (динамическое торможение).

Механические характеристики машины в рассматриваемом режиме проходят через начало координат, располагаясь в квадранте II (см. рис. 10), так как при положительном значении скорости вращения ток и момент отрицательны по знаку. Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи. В режиме динамического торможения машина работает генератором за счет кинетической энергии, накопленной во вращающихся инерционных массах электропривода и производственного механизма.

Схема включения двигателя, позволяющая перевести его в режим динамического торможения, приведена на рис. 11. Для осуществления торможения якорь двигателя необходимо отключить от сети контактором К и замкнуть его на сопротивление Rn контактором КТ. Обмотка возбуждения при этом остается включенной в сет‘ь так же, как и в двигательном режиме. Якорь двигателя, как уже указывалось, будет продолжать вращаться за счет кинетической энергии, запасенной в движущихся частях привода. Возникающая при этом э. д. с. ея вызовет ток в цепи якоря. Направление э. д. с. сохранится то же, что и в двигательном режиме, а ток и момент двигателя изменят свое направление. Двигатель будет развивать тормозной момент, направленный против движения. Под его воздействием произойдет быстрая остановка двигателя и связанных с ним вращающихся частей механизма.

Торможение прогивовключением. Механические характеристики двигателя в рассматриваемом режиме являются продолжением в квадрант IV механических характеристик двигательного режима (см. рис. 10).

Режим противовключения имеет место, когда момент на валу от груза (в подъемных механизмах) оказывается больше предельного момента, который может развивать электродвигатель в двигательном ‘режиме. В этом случае груз под действием своего веса начнет опускаться, что приведет к вращению электродвигателя в сторону’, противоположную той, которая определяется полярностью приложенного напряжения при данном включении обмоток. Направление тока при этом остается неизменным, т. е. таким же, что и в двигательном режиме; момент двигателя также сохраняет свой знак, но по отношению к новому установившемуся движению он будет являться тормозным.

Читать еще:  Греется двигатель при включенном кондиционере причины

Рис. 11. Схема включения двигателя при динамическом торможении

Величина тока в режиме противовключения больше, чем в двигательном режиме, поэтому и величина момента, развиваемая двигателем при торможении противо-включением, также увеличивается.

Режим противовключения часто используется в электроприводах для быстрого изменения направления их вращения—реверсирования.

Тормозной режим работы двигателя противовключе-нием может быть использован и для быстрой остановки производственного механизма. Для этого надо изменить полярность напряжения на зажимах обмотки якоря. Схема включения двигателя при торможении противовключением представлена на рис. 12. До перехода в режим противовключения якорь двигателя подключен к сети контактором КВ. Для осуществления торможения якорь двигателя отключается от сети этим контактором и снова включается в сеть контактором КН. При этом изменяется полярность напряжения на обмотке якоря и направление тока в нем. Двигатель создает тормозной момент и начинает останавливаться. Ограничение тока якоря в тормозном режиме производится путем включения добавочного сопротивления RB в цепь якоря. Переключение двигателя с помощью контакторов происходит автоматически, и скорость вращения двигателя за время переключения практически не изменяется.

Рис. 12. Схема включения двигателя при торможении противовключением

Следует иметь в виду, что если якорь двигателя не будет отключен от сети при скорости, близкой к нулю, то в соответствии со схемой включения двигателя начнется разбег его в обратном направлении.

При торможении противовключением двигатель Не только преобразует кинетическую энергию, запасенную в движущихся частях, в электрическую, но и потребляет энергию из сети. Энергия затрачивается (теряется) на нагрев сопротивлений в цепи якоря.

Из последнего равенства следует, что между моментом электродвигателя с последовательным возбуждением и его скоростью в области небольших нагрузок (ненасыщенная магнитная цепь) существует гиперболическая зависимость.

Механические характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением при различных режимах работы приведены на рис. 14.

2. Электродвигатели с последовательным возбуждением

На рис. 13 приведена схема включения двигателя последовательного возбуждения.

Уравнение скоростной характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением то же, что и для электродвигателя с параллельным возбуждением.

Поскольку магнитный поток пропорционален величине тока, можно, подставляя в формулу значение из равенства, получить путем преобразований выражение механической характеристики для двигателя с последовательным возбуждением:

Рис. 13. Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Рис. 14. Механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением при различных режимах работы

Анализ характера механической характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением позволяет сделать следующие выводы:
а) при нагрузках ниже 20—25% номинальной работа электродвигателя на естественной характеристике практически недопустима из-за чрезмерного увеличения скорости вращения якоря (рис. 14, кривая 1);
б) с увеличением дополнительного сопротивления в цепи якоря жесткость механической характеристики уменьшается и она смещается вниз (рис. 14, кривая 2);
в) кривая механической характеристики асимптотически, как это следует из рис. 14, приближается к оси ординат, не пересекаясь с ней, из чего следует, что повышением скорости вращения нельзя перевести электродвигатель с последовательным возбуждением в генераторный режим работы с отдачей энергии в сеть (как это возможно у машины с параллельным возбуждением).

Для торможения машины с последовательным возбуждением обычно применяют противовключение или динамическое торможение.

При торможении противовключением механические характеристики являются продолжением характеристик двигательного режима в область отрицательной скорости. При этом в цепь двигателя вводится дополнительное сопротивление для ограничения тока. Двигатель с последовательным возбуждением работает в режиме противовключения при перемене полярности якоря. В обмотке возбуждения направление тока должно оставаться неизменным.

При динамическом торможении механические характеристики двигателя расположены в квадранте II. Тормозной момент в режиме динамического торможения при самовозбуждении уменьшается со снижением скорости машины.

Более эффективным является динамическое торможение с независимым возбуждением. В этом случае обмотка якоря отключается от сети и замыкается на внешнее сопротивление, а обмотка возбуждения подсоединяется к сети через дополнительное сопротивление. Поскольку в последнем случае двигатель работает генератором с независимым возбуждением, его характеристики подобны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением при динамическом торможении. Эти характеристики прямолинейны и все пересекаются в начале координат, обладая большей жесткостью при меньших сопротивлениях.

Рис. 15. Схема включения двигателя в режиме динамического торможения при независимом питании обмотки возбуждения от сети

На рис. 15 приведена схема включения двигателя в режиме динамического торможения при независимом питании обмотки возбуждения от сети,

Двигатели постоянного тока, как обладающие большим пусковым моментом и выдерживающие значительные кратковременные перегрузки, нашли широкое применение в электроприводе крупных экскаваторов. К недостаткам применения двигателей постоянного тока относится необходимость установки преобразователей переменного тока в постоянный для питания этих двигателей.

3. Тяговые электрические двигатели, их особенности и конструкция

Какому двигателю отдать предпочтение?

В настоящее время наибольшее распространение получили электрические двигатели двух видов: переменного тока — трехфазные асинхронные и постоянного тока — коллекторные с различными способами возбуждения. Какой же из них лучше использовать на электровозе?

Двигатели, которые могут быть использованы как тяговые, должны удовлетворять, как минимум, двум требованиям. Прежде всего необходимо иметь возможность регулировать в широких пределах их частоту вращения, а следовательно, и скорость движения поезда. Это позволяет машинисту устанавливать ту или иную скорость в зависимости от состояния пути, указаний путевых сигналов, временных ограничений скорости и других причин. Кроме того, необходимо также иметь возможность регулировать в широком диапазоне силу тяги (вращающий момент). Так, двигатели электровоза должны обеспечивать значительную силу тяги во время трогания поезда, его разгона, при преодолении крутых подъемов и т. п. и снижать ее в более легких условиях движения.

С точки зрения организации движения, казалось бы, желательно, чтобы поезда независимо от изменения сопротивления движению перемещались с постоянной скоростью или эта скорость снижалась бы незначительно. В этом случае зависимость между силой тяги F и скоростью движения υ представляла бы в прямоугольных осях координат вертикальную прямую линию 1, параллельную оси F, или слегка наклонную линию 2 (рис. 12, а). Зависимость между силой тяги, развиваемой двигателями локомотива, и скоростью его движения в науке о тяге поезда называют тяговой характеристикой и представляют ее графически, как показано на рис. 12, или в виде таблиц.


Рис. 12. Жесткая (а) и мягкая (б) тяговые характеристики

Изображенные на рис. 12, а тяговые характеристики являются жесткими. В случае жесткой характеристики мощность, потребляемая двигателями, например на крутых подъемах, возрастает пропорционально увеличению силы тяги (произведение υ1F1 значительно меньше υ2F2, рис. 12, а). Резкое увеличение потребляемой мощности приводит к необходимости повышения мощности — как самих двигателей, так и тяговых подстанций, увеличения сечения контактной подвески, что связано с затратами денежных средств и дефицитных материалов. Избежать этого можно, обеспечив характеристику двигателя, при которой с увеличением сопротивления движению поезда автоматически снижалась бы его скорость, т. е. так называемую мягкую характеристику (рис. 12, б). Она имеет вид кривой, называемой гиперболой. Двигатель с такой тяговой характеристикой работал бы при неизменной мощности (υ1F1 = υ2F2). Однако при движении тяжелых составов на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда перемещались бы с очень низкой скоростью, тем самым резко ограничивая пропускную способность участка железной дороги. Примерно такой характеристикой обладают тепловозы, так как мощность их тяговых двигателей ограничена мощностью дизеля. Это относится и к паровой тяге, при которой мощность ограничивается производительностью котла.

Мощность, развиваемая тяговыми двигателями электровоза, практически не ограничена мощностью источника энергии. Ведь электровоз черпает энергию через контактную сеть и тяговые подстанции от энергосистем, обычно обладающих мощностями, несоизмеримо большими мощности электровозов. Поэтому при создании тяговых двигателей электровозов стремятся получить характеристику, показанную на рис. 12, б штриховой линией. Электровоз, оборудованный двигателями с такой характеристикой, может развивать значительную силу тяги при сравнительно высокой скорости. Конечно, мощность, потребляемая тяговыми двигателями в условиях высоких скоростей, повышается (υ2‘F2 несколько больше υ2F2, но это не приводит к резким перегрузкам питающей системы.

Трехфазные асинхронные двигатели самые распространенные. Достоинства их трудно переоценить: простота устройства и обслуживания, высокая надежность, низкая стоимость, несложный пуск. Но, как известно, частота вращения асинхронного двигателя почти постоянна, не зависит от нагрузки; она определяется частотой подводимого тока и числом пар полюсов двигателя. Поэтому регулировать частоту вращения таких двигателей, а следовательно, и скорость движения поездов можно только изменением частоты питающего тока и числа пар полюсов, что трудно осуществить. Кроме того, как уже отмечалось выше, для питания таких двигателей требуется устраивать сложную контактную сеть. Поэтому асинхронные двигатели до недавнего времени почти не применяли на электровозах.

Читать еще:  Чтобы холодный двигатель заводился с первого раза

Благодаря развитию полупроводниковой техники оказалось возможным создать преобразователи однофазного переменного тока в переменный трехфазный и регулировать их частоту. Это позволило построить электровозы, на которых в качестве тяговых используются трехфазные асинхронные двигатели. Подробнее о таких электровозах будет рассказано ниже. Отметим, что абсолютно жесткой характеристикой (см. рис. 12, а) обладает синхронный двигатель.

Посмотрим, в какой степени отвечают требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям, электрические машины постоянного тока. Напомним, что эти машины — генераторы и двигатели — различаются по способу их возбуждения.

Обмотки возбуждения могут быть включены параллельно обмотке якоря (рис. 13, а) и последовательно с ней (рис. 13, б). Соответственно такие двигатели называют двигателями с параллельным возбуждением (устаревшее название — шунтовые) и последовательным (сериесные). Используют также двигатели, у которых имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная, т. е. смешанное возбуждение. Их так и называют: двигатели смешанного возбуждения. Если обмотки включены согласно, т. е. создаваемые ими магнитные потоки складываются (рис. 13, в), то такие двигатели называют двигателями согласного возбуждения (компаундные); если потоки вычитаются, то имеем двигатели встречного возбуждения (противокомпаундные). Применяют и независимое возбуждение: обмотка возбуждения питается от постороннего источника энергии (рис. 13, г).


Рис. 13. Схемы, поясняющие способы возбуждения двигателей постоянного тока

Чтобы оценить возможности регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока, напомним, что при вращении в магнитном поле проводников обмотки якоря двигателя в них индуктируется электродвижущая сила (э. д. с). Направление э. д. с. определяют, пользуясь известным правилом правой руки. Ток, проходящий по проводникам якоря от источника энергии, направлен навстречу индуктируемой э. д. с., и поэтому ее применительно к двигателям называют иногда противо- э. д. с. Следовательно, напряжение U, приложенное к якорю двигателя, в любое мгновение должно быть больше индуктируемой в его обмотке суммарной э. д. с. Е. На основании закона равновесия электродвижущих сил можно написать:

где I — ток якоря; r — сопротивление обмотки якоря.

Значение э. д. с. Е пропорционально значениям магнитного потока и скорости, с которой проводники пересекают магнитные силовые линии, т. е.

где с — коэффициент, учитывающий параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т. п.) и размерности величин, входящих в формулу; Ф — магнитный поток; n — частота вращения якоря двигателя.

Формула (2) определяет зависимость между частотой вращения и током якоря при постоянном значении приложенного напряжения. Сопротивление обмотки якоря невелико и составляет обычно несколько сотых долей ома. Поэтому без ощутимой ошибки можно считать, что n ≈ U: (сФ). Следовательно, частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать, изменяя подводимое к ним напряжение (прямая пропорциональность) или магнитный поток возбуждения (обратная пропорциональность). Оба способа регулирования частоты вращения применяются на электровозах.

Установим, как зависит вращающий момент от тока якоря. Если подключить проводники обмотки якоря двигателя к электрической сети, то проходящий по ним ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создаст силы, действующие на каждый проводник с током. В результате совместного действия этих сил создается вращающий момент М, пропорциональный току якоря и магнитному потоку полюсов Ф, т. е.

где см — коэффициент, который учитывает размерность величин, входящих в формулу, число проводников обмотки якоря и другие параметры двигателя.

Из формулы (3) видно, что вращающий момент не зависит от подведенного напряжения.

Чтобы построить тяговую характеристику двигателя постоянного тока, необходимо установить, как изменяются частота вращения n и момент М в зависимости от тока при разных способах возбуждения двигателей. С увеличением нагрузки двигателей, например в случае преодоления подъема при неизменном напряжении U, будет возрастать и ток якоря, так как, чтобы преодолеть дополнительную нагрузку, двигатель должен развивать большую силу тяги, а следовательно, и мощность (как известно, Р = UI).

Для двигателей с параллельным возбуждением можно считать, что ток возбуждения не изменяется с изменением нагрузки. Следовательно, не изменяется и магнитный поток * . Так как сопротивление r обмотки, как уже отмечалось, невелико, то в соответствии с формулой (1) будет незначительно, возрастать произведение Ir при постоянных U и Ф. Это значит, что частота вращения двигателя с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки несколько уменьшается (рис. 14, а), а вращающий момент возрастает пропорционально увеличению тока, что графически изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

* ( В действительности магнитный поток немного уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря.)


Рис. 14. Электромеханические характеристики двигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением

Примерно такие же характеристики будут иметь двигатели с независимым возбуждением, если не изменяется ток возбуждения.

Рассмотрим те же характеристики для двигателя с последовательным возбуждением (см. рис. 13, б). У такого двигателя магнитный поток зависит от нагрузки, так как по обмотке возбуждения проходит ток якоря. Частота вращения якоря, как видно из формулы (2), обратно пропорциональна потоку и при увеличении тока якоря I, а значит, и магнитного потока Ф резко уменьшается (рис. 14, б). Вращающий момент двигателя, наоборот, резко возрастает, так как одновременно увеличиваются ток якоря и зависящий от него магнитный поток возбуждения.

В случае небольших нагрузок магнитный поток возрастает пропорционально току, а вращающий момент, как это следует из формулы (3), пропорционально квадрату тока якоря. Если нагрузка увеличится значительно, ток двигателя возрастет до такой степени, что наступит насыщение его магнитной системы. Это приведет к тому, что частота вращения двигателя будет снижаться уже в меньшей степени. Но тогда начнет более интенсивно возрастать ток, а значит, и потребляемая из сети мощность. При этом скорость движения поезда несколько стабилизируется.

Зависимость частоты вращения n, а также зависимость вращающего момента М от тока якоря I и коэффициента полезного действия η называют электромеханическими характеристиками на валу тягового двигателя при неизменном напряжении U, подводимом к тяговому двигателю.

По электромеханическим характеристикам двигателя можно построить его тяговую характеристику. Для этого берут ряд значений тока и определяют по характеристикам соответствующие им частоту вращения и вращающий момент двигателя. По частоте вращения несложно подсчитать скорость движения поезда, так как известны передаточное число редуктора и диаметр круга катания колесной пары. Зная вращающий момент, подсчитывают силу тяги, развиваемую одной, а затем и всеми колесными парами электровоза. По полученным данным строят тяговую характеристику. Но и без этого построения очевидно, что двигатель с последовательным возбуждением имеет мягкую характеристику. Поэтому на электрических железных дорогах в качестве тяговых в подавляющем большинстве случаев используют двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Тяговые двигатели последовательного возбуждения имеют и другие преимущества по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Так, при постройке тяговых двигателей устанавливают допуски на точность изготовления, на химический состав материалов для двигателей и т. п. Создать двигатели с абсолютно одинаковыми характеристиками практически невозможно. Вследствие различия характеристик тяговые двигатели, установленные на одном электровозе, при работе воспринимают неравные нагрузки. Более равномерно нагрузки распределяются между тяговыми двигателями последовательного возбуждения, из-за того что они имеют мягкую тяговую характеристику.

Таким образом, мы отметили ряд преимуществ, обеспечиваемых мягкой характеристикой двигателя последовательного возбуждения. С еще одним важным преимуществом такой характеристики мы познакомимся при описании пуска тяговых двигателей. Как видим, двигатели последовательного возбуждения обладают множеством положительных свойств. Но они имеют и весьма существенный недостаток — электровозы с двигателями последовательного возбуждения склонны к боксованию, иногда переходящему в разносное. Этот недостаток особенно резко проявился после того, когда масса поезда стала ограничиваться не мощностью тяговых двигателей, а расчетным коэффициентом сцепления. Жесткая характеристика в значительно большей мере способствует прекращению боксования, так как в этом случае сила тяги резко снижается даже при небольшом скольжении и имеется больше шансов на восстановление сцепления. К недостаткам тяговых двигателей последовательного возбуждения относится также то, что эти двигатели не могут автоматически переходить в режим электрического торможения.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

  • Основные параметры электродвигателя постоянного тока
  • Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Читать еще:  Шевроле авео вибрация двигателя на холостом ходу

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

    Преимущества:
  • лучшее соотношение цена/качество
  • высокий момент на низких оборотах
  • быстрый отклик на изменение напряжения
    Недостатки:
  • постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

    По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
  • независимого возбуждения
  • последовательного возбуждения
  • параллельного возбуждения
  • смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

    Преимущества:
  • практически постоянный момент на низких оборотах
  • хорошие регулировочные свойства
  • отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)
    Недостатки:
  • дороже КДПТ ПМ
  • двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв = Iа), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа &lt Iном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

Iа), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

,

  • где M – момент электродвигателя, Н∙м,
  • сМ – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
  • Ф – основной магнитный поток, Вб,
  • Ia – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током Iа и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом Iа практически не увеличивается. График зависимости M=f(Ia) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

    Преимущества:
  • высокий момент на низких оборотах
  • отсутствие потерь магнетизма со временем
    Недостатки:
  • низкий момент на высоких оборотах
  • дороже КДПТ ПМ
  • плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
  • двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

    Преимущества:
  • хорошие регулировочные свойства
  • высокий момент на низких оборотах
  • менее вероятен выход из под контроля
  • отсутствие потерь магнетизма со временем
    Недостатки:
  • дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

,

  • где Z — суммарное число проводников,
  • Ф – магнитный поток, Вб [1]
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector