Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

шаться. Но при этом будет уменьшаться также Е

, ток 1

[см. выра-

жение (10-5)] и момент М [см. выражение (10-8)] начнут увеличи-

ваться, причем это будет происходить до тех пор, пока снова не

наступит равновесие моментов М — М„. Аналогичным образом

изменяется также режим, если М

ст

уменьшится, причем в этом слу-

чае п и Е

начнут увеличиваться, а /„ и М — уменьшаться до тех

пор, пока снова будет М = Af

и М

дин

= 0.

Допустим теперь, что с помощью реостата R

p в

(см. рис. 10-2)

произведено уменьшение i

. При этом Ф

будет уменьшаться, однако

вследствие механической инерции ротора

скорость п в первый момент не изме-

нится. Тогда, согласно выражению (10-6),

уменьшится, а вследствие этого /

и М возрастут [см. выражения (10-5)

и (10-8)]. При этом будет М > М

ст

в соответствии с равенством (Ю-2)

ЛЯдин > 0. и скорость п начнет увели-

чиваться. Это вызовет, согласно тем же

соотношениям, увеличение Е

и умень-

шение /„ и М до тех пор, пока снова

не наступит равновесие моментов М =

= М„ и М

лнв

= 0 (рис. 10-5). При уве-

личении i

явления развиваются в обрат-

ном направлении. Необходимо отметить,

что резких изменений

при регулировании допускать нельзя, так как

U и Е

[см. выражение

(10-5)1

являются близкими величинами и не-

большое изменение Фв и Е

ведет к большим изменениям 1

и М.

Аналогичным образом происходит переход к новому режиму

при изменении других внешних условий (например, введение сопро-

тивления в цепь якоря и т. д.), а также в двигателях с другими

способами возбуждения.

Из изложенного следует, что поведение двигателя при устано-

вившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы

всецело определяется уравнениями равновесия моментов (10-2)

и напряжения цепи якоря (10-4).

§ 10-4. Двигатели параллельного возбуждения

Естественные скоростная и механическая характеристики. Рас-

смотрим более подробно характеристики двигателя параллельного

возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя опре-

деляются равенствами (10-7) и (10-9) при U = const и i

= const.

При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря

ти характеристики называются естественными.

параллельного возбуждения

к новому режиму работы при

уменьшении потока

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увели-

чении /„ поток Фд несколько уменьшится вследствие действия

поперечной реакции якоря. В результате этого скорость п, согласно

выражению (Ю-7), будет стремиться возрасти. С другой стороны,

падение напряжения R

вызывает уменьшение скорости. Таким

образом, возможны три вида скоростной характеристики, изобра-

женные на рис. 10-6; 1 — при преобладании влияния R

\ 2 —

при взаимной компенсации влияния R

уменьшения Ф

; 3 —

при преобладании влияния уменьшения Ф

Ввиду того что изменение Фв относительно мало, механические

характеристики п = f (М) двигателя параллельного в'озбуждения,

определяемые равенством (10-9), при

U = const и £

= const совпадают по виду

с характеристиками п = f (1

) (рис. 10-6).

По этой же причине эти характеристики

практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 (рис. 10-6)

неприемлемы по условиям устойчивости

работы (см. § 10-3). Поэтому двигатели

параллельного возбуждения изготовля-

ются со слегка падающими характери-

стиками вида 1 (рис. 10-6). В современ-

ных высокоиспользованных машинах

ввиду довольно сильного насыщения зуб-

цов якоря влияние поперечной реакции

якоря может быть настолько большим,

что получить характеристику вида 1 (рис. 10-6) невозможно.

Тогда для получения такой характеристики на полюсах поме-

щают слабую последовательную обмотку возбуждения соглас-

ного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. па-

раллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф

под

воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью

компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения

называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой

по-прежнему называется двигателем параллельного возбуж-

дения.

Изменение скорости вращения An (рис. 10-6) при переходе от

холостого хода (1

= 1

а0

) к номинальной нагрузке (1

= 1

ав

)

у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной

характеристике мало и составляет 2—8% от п

. Такие слабо падаю-

щие характеристики называются жесткими. Двигатели параллель-

ного возбуждения с жесткими характеристиками применяются

в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при

изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (ме-

таллорежущие станки и пр.).

Рис. 10-6. Виды естественных

скоростных и механических

характеристик двигателя па-

раллельного возбуждения

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного

потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбужде-

ния R

p в

(см. рис. 9-1, б; 10-2). При отсутствии добавочного сопро-

тивления в цепи якоря (R

= 0) и U = const характеристики

п = f (I

) и п = / (М), определяемые равенствами (10-7) и (10-9),

для разных значений R

, i

или Фв имеют вид, показанный ла

рис. 10-7. Все характеристики п = f (I

) сходятся на оси абсцисс

(п = 0) в общей точке при весьма большом токе 1

, который, со-

гласно выражению (10-5), равен

Ia=U/Ra-

Однако механические характери-

стики пересекают ось абсцисс в раз-

ных точках.

Нижняя характеристика на рис.

10-7 соответствует номинальному по-

току. Значения п прй установившемся

режиме работы соответствуют точкам

пересечения рассматриваемых харак-

теристик с кривой М

сг

= f (п) для

рабочей машины, соединенной с дви-

гателем (штриховая линия на рис.

10-7).

Точка холостого хода двигателя

(М = М

, 1

= /до) лежит несколько

правее оси ординат на рис. 10-7. С увеличением скорости вра-

щения п Вследствие увеличения механическйх потерь М„ и 1

также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложен-

ного давне момента вращения начать увеличивать скорость вра-

щения п, то Е

[см. выражение (10-6)1 будет увеличиваться, а 1

и М будут, согласно равенствам (10-5) и (10-8), уменьшаться. При

= 0 и М = 0 механические и магнитные потери двигателя покры-

ваются за счет подводимой к валу мехнической мощности, а при

дальнейшем увеличении скорости /

и М изменят знак и двигатель

перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик

на рис. 10-7 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям ком-

мутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2.

Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким

способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для

ограничения максимального напряжения меэду коллекторными

пластинами (см. § 5-3) необходимо увеличить воздушный зазор,

регулировать поток по отдельным группам полюсов (см. § 10-3)

или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя

при этом увеличивается.

Ф, <Ф

/ /

Генера-

тор

j J( ДШатеяь

Щ1ао) №„)

Рис. 10-7. Механические и ско-

ростные характеристики двига-

теля параллельного возбужде-

ния при разных потоках воз-

буждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искус-

ственные механическая и скоростная характеристики. Если после-

довательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R^

(рис. 10-8, а), то вместо выражений (10-7) и (10-9) получим

l/-(*.+*pJ/._.

(1(М6)

п =

"с

(10-17)

% '

Сопротивление R

может быть регулируемым и должно быть

рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть

включена на напряжение сети.

Рис. 10-8. Схема регулирования скорости вращения дви-

гателя параллельного возбуждения с помощью сопроти-

вления в цепи якоря (а) и соответствующие механиче-

ские и скоростные характеристики (б)

Характеристики п = f (М) и п = f (I

) для различных значений

= const при U = const и i

= const изображены на рис. 10-8, б

(Rpal < Rpal < Rpa

)- Верхняя характеристика (R

= 0) является

естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс

(я = 0) в точке с

/„ = Ч.

ФеЦ

Ra + Rpa Ra + Rpa

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10-8

соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом

случае п < 0, э. д. с. Е

имеет противоположный знак и склады-

вается с-напряжением сети U, вследствие чего

j и+Е

pa '

а момент двигателя М действует против направления вращения

и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (/

= /

о0

) с помощью приложен-

ного извне момента вращения начать увеличивать скорость враще-

ния, то сначала достигается режим /

= 0, а затем 1

изменйт на-

правление и машина перейдет в режим генератора (участки характе-

ристик на рис. 10-8, б слева от оси ординат).

Как видно из рис. 10-8, б, при включении R

характеристики

становятся менее жесткими, а при больших величинах R

— круто

падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления М

ст

= f (п) имеет вид,

изображенный на рис. 10-8, б штриховой линией, то значения п

при установившемся режиме работы для каждого значения R

Рис 10-9 Схема агрегата «генератор—двигатель» для

регулирования скорости двигателя независимого воз-

буждения

определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем

больше R

, тем меньше п и ниже к. п. д.

Регулирование скорости посредством изменения напряжения

якоря может осуществляться с помощью агревета «генератор—двига-

тель» (Г — Д), называемого также агрегатом Леонарда (рис. 10-9).

В этом случае первичный двигатель ПД (переменного тока, внут-

реннего сгорания ит. п.) вращает с постоянной скоростью генератор

постоянного тока Г. Якорь генератора непосредственно приключен

к якорю двигателя постоянного тока Д, который служит приводом

рабочей машины РМ. Обмотки возбуждения генератора ОВГ и

двигателя ОВД питаются от независимого источника — сети по-

стоянного тока (рис. 10-9) или от возбудителей (небольших генера-

торов постоянного тока) на валу первичного двигателя ПД. Регу-

лирование тока возбуждения генератора i

B г

должно производиться

практически от нуля (на рис. 10-9 с помощью реостата, включен-

ного по потенциометрической схеме). При необходимости реверси-

рования двигателя надо изменить полярность генератора (на рис, 10-9

с помощью переключателя Я).

Пуск двигателя Д и регулирование его скорости осуществляют

следующим образом. При максимальном t

B д

и i

B г

= О производят

пуск первичного двигателя ПД. Затем плавно увеличивают i

B г

, и

при небольшом напряжении генератора U двигатель Д придет во

вращение. Регулируя, далее, U в пределах до V =; t/

, можно

получить Любые скорости вращения двигателя до п = п

. Дальней-

шее увеличение п возможно путем уменьшения i

B д

. Для реверсиро-

вания двигателя уменьшают i

B г

до нуля, переключают ОВГ и

снова увеличивают i

от значения /

в г

= 0.

Когда рабочая машина создает резко пульсирующую нагрузку

(например, некоторые прокатные станы) и нежелательно, чтобы

пики нагрузки полностью передавались первичному двигателю

или в сеть переменного тока, двигатель Д можно снабдить маховиком

(агрегат Г—Д—М, или агрегат Леонарда — Ильгнера). В этом

случае при понижении п во время пика нагрузки часть этой нагрузки

покрывается за счет кинетической энергии маховика. Эффективность

действия маховика будет больше при более мягкой характеристике

двигателя ПД или Д.

В последнее время все чаще двигатель ПД и генератор Г замет

някуг ртутным или полупроводниковым выпрямителем с регулируе-

мый напряжением. В этом случае рассматриваемый агрегат назы-

вают также вентильным (ионным, тиристорным)'

itp й в о д о м.

Рассмотренные агрегаты используются при необходимости регу-

лирования скорости вращения двигателя с высоким к. п. д. в широ-

ких пределах — до

: 10 й более (крупные металлорежущие станки,

прокатные станы и т. д.).

Отметим, что изменение U с целью регулирования п по схеме

рис. 9-1, б и 10-8, а не дает желаемых результатов, так как одно-

временно с изменением напряжения цепи якоря изменяется про-

порционально U также ток возбуждения. Так как регулирование U

можно производить только от значения U = вниз, то вскоре

магнитная цепь окажется ненасыщенной, вследствие чего U и г

будут изменяться пропорционально друг другу. Согласно равенству

00-7), п при этом существенным образом не меняется.

В последнее время все больше распространяется так называемое

Й м я у-л ьсное регулирова в.и е двигателей постоянного

тока. При этом цепь якоря двигателя питается от источника по-

стоянного тока с постоянным напряжением через тиристоры,

«Oiopbie периодически, с частотой 1000—3000 гц включаются

отключаются. Чтобы сгладить npty этом кривую тока йкоря, на его

зажимах подключаются конденсаторы, Напряжение на зажимах

якоря в этом случае практически постоянно и пропорционально

орорце^ию времени включения тиристоров ко времени- продолжи-

тельиости всего цикла. Таким образом, импульсный метод позво-

кго»

ляет регулировать скорость вращения двигателя при его питании от

источника с постоянным напряжением в широких пределах без

реостата в цепи якоря и практически без дополнительных потерь.

Таким же образом, без пускового реостата и без дополнительных

потерь, может производиться пуск двигателя.

Импульсный способ регулирования в экономическом отношении

весьма выгоден для управления двигателями, работающими в ре-

жимах переменной скорости вра-

щения с частыми пусками, на-

пример на электрифицированном

транспорте.

Рабочие характеристики пред-

ставляют собой зависимости по-

требляемой-мощности

1г

потреб-

ляемого тока /, скорости л, мо-

мента М и к. п. д. т] от полезной

мощности Р

при U = const и

неизменных положениях регули-

рующих реостатов. Рабочие ха-

рактеристики двигателя парал-

лельного возбуждения малой

мощности при отсутствии доба-

вочного сопротивления в цепи

якоря представлены на рис. 10-10.

Одновременно с увеличением мощности на валу Р

растет и

момент на валу М. Поскольку с увеличением Р

и М скорость п

несколько уменьшается, то М = PJn растет несколько быстрее

. Увеличение Р

и М, естественно, сопровождается увеличением

тока двигателя /. Пропорционально / растет также потребляемая

из сети мощность Pi. При холостом ходе (Р

= 0) к. п. д. т| — 0,

затем с увеличением Р

сначала TJ быстро растет, но при больших

нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря т] снова

начинает уменьшаться.

12Р

,к1т

Рис. 10-10. Рабочие характеристики

двигателя параллельного возбуждения

= 10 кет, U

= 220 в, л

= 950 об!мин

§ 10-5. Двигатели последовательного возбуждения

Естественные скоростная и механическая характеристики, об-

ласть применения. В двигателях последовательного возбуждения

ток якоря одновременно является также током возбуждения:

'в = l

= I. Поэтому поток Ф

изменяется в широких пределах

и можно написать, что

= А

/. (Ю-18)

Коэффициент пропорциональности в значительном диапазоне

нагрузок, при I < /

, является практически постоянным, и лишь

при / > (0,8 ч- 0,9) /

вследствие насыщения магнитной цепи

начинает несколько уменьшаться.

При использовании соотношения (10-18) для двигателя последо-

вательного возбуждения вместо выражений (10-7), (10-9) и (10-8)

получим

= (

«ф I

П= U^ (10-20)

1 к

У М с

М = с

1* =

-р^. (10-21)

п.

Скоростная характеристика двигателя [см. выражение (10-19)],

представленная на рис. 10-11, является мягкой и имеет гиперболи-

ческий характер. При /г

= const вид

кривой п = / (/) показан штриховой

линией. При малых I скорость двига-

теля становится недопустимо большой.

Поэтому работа двигателей последова-

тельного возбуждения, за исключением

самых маленьких, на холостом ходу не

допускается, а использование ремен-

ной передачи неприемлемо. Обычно

минимально допустимая нагрузка Р

= (0,2 + 0,25)Р

Естественная механическая харак-

теристика двигателя последователь-

ного возбуждения п = / (М) в соот-

ветствии с соотношением (10-20) по-

казана на рис. 10-13 (кривая /).

Поскольку у двигателей параллельного возбуждения М ~ /,

а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно

М <~ Р и при пуске допускается I = (1,5 -г- 2,0) /

, то двигатели

последовательного возбуждения развивают значительно больший

пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного воз-

буждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения

п да const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно

выражениям (10-19) и (10-20), приблизительно (при R

— 0)

U U

Пг^ — .

i Ум

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения

= 0,М = 2ппМ~ М,

Рис I0-II. Естественная ско-

ростная характеристика дви-

гателя последовательного

возбуждения

а у двигателей последовательного возбуждения

Ръ

= 2ппМ~УМ.

Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения

при изменении момента нагрузки М„ = М в широких пределах

мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей парал-

лельного возбуждения.

Поэтому для двигателей последовательного возбуждения

менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели

последовательного возбуж-

дения имеют существенные

преимущества в случае тя-

желых условий пуска и из-

менения момента нагрузки

в широких пределах. Они

широко применяются для

электрической тяги (трам-

вай, метро, троллейбусы,

электровозы и тепловозы

на железных дорогах) и

в подъемно-транспортных

установках.

Отметим, что при повы-

шении скорости вращения дви-

гатель последовательного воз-

буждения в режим генератора

не переходит. На рис. 10-11

это отражено в том, что характеристика п = / (/) оси ординат не

пересекает. Физически это объясняется тем, что при переходе в ре-

жим генератора, при заданном направлении вращения и заданной

полярности напряжения, направление тока должно изменяться

на обратное, а направление э. д. с. Е

и полярность полюсов

должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении

направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому

для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим

генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.

Регулирование скорости посредством ослабления поля. Регули-

рование п посредством ослабления поля производится либо путем

шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением

К., (рис. 10-12, а), либо уменьшением числа включенных в работу

витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть пре-

дусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.

Так как сопротивление обмотки возбуждения R

и падение

напряжения на нем малы, то также должно быть мало. Потери

Рис. 10-12. Схемы регулирования скоро-

сти вращения двигателя последователь-

ного возбуждения посредством шунтиро-

вания обмотки возбуждения (а), шунти-

рования якоря (б) и включения сопроти-

вления в цепь якоря (в)

220 Машины постоянного тока [Разд. /

в сопротивлении R

m в

поэтому тоже малы, а суммарные потери на

возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие

этого к. п. д. двигателя остается высоким, и такой способ регулиро-

вания широко применяется на практике.

При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения

с величины / уменьшается до

+ I

и скорость п соответственно увеличивается. Выражения для ско-

ростной и механических характеристик при этом получим, если

в равенствах (10-19).и (10-20)

заменим й® на

где

Дв+Д

(ГО-22)

представляет собой коэффициент

ослабления возбуждения. При,

регулировании скорости измене-

нием числа витков обмотки воз-

буждения

'в раб

(10-23)

Ряс. 40-13. Механические характери-

стика двигателя последовательного

возбуждения при разных способах

регулирования скорости вращения

На рис. 10-13 показаны (кри-

вые 1, 2, 3) характеристики

п = f (М) для этого случая реч

гулирования скорости при не-

скольких значениях k

(значе-

нию k

0 B

= I соответствует есте-

ственная характеристика 1,

bp.* — 0,6 — кривая 2 и &

,в — 0,3 — кривая 3). Характеристики

даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда

кф const и R

=0,1.

Регулирование скорости путем шунтирования якоря. При шунти-

ровании якоря (рис. 10-12, 6) ток и поток возбуждения возрастаю*,

а ^скорость уменьшается. Так как падение напряжений R

I мало

и поэтому можно принять-» 0, то сопротивление R

правда

чески находится под полным напряжением сети, его величина*

должйа быть значительяой, потери в нем будут велики и к.й. д.

сильно уменьшится.

Кроме того, шунтирование якоря эффективно тояьКо тогда*

когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шуиТиройанМе

якоря на практике используется редко.