Схема дпт с независимым возбуждением. Возбуждение двигателя постоянного тока. Схемы возбуждения. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения

Наличие обмотки возбуждения (ОВ) у двигателя постоянного тока позволяет осуществлять различные схемы подключения. В зависимости от того как включена ОВ, различают двигатели с независимым возбуждением, с самовозбуждением, которое делится на последовательное, параллельное и смешанное.

Двигатель с независимым возбуждением

В ДПТ с независимым возбуждением обмотку возбуждения подключают к отдельному источнику питания (рис. 1). Это может быть связано с различными напряжениями возбуждение Uв и напряжения цепи якоря U. При данной схеме подключения ОВ не имеет электрической связи с обмоткой якоря. Для уменьшения потерь в ОВ, и создания необходимой МДС необходимо уменьшить ток возбуждения, увеличив число витков. Обмотку возбуждения выполняют из малого числа витков, так чтобы ток Iв составлял 2…5% от Iя. Выбор данной схемы возбуждения для двигателя зависит от свойств электропривода.

ДПТ с параллельным возбуждением

По сути, схема подключения ОВ с параллельным возбуждением(рис.2) аналогична схеме с независимым возбуждением. Свойства двигателя при подключении по обеим схемам одинаковы. Плюсом данного вида подключения является то, что отпадает необходимость в отдельном источнике питания.

ДПТ с последовательным возбуждением

При подключении по данной схеме ОВ соединена последовательно цепи якоря (рис.3), при этом ток якоря равен току возбуждения. В связи с этим ОВ изготавливают из провода толстого сечения. Данную схему используют, если требуется обеспечить большой пусковой момент. При уменьшении нагрузки на валу меньше 25% от номинальной, частота вращения резко увеличивается и достигает опасных для двигателя значений. Характеристика ДПТ с последовательным возбуждением “мягкая”.

ДПТ со смешанным возбуждением

ДПТ со смешанным возбуждением (рис.4) имеет две ОВ, одна из которых соединена последовательна, а другая параллельно якорной цепи. При согласном соединении обмоток с увеличением нагрузки на валу растёт магнитный поток, что приводит к уменьшению частоты вращения. При встречном соединении суммарный магнитный поток с увеличением нагрузки уменьшается, что приводит к резкому увеличению частоты вращения. Это приводит двигатель к нестабильному режиму работы, поэтому последовательную обмотку выполняют из малого числа витков, чтобы при увеличении нагрузки магнитный поток снижался незначительно, тем самым стабилизируя работу двигателя.

Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение U н =const.

Рис. 1 - Схема двигателя параллельного возбуждения

Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=I a +I в, ток возбуждения обычно равен I в =(0,03...0,04) I н. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения r в =const и якоря

Скоростная характеристика.

Зависимость n=f (I a) при U н =const и I в =const

Из уравнения ЭДС для электродвигателя

Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов - изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.

Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока I a уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.

На рис. 2 показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 - скоростная характеристика при преобладании влияния I a ∑r,кривая 2 - оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 - преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 2 - Характеристики двигателя параллельного возбуждения

Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.

Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.

Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно, где n o - частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений R рг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.

Моментная характеристика – это зависимость М=f (I a) при r в =const, U=U н и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно

имеем M эм = M 2 +M 0 = с м I a Ф. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока I a несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).

Характеристика КПД η=f (I a) снимается при U=U н, r в =const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Р н, достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Р н, а затем до Р=Р н остается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.

Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=U н, I в =const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя

Определив ток I а из выражения М = с е I a Ф и подставив это значение тока в выражение выше, получим

Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления R рг включенного в цепь якоря. При R рг =0 характеристика называется естественной.

Рис. 3 - Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения

Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения I в =0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.

Как и в случае генератора, обмотки индуктора и якоря двигателя могут быть соединены либо последовательно (рис.339), либо параллельно (рис.340). В первом случае двигатель называют двигателем с последовательным возбуждением (или сериесным двигателем), во втором – двигателем с параллельным возбуждением (или шунтовым двигателем). Применяются также двигатели со смешанным возбуждением (компаунд-двигатели), в которых часть обмоток индуктора соединена с якорем последовательно, а часть параллельно. Каждый из этих типов двигателей имеет свои особенности, делающие его применение целесообразным в одних случаях и нецелесообразным в других.

1. Двигатели с параллельным возбуждением. Схема включения в сеть двигателей этого типа показана на рис. 361. Так как здесь цепи якоря и индуктора не зависят друг от друга, то ток в них можно регулировать независимо при помощи отдельных реостатов, включенных в эти цепи. Реостат , включенный в цепь якоря, называют пусковым, а реостат , включенный в цепь индуктора, – регулировочным. При пуске в ход двигателя с параллельным возбуждением пусковой реостат должен быть обязательно полностью включен; по мере того как двигатель набирает частоту вращения, сопротивление реостата постепенно уменьшают и при достижении нормальной частоты вращения этот реостат выводится из цепи полностью. Двигатели с параллельным возбуждением, особенно значительной мощности, ни в коем случае нельзя включать без пускового реостата. Точно так же при выключении двигателя следует сначала постепенно ввести реостат и лишь после этого выключить рубильник, соединяющий двигатель с сетью.

Рис. 361. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением. Латунная дуга 1, по которой движется рычаг пускового реостата, через зажим 2 присоединена к концу регулировочного реостата, а через зажим 3 – к пусковому реостату. Это делается для того, чтобы при переводе пускового реостата на холостой контакт 4 и выключении тока цепь возбуждения не разрывалась

Нетрудно понять соображения, которыми вызваны эти правила включения и выключения двигателей. Мы видели (см. формулу (172.1)), что ток в якоре

,

где – напряжение сети, а - э. д. с., индуцированная в обмотках якоря. В первый момент, когда двигатель еще не успел раскрутиться и набрать достаточную частоту вращения, э. д. с. очень мала и ток через якорь приближенно равен

Сопротивление якоря обычно очень мало. Оно рассчитывается так, чтобы падение напряжения на якоре не превышало 5-10 % от напряжения сети, на которое рассчитан двигатель. Поэтому при отсутствии пускового реостата ток в первые секунды мог бы в 10-20 раз превысить нормальный ток, на который рассчитан двигатель при полной нагрузке, а это для него очень опасно. При введенном же пусковом реостате с сопротивлением пусковой ток через якорь

. (173.1)

Сопротивление пускового реостата подбирают так, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше чем в 1,5-2 раза.

Поясним сказанное числовым примером. Положим, что мы имеем двигатель мощности 1,2 кВт, рассчитанный на напряжение 120 В и имеющий сопротивление якоря . Ток через якорь при полной нагрузке

.

Если бы мы включили этот двигатель в сеть без пускового реостата, то в первые секунды пусковой ток через якорь имел бы значение

,

в 10 раз превышающее нормальный рабочий ток в якоре. Если же мы хотим, чтобы пусковой ток превышал нормальный не больше, чем в 2 раза, т. е. был равен 20 А, то мы должны подобрать пусковое сопротивление таким, чтобы имело место равенство

,

откуда Ом.

Ясно также, что для шунтового двигателя очень опасна внезапная его остановка без выключения, например вследствие резкого возрастания нагрузки, так как при этом э. д. с. падает до нуля и ток в якоре возрастает настолько, что избыток выделяемого в нем джоулева тепла может привести к расплавлению изоляции или даже самих проводов обмотки (двигатель «перегорает»).

Регулировочный реостат , включенный в цепь индуктора, служит для того, чтобы изменять частоту вращения двигателя. Увеличивая или уменьшая сопротивление цепи индуктора с помощью этого реостата, мы изменяем ток в цепи индуктора, а тем самым и магнитное поле, в котором вращается якорь. Мы видели выше, что при заданной нагрузке двигателя ток в нем автоматически устанавливается такой, чтобы возникающий вращающий момент уравновешивал тормозящий вращающий момент, создаваемый нагрузкой двигателя. Это осуществляется благодаря тому, что индуцированная э. д. с. достигает соответствующего значения. Но индуцированная э. д. с. определяется, с одной стороны, магнитной индукцией, а с другой, – частотой вращения якоря.

Чем больше магнитный поток индуктора, тем меньше должна быть частота вращения двигателя, чтобы получить определенное значение э. д. с., и, наоборот, чем слабее магнитный поток, тем больше должна быть частота вращения. Поэтому, для того чтобы при заданной нагрузке увеличить частоту вращения шунтового двигателя, нужно ослабить магнитный поток в индукторе, т. е. ввести большее сопротивление в цепь индуктора при помощи регулировочного реостата. Напротив, чтобы уменьшить частоту вращения шунтового двигателя, нужно увеличить магнитный поток в индукторе, т. е. уменьшить сопротивление в цепи индуктора, выводя регулировочный реостат.

С помощью регулировочного реостата можно при нормальном напряжении и отсутствии нагрузки установить нормальную частоту вращения двигателя. При возрастании нагрузки ток в якоре должен возрастать, а индуцированная в нем э. д. с. – уменьшаться. Это происходит вследствие некоторого уменьшения частоты вращения якоря. Однако уменьшение частоты вращения, обусловленное возрастанием нагрузки от нуля до нормальной мощности двигателя, обычно очень незначительно и не превышает 5-10 % от нормальной частоты вращения двигателя. Это обусловлено главным образом тем, что в двигателях с параллельным возбуждением ток в индукторе не изменяется при изменении тока в якоре. Если бы при изменениях нагрузки мы хотели поддерживать прежнюю частоту вращения, то это можно было бы осуществить, несколько изменяя с помощью регулировочного реостата ток в цепи индуктора.

Таким образом, с эксплуатационной точки зрения двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовые двигатели) характеризуются следующими двумя свойствами: а) частота их вращения при изменении нагрузки остается почти постоянной; б) частоту их вращения можно в широких пределах изменять с помощью регулировочного реостата. Поэтому такие двигатели довольно широко применяются в промышленности там, где обе указанные их особенности имеют значение, например для приведения в действие токарных и других станков, частота вращения которых не должна сильно зависеть от нагрузки.

173.1. На рис. 362 показана схема шунтового двигателя с так называемым комбинированным пуско-регулировочным реостатом. Разберитесь в этой схеме и объясните, какую роль играют отдельные части этого реостата.

Рис. 362. К упражнению 173.1

173.2. Нужно пустить в ход шунтовый двигатель. Для этого даны два реостата: один из толстой проволоки с малым сопротивлением, другой из тонкой проволоки с большим сопротивлением. Какой из этих реостатов следует включить как пусковой и какой как регулировочный? Почему?

2. Двигатели с последовательным возбуждением. Схема включения в сеть этих двигателей показана на рис. 363. Здесь ток якоря является в то же время и током индуктора, и потому пусковой реостат изменяет и ток в якоре, и ток в индукторе. При холостом ходе или очень малых нагрузках ток в якоре, как мы знаем, должен быть очень мал, т. е. индуцированная э. д. с. должна быть почти равна напряжению сети. Но при очень малом токе через якорь и индуктор слабо и поле индуктора. Поэтому при малой нагрузке необходимая э. д. с. может быть получена только за счет очень большой частоты вращения двигателя. Вследствие этого при очень малых токах (малой нагрузке) частота вращения двигателя с последовательным возбуждением становится настолько большой, что это может стать опасным с точки зрения механической прочности двигателя.

Рис. 363. Схема включения двигателя с последовательным возбуждением

Говорят, что двигатель идет «вразнос». Это недопустимо, и поэтому двигатели с последовательным возбуждением нельзя пускать в ход без нагрузки или с малой нагрузкой (меньшей 20-25 % от нормальной мощности двигателя). По этой же причине не рекомендуется соединять эти двигатели со станками или другими машинами ременными или канатными передачами, так как обрыв или случайный сброс ремня приведет к «разносу» двигателя. Таким образом, в двигателях с последовательным возбуждением при возрастании нагрузки увеличиваются ток в якоре и магнитное поле индуктора; поэтому частота вращения двигателя резко падает, а развиваемый им вращающий момент резко возрастает.

Эти свойства двигателей с последовательным возбуждением делают их наиболее удобными для применения на транспорте (трамваи, троллейбусы, электропоезда) и в подъемных устройствах (кранах), так как в этих случаях необходимо иметь в момент пуска при очень большой нагрузке большие вращающие моменты при малых частотах вращения, а при меньших нагрузках (на нормальном ходу) меньшие моменты и большие частоты.

Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением производится обычно регулировочным реостатом, включенным, параллельно обмоткам индуктора (рис. 364). Чем меньше сопротивление этого реостата, тем большая часть тока якоря ответвляется в него и тем меньший ток идет через обмотки индуктора. Но при уменьшении тока в индукторе частота вращения двигателя возрастает, а при его увеличении падает. Поэтому, в отличие от того, что имело место для шунтового двигателя, для того чтобы увеличить частоту вращения сериесного двигателя, нужно уменьшить сопротивление цепи индуктора, выводя регулировочный реостат. Для того чтобы уменьшить частоту вращения сериесного двигателя, нужно увеличить сопротивление цепи индуктора, вводя регулировочный реостат.

Рис. 364. Схема включения реостата для регулирования частоты вращения сериесного двигателя

173.3. Объясните, почему сериесный двигатель нельзя пускать вхолостую или с малой нагрузкой, а шунтовый можно.

Таблица 8. Преимущества, недостатки и области применения двигателей различных типов

В заключение сопоставим в виде табл. 8 основные преимущества и недостатки различных типов электродвигателей, рассмотренных нами в этой главе, и области их применения.

Электродвигателю постоянного тока со смешанным возбуж­дением (компаундному электродвигателю) до некоторой сте­пени присущи свойства рассмотренных выше электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Дан­ный электродвигатель снабжается двумя обмотками возбуждения: последовательной и па­раллельной.

Принципиальная схема такого электродвигателя приведена на рис. 31, где по­следовательная обмотка обо­значена СОВ , а параллель­ ная- ШОВ . Обычно на клеммных коробках электродвигате­лей обозначают: выводы от по­следовательной обмотки С 1 и С 2 , выводы от параллельной обмотки - Ш 1 и Ш 2 , а выводы от обмотки якоря - Я 1 и Я 2 . На схемах же указанные об­мотки могут обозначаться по-разному: СОВ и ШОВ , С 1 - С 2 и Ш 1 -Ш 2 .

Последовательная и параллельная обмотки возбуждения мо­гут включаться двояким образом. В одних случаях они вклю­чаются так, чтобы создаваемые ими ампер-витки, а следова­тельно, и магнитные потоки складывались. Такое включение обмоток принято называть согласным . Очевидно, что при согласном включении результирующий магнитный поток элект­родвигателя

В других случаях обмотки возбуждения включаются в цепь таким образом, чтобы создаваемые ими ампер-витки (и магнит­ные потоки) были направлены навстречу друг другу. Такое включение обмоток называют встречным . При встречном включении результирующий магнитный поток электродвигателя

Встречное включение обмоток возбуждения применяется лишь в машинах специального назначения. В обычных же кра­новых электродвигателях со смешанным возбуждением обмот­ки всегда включены согласно, поэтому при дальнейшем изло­жении материала будем предполагать, что ампер-витки обеих обмоток (и магнитные потоки) складываются, т. е. обмотки включены согласно и для электродвигателя справедливо равен­ство (69).

Наличие двух обмоток возбуждения позволяет конструиро­вать и изготавливать электродвигатели с различными свой­ствами и характеристиками. При естественной схеме включе­ния характеристики рассматриваемого электродвигателя жестче, чем у электродвигателей с последовательным возбуждением, и мягче, чем у электродвигателей с параллельным возбуждени­ем. Однако в зависимости от соотношения ампер-витков, созда­ваемых параллельной и последовательной обмотками, характе­ристики электродвигателя по своему характеру приближаются либо к характеристикам электродвигателя с последовательным возбуждением, либо с параллельным.

Для подъемно-транспортных машин выпускаются электро­двигатели, в которых при полной нагрузке половина ампер-вит­ков возбуждения создается параллельной обмоткой, а полови­на - последовательной.

В случае изменения нагрузки магнитный поток электродви­гателя со смешанным возбуждением не остается постоянным, так как ампер-витки, создаваемые последовательной обмоткой, определяются током якоря. Зависимость результирующего маг­нитного потока от тока якоря приведена на рис. 32, а , который показывает, что каждому значению тока якоря соответствует определенный магнитный поток и, следовательно, вращающий момент М = к ФI я при изменении нагрузки меняется не только за счет изменения тока якоря, но и за счет магнитного потока возбуждения. Зависимость М = f (I я ) для электродвигателя со смешанным возбуждением показана на рис. 32, б .

Ток, протекающий в обмотке возбуждения основных полюсов, создает магнитный поток . Электрические машины постоянного тока следует различать по способу возбуждения и схеме включения обмотки возбуждения.

Генераторы постоянного тока могут выполняться с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Следует заметить, что теперь применение в качестве источников энергии генераторов постоянного тока очень ограничено.

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока с независимым возбуждением получает питание от независимого источника - сети постоянного тока, специального возбудителя , преобразователя и др. (рис. 1, а). Эти генераторы применяются в мощных системах, когда напряжение возбуждения должно быть выбрано отличным от напряжения генератора, в системах , которые питаются от генераторов и других источников.

Значение тока возбуждения мощных генераторов составляет 1,0-1,5% от тока генераторов и до десятков процентов для машин мощностью порядка десятков ватт.

Рис. 1. Схемы генераторов постоянного тока: а - с независимым возбуждением; б - с параллельным возбуждением; в - с последовательным возбуждением; г - со смешанным возбуждением П - потребители

У г енератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включается на напряжение самого генератора (смотрите рис. 1,б). Ток якоря I я равен сумме токов нагрузки I п и тока возбуждения I в: I я = I п + I в

Генераторы выполняются обычно для средних мощностей.

Обмотка возбуждения генератора с последовательным возбуждением включена последовательно в цепь якоря и обтекается током якоря (рис. 1, в). Процесс самовозбуждения генератора протекает очень бурно. Такие генераторы практически не используются. В самом начале развития энергетики применялась система передачи энергии с последовательно включенными генераторами и двигателями последовательного возбуждения.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения - параллельную ОВП и последовательную ОВС обычно с согласным включением (рис. 1, г). Параллельная обмотка может быть включена до последовательной («короткий шунт») или после нее («длинный шунт»). МДС последовательной обмотки обычно невелика и рассчитана только на компенсацию падения напряжения в якоре при нагрузке. Такие генераторы теперь также практически не применяются.

Схемы возбуждения двигателей постоянного тока подобны схемам для генераторов. большой мощности выполняются обычно с независимым возбуждением . У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения получает питание от того же источника энергии, что и двигатель. Обмотка возбуждения включается непосредственно на напряжение источника энергии, чтобы не сказывалось влияние падения напряжения в пусковом сопротивлении (рис. 2).

Рис. 2. Схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Ток сети Ic составляется из тока якоря I я и тока возбуждения I в.

Схема двигателя последовательного возбуждения подобна схеме на рис. 1, в. Благодаря последовательной обмотке вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чем у двигателей параллельного возбуждения, при этом скорость вращения уменьшается. Это свойство двигателей определяет их широкое применение в приводах электровозной тяги: в магистральных электровозах, городском транспорте и др. Падение напряжения в обмотке возбуждения при номинальном токе составляет единицы процентов от номинального напряжения.

Двигатели смешанного возбуждения из-за наличия последовательной обмотки в некоторой мере имеют свойства двигателей последовательного возбуждения. В настоящее время они практически не применяются. Двигатели параллельного возбуждения иногда выполняются со стабилизирующей (последовательной) обмоткой, включаемой согласно с параллельной обмоткой возбуждения, для обеспечения более спокойной работы при пиках нагрузки. МДС такой стабилизирующей обмотки невелика - единицы процентов от основной МДС.