Двигатели параллельного возбуждения

Естественные скоростная и механическая характеристики

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (7) и (9), представленными в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при U = const и i_в = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_а поток Ф_δ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", будет стремится возрасти. С другой стороны, падение напряжения R_а × I_а вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три  вида скоростной характеристики, изображенные на рис. 1: 1 – при преобладании влияния R_а × I_а; 2 – при взаимной компенсации влияния R_а × I_а и уменьшения Ф_δ; 3 – при преобладании влияния уменьшения Ф_δ.

Ввиду того что изменение Ф_δ относительно мало, механические характеристики n = f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (9), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при U = const и i_в = const совпадают по виду с характеристиками n = f(I_а) (рисунок 1). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Рисунок 1. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения

Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью "Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока"). Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготавливаются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рисунок 1). В современных высокоиспользованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рисунок 1) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, намагничивающая сила которой составляет до 10% от намагничивающей силы параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δ 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 возбуждения.

Изменение скорости вращения Δn (рисунок 1) при переходе от холостого хода (I_а = I_а0) к номинальной нагрузке (I_а = I_ан) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2 – 8% от n_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и прочее).

Рисунок 2. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_р.в (смотрите рисунок 1, б в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока" и рисунок 1 в статье "Пуск двигателей постоянного тока"). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_ра = 0) и U = const характеристики n = f(I_а) и n = f(M), определяемые равенствами (7) и (9), представленными в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", для разных значений R_р.в, i_в или Ф_δ имеют вид, показанный на рисунке 2. Все характеристики n = f(I_а) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_а, который, согласно выражению (5), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", равен

I_а = U / R_а .

Однако механические характеристики n = f(M) пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рисунке 2 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой M_ст = f(n) для рабочей машины, соединенной с двигателем (жирная штриховая линия на рисунке 2).

Точка холостого хода двигателя (M = M₀, I_а = I_а0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M₀ и I_а0 также увеличиваются (тонкая штриховая линия на рисунке 2).

Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то E_а [смотрите выражение (6) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] будет увеличиваться, а I_а и M будут, согласно равенствам (5) и (8), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", уменьшаться. При I_а = 0 и M = 0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости I_а и M изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рисунке 2 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготавливаются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов (смотрите статью "Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока") или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики

Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_ра (рисунок 3, а), то вместо выражений (7) и (9), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", получим

(1)

(2)

Сопротивление R_ра может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рисунок 3. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n = f(M) и n = f(I_а) для различных значений R_ра = const при U = const и i_в = const изображены на рисунке 3, б (R_ра1 < R_ра2 < R_ра3). Верхняя характеристика (R_ра = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс  (n = 0) в точке, для которой

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рисунке 3 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n < 0, э. д. с. E_а имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего

а момент двигателя M действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (I_а = I_а0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим I_а = 0, а затем I_а изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рисунке 3, б слева от оси ординат).

Как видно из рисунка 3, б, при включении R_ра характеристики становятся менее жесткими, а при больших значениях R_ра – круто падающими, или мягкими.

Если кривая момента сопротивления M_ст = f(n) имеет вид, изображенный на рисунке 3, б жирной штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения R_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше R_ра, тем меньше n и ниже коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря

Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря может осуществляется с помощью агрегата "генератор – двигатель" (Г – Д), называемого также агрегатом Леонарда (рисунок 4). В этом случае первичный двигатель ПД (переменного тока, внутреннего сгорания и тому подобный) вращает с постоянной скоростью генератор постоянного тока Г. Якорь генератора непосредственно подключен к якорю двигателя постоянного тока Д, который служит приводом рабочей машины РМ. Обмотки возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД питаются от независимого источника – сети постоянного тока (рисунок 4) или от возбудителей (небольших генераторов постоянного тока) на валу первичного двигателя ПД. Регулирование тока возбуждения генератора i_в.г должно производиться практически от нуля (на рисунке 4 с помощью реостата, включенного по потенциометрической схеме). При необходимости реверсирования двигателя можно изменить полярность генератора (на рисунке 4 с помощью переключателя П).

Рисунок 4. Схема агрегата "генератор – двигатель" для регулирования скорости двигателя независимого возбуждения

Пуск двигателя Д и регулирование его скорости осуществляют следующим образом. При максимальном i_в.д и i_в.г = 0 производят пуск первичного двигателя ПД. Затем плавно увеличивают i_в.г, и при небольшом напряжении генератора U двигатель Д придет во вращение. Регулируя, далее, U в пределах до U = U_н, можно получить любые скорости вращения двигателя до n = n_н. Дальнейшее увеличение n возможно путем уменьшения i_в.д. Для реверсирования двигателя уменьшают i_в.г до нуля, переключают ОВГ и снова увеличивают i_в.г от значения i_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 n 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 заменяют полупроводниковым выпрямителем с регулируемым напряжением. В этом случае рассматриваемый агрегат называют также вентильным (тиристорным) приводом.

Рассмотренные агрегаты используются при необходимости регулирования скорости вращения двигателя с высоким к. п. д. в широких пределах – до 1 : 100 и более (крупные металлорежущие станки, прокатные станы и так далее).

Отметим, что изменение U с целью регулирования n по схеме рисунка 1, б, показанного в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока" и рисунка 3, а, не дает желаемых результатов, так как одновременно с изменением напряжения цепи якоря изменяется пропорционально U также ток возбуждения. Так как регулирование U можно производить только от значения U = U_н вниз, то вскоре магнитная цепь окажется насыщенной, вследствие чего U и i_в будут изменяться пропорционально друг другу. Согласно равенству (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"), n при этом существенным образом не меняется.

В последнее время все больше распространяется так называемое импульсное регулирование двигателей постоянного тока. При этом цепь якоря двигателя питается от источника постоянного тока с постоянным напряжением через тиристоры, которые периодически, с частотой 1 – 3 кГц включаются и отключаются. Чтобы сгладить при этом кривую тока якоря, на его зажимах подключаются конденсаторы. Напряжение на зажимах якоря в этом случае практически постоянно и пропорционально отношению времени включения тиристоров ко времени продолжительности всего цикла. Таким образом, импульсный метод позволяет 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 режимах переменной скорости вращения с частыми пусками, например на электрифицированном транспорте.

Рисунок 5. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения Pн = 10 кВт, Uн = 200 В, nн = 950 об/мин

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности P₁, потребляемого тока I, скорости n, момента M, и к. п. д. η от полезной мощности P₂ при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рисунке 5.

Одновременно с увеличением мощности на валу P₂ растет и момент на валу M. Поскольку с увеличением P₂ и M скорость n несколько уменьшается, то M ∼ P₂ / n растет несколько быстрее P₂. Увеличение P₂ и M, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность P₁. При холостом ходе (P₂ = 0) к. п. д. η = 0, затем с увеличением P₂ сначала η быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.