Двигатели последовательного возбуждения

Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения

В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: i_в = I_а = I. Поэтому поток Ф_δ изменяется в широких пределах и можно написать, что

Коэффициент пропорциональности k_Ф в значительном диапазоне нагрузок, при I < I_н, является практически постоянным, и лишь при I > (0,8 – 0,9) I_н вследствие насыщения магнитной цепи k_Ф начинает несколько уменьшаться.

При использовании соотношения (1) для двигателя последовательного возбуждения вместо выражений (7), (9) и (8), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", получим

(2)

(3)

(4)

Рисунок 1. Естественная скоростная характеристика двигателя последовательного возбуждения

Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При k_Ф = const вид кривой n = f(I) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P₂ = (0,2 – 0,25) P_н.

Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения n = f(M) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1).

Поскольку у двигателей параллельного возбуждения M ∼ I, а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M ∼ I ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) I_н, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при R_а = 0)

n ∼ U / I ∼ U / √M .

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения

P₂ = Ω × M = 2π × n × M ∼ M ,

а у двигателей последовательного возбуждения

P₂ = 2π × n × M ∼ √M .

Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M_ст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.

Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.

Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а), шунтирования якоря (б) и включения сопротивления в цепь якоря (в)

Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f(I) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) E_а 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

Регулирование n посредством ослабления поля производится либо путем шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением R_ш.в (рисунок 2, а), либо уменьшением числа включенных в работу витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть предусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.

Так как сопротивление обмотки возбуждения R_в и падение напряжения на нем малы, то R_ш.в также должно быть мало. Потери в сопротивлении R_ш.в поэтому малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, и такой способ регулирования широко применяется на практике.

При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения со значения I уменьшается до

и скорость n соответственно увеличивается. Выражения для скоростной и механических характеристик при этом получим, если в равенствах (2) и (3) заменим k_Ф на k_Фk_о.в, где

представляет собой коэффициент ослабления возбуждения. При регулировании скорости изменение числа витков обмотки возбуждения

k_о.в = w_в.раб / w_в.полн .

На рисунке 3 показаны (кривые 1, 2, 3) характеристики n = f(M) для этого случая регулирования скорости при нескольких значениях k_о.в (значению k_о.в = 1 соответствует естественная характеристика 1, k_о.в = 0,6 – кривая 2, k_о.в = 0,3 – кривая 3). Характеристики даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда k_Ф = const и R_а* = 0,1.

Рисунок 3. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при разных способах регулирования скорости вращения

Регулирование скорости путем шунтирования якоря

При шунтировании якоря (рисунок 2, б) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R_в × I мало и поэтому можно принять R_в ≈ 0, то сопротивление R_ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.

Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.

На рисунке 3 кривая 4 представляет собой характеристику n = f(M) при

I_ш.а ≈ U / R_ш.а = 0,5 I_н .

Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря

Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря (рисунок 2, в). Этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения. Так как одновременно при этом значительно уменьшается к. п. д., то такой способ регулирования находит ограниченное применение.

Выражения для скоростной и механической характеристик в этом случае получим, если в равенствах (2) и (3) заменим R_а на R_а + R_ра. Характеристика n = f(M) для такого способа регулирования скорости при R_ра* = 0,5 изображена на рисунке 3 в виде кривой 5.

Рисунок 4. Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения

Регулирование скорости изменением напряжения

Этим способом можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранение высокого к. п. д. Рассматриваемый способ регулирования широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного включения в сеть на последовательное (рисунок 4). На рисунке 3 кривая 6 представляет собой характеристику n = f(M) для этого случая при U = 0,5U_н.

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