Пуск двигателей постоянного тока

При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащий пусковой момент и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.
Возможны три способа пуска двигателя в ход: 1) прямой пуск, когда цепь якоря подключается непосредственно к сети на ее полное напряжение; 2) пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря; 3) пуск при пониженном напряжении цепи якоря.

Прямой пуск

При n = 0 также E_а = 0 и, согласно выражению (5), в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"

В нормальных машинах R_а = 0,02 – 0,1, и поэтому при прямом пуске с U = U_н ток якоря недопустимо велик:

I_а = (5 – 10) I_н .

Вследствие этого прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых R_а относительно велико и поэтому при пуске I_а ≤ (4 – 6) I_н, а процесс пуска длится не более 1 – 2 с.

Пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений

Рисунок 1. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б)

Для двигателей с параллельным возбуждением самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений (рисунок 1).
При этом вместо выражения (5), в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока" имеем

(2)

а в начальный момент пуска, при n = 0,

(3)

где R_п – сопротивление пускового реостата, или пусковое сопротивление. Значение R_п подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было I_а = (1,4 – 1,7) I_н [в малых машинах до (2,0 – 2,5) I_н].

Рассмотрим подробнее пуск двигателя параллельного возбуждения с помощью реостата (рисунок 1, а).

Перед пуском (t < 0) подвижный контакт П пускового реостата стоит на холостом контакте 0 и цепь двигателя разомкнута. В начальный момент пуска (t = 0) подвижный контакт П с помощью рукоятки переводится на контакт 1, и через якорь пойдет ток I_а, определяемый равенством (3). Цепь обмотки возбуждения ОВ подключается к неподвижной контактной дуге д, по которой скользит контакт П, чтобы во время пуска цепь возбуждения все время была под полным напряжением. Это необходимо для того, чтобы i_в и Ф_δ при пуске были максимальными и постоянными, так как при этом, согласно выражению (8), в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при данных значениях I_а развивается наибольший момент М. С этой же целью регулировочный реостат возбуждения ставится при пуске в положение R_п.в = 0.

При положении контакта П пускового реостата на контакте 1 (t = 0) возникают токи I_а и i_в, а так же момент М, и если М больше М_ст, то двигатель придет во вращение и скорость n будет расти со значения n = 0 (рисунок 2). При этом в якоре будет индуктироваться электродвижущая сила (э. д. с.) E_а ∼ n и, согласно выражениям (2) и (8), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", I_а и M, а также скорость нарастания n будут уменьшаться. Изменение этих величин при M_ст = const происходит по экспоненциальному закону.

Рисунок 2. Зависимость Iа, M и n от времени при пуске двигателя

Когда I_а достигнет значения I_{а мин} = (1,1 – 1,3) I_н, контакт П пускового реостата переведется на контакт 2. Вследствие уменьшения R_п ток I_а ввиду малой индуктивности цепи якоря почти мгновенно возрастет, M также увеличится, n будет расти быстрее и в результате увеличения E_а значения I_а и M снова будут уменьшаться (рисунок 2). Подобным же образом развивается процесс пуска при последовательном переключении реостата в положения 3, 4 и 5, после чего двигатель достигнет установившегося режима работы со значениями I_а и n, определяемыми условием M = M_ст [смотрите равенства (8) и (9), в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"].

При пуске на холостом ходу M_ст = M₀. Ток I_а = I_а0 в этом случае мал и составляет обычно 3 – 8 % от I_н.

Заштрихованные на рисунке 2 ординаты представляют собой, согласно выражению (2), представленного в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", значения избыточного, или динамического, момента

M_дин = M – M_ст ,

под воздействием которого происходит увеличение n.

Число ступеней пускового реостата и значения их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при надлежащих интервалах времени переключение ступеней максимальные и минимальные значения I_а на всех ступенях получилось одинаковыми.

По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.

Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью рубильника или другого выключателя. Схема рисунка 1 составлена так, чтобы при отключении двигателя цепь обмотки возбуждения не размыкалась, а оставалась замкнутой через якорь. При этом ток в обмотке возбуждения после отключения двигателя уменьшается до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени. Благодаря этому предотвращается индуктирование в обмотке возбуждения большой э. д. с. самоиндукции, которая может повредить изоляцию этой обмотки.

Применяются также несколько видоизмененные по сравнению с рисунком 1, а схемы пусковых реостатов, без контактной дуги д. Конец цепи возбуждения при этом можно присоединить, например, к контакту 2, и при работе двигателя последовательно с обмоткой возбуждения будут включены последние ступени реостата. Поскольку их сопротивление по сравнению с R_в = r_в + R_р.в мало, то это не оказывает большого влияния на работу двигателя.

Автоматизировать переключение пускового реостата неудобно. Поэтому в автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рисунок 1, б), которые поочередно шунтируются контактами К1, К2, К3 автоматически работающих контакторов. Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1 – 2 ступени).

Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.

В этом случае поток возбуждения исчезает ни сразу, а поддерживается индуктируемыми в ярме вихревыми токами. Однако этот поток будет быстро уменьшаться и скорость n, согласно выражению (7), представленного в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", будет сильно увеличиваться ("разнос" двигателя). При этом [смотрите равенство 8, в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] ток якоря значительно возрастет и возникнет круговой огонь, вследствие чего возможно повреждение машины, и поэтому, в частности, в цепях возбуждения не ставят предохранителей и выключателей.

Пуск при пониженном напряжении цепи якоря

Ограничение пускового тока достигается также в случае питания цепи якоря при пуске от отдельного источника тока с регулируемым напряжением (отдельный генератор постоянного тока, управляемый выпрямитель). Обмотку возбуждения при этом необходимо питать от другого источника, с полным напряжением, чтобы иметь при пуске полный ток i_в. Этот способ пуска применяют чаще всего для мощных двигателей, притом в сочетании с регулированием скорости вращения.

Пуск двигателей последовательного и смешанного возбуждения производится аналогичным образом. Схема пуска двигателя смешанного возбуждения ничем не отличается от схемы пуска двигателя параллельного возбуждения (рисунок 1), а схема пуска двигателя последовательного возбуждения упрощается за счет исключения параллельной цепи возбуждения.

Для изменения направления вращения (реверсирования) двигателя необходимо изменить направление тока в якоре (вместе с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой) или в обмотке (обмотках) возбуждения.

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