Естественные и искусственные электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Принципиальная схема двигателя независимого возбуждения (ДНВ) изображается так, как показано на рис. 3.1.

Обмотка возбуждения (ОВ) питается от независимого источника постоянного тока. При подключении ОВ к обмотке якоря машина превращается в двигатель параллельного возбуждения. Для регулируемых электроприводов обычно используется ДНВ.

Процессы электромеханического преобразования энергии ДНВ описываются следующими уравнениями.

Здесь

– электромагнитная постоянная обмотка возбуждения .

– электромагнитная постоянная обмотка якоря .

К – конструктивный коэффициент, равный , где

N – число активных проводников обмотки якоря;

– число пар полюсов машины;

a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

– ЭДС вращения якоря;

– коэффициент ЭДС машины;

– сопротивление обмотки якоря;

– сопротивление обмотки добавочных полюсов;

– сопротивление компенсационной обмотки (для машины мощностью 100 и выше кВт).

Обычно ДНВ работает при Ф=Фн=const. При этом выше написанные уравнения линеаризуются и после преобразований (решение относительно скорости ω) получим уравнение электромеханической характеристики.

Выразив ток якоря через момент , получим уравнение механической характеристики

В установившимся режиме . Поэтому уравнения запишутся в следующем виде:

Эти уравнения показывают, что при U=Uя=const и ф=const характеристики являются прямыми с начальной ординатой , соответствующей скорости идеального холостого хода двигателя (рис. 3.2).

Характеристики, соответствующие отсутствию в цепи якоря добавочного сопротивления, являются естественными. Статическую жесткость характеристики, определяющую ее наклон, можно найти, продифференцировав выражение момента М по скорости ω, найдя предварительно М из уравнения механической характеристики.

;

Модуль статической жесткости

Используя понятие жесткости, уравнение статической механической характеристики ДНВ можно представить в виде:

Чем больше модуль жесткости естественной механической характеристики, тем стабильнее является скорость ω электропривода при широких пределах изменения его нагрузки.

Другой оценкой стабильности рабочей скорости ω является статизм механической характеристики, количественной оценкой которого служит номинальный перепад скорости.

, где

– скорость идеального холостого хода на естественной характеристике.

Относительный перепад скорости для двигателей

большой мощности составляет (1,5¸3)%.

На вид естественных механической и электромеханический характеристик значительное влияние оказывает реакция якоря, ослабляющая магнитный поток машины. Из-за ее размагничивающего действия в механической характеристике двигателя могут появиться участки с положительной жесткостью (рис. 3.3, участок а-б), что приводит к неустойчивости электропривода.

Реакция якоря, может снизить магнитный поток двигателя на 10-20%, вследствие чего уменьшится его перегрузочная способность. Она неблагоприятно сказывается и на динамических свойствах электропривода. Поэтому в двигателях без компенсационной обмотки мощностью до 100 кВт применяют так называемую стабилизирующую обмотку, размещаемую на сердечниках главных полюсов. Она включается цепь якоря последовательно и создает небольшую МДС, компенсирующую действие реакции якоря. Но двигатели с такой обмоткой нельзя применять для реверсивных электроприводов, т.к. при изменении направления вращения ток якоря имеет противоположное направление, и стабилизирующая обмотка будет усугублять действие реакции якоря.

Отметим, что механическая характеристика ДНВ представляет собой зависимость w от электромагнитного момента М двигателя. Если же изобразить зависимость w от момента на валу, то это будет не прямая, а ломанная (рис. 3.4). В двигательном режиме , а в тормозном (генераторном) (пунктирная линия). При w=0 возникает разрыв непрерывности. Это создает неудобства при расчетах. Поэтому момент прибавляют к нагрузке (кМ_с) и характеристику двигателя считают линейной.

Часто для удобства расчетов уравнение механической характеристики представляют в относительных единицах. Характеристики двигателей, различных по своим номинальным данным, становятся универсальными. В относительных единицах напряжение, ЭДС, ток, момент, магнитный поток, скорость можно представить в следующем виде:

(для двигателей последовательного и смешанного возбуждения ), , где – номинальное сопротивление, т.е. сопротивление якорной цепи, которое при приложении к якорю номинального напряжения и ω=0 ограничивает ток в якоре до (см. рис. 3.5).

Для написания уравнения механической характеристики относительных единицах разделим обе части уравнения механической характеристики на ω₀.

, отсюда

.

т.е.

Т.к. у ДНВ при Ф=const МºI_я, то и .

Это уравнение электромеханической характеристики в относительных единицах.

Характеристики двигателя, соответствующие изменениям параметров двигателя или специальным схемам его включения, являются искусственными. Так, при введении в цепь якоря добавочного сопротивления наклон характеристик увеличивается, их жесткость уменьшается. Семейство механических характеристик, соответствующих различным значениям Rдоб, изображено на следующем рис. 3.6. Скорость якоря двигателя при этом уменьшается, ибо увеличивается падение напряжения на якоре, уменьшается ток, а следовательно и вращающий момент. Отсюда видна возможность регулирования скорости двигателя изменением сопротивления в якорной цепи.

При изменении напряжения, подводимого двигателю, изменяется скорость идеального холостого хода , а жесткость характеристик остается неизменной. Семейство механических характеристик, соответствующих различным напряжениям на якоре, изображено на рис. 3.7. Для получения таких характеристик двигатель нужно питать от источника, напряжение которого можно регулировать. Это позволяет регулировать скорость двигателя.

Для ряда производственных механизмов в соответствие с требованиями технологического процесса иногда возникает необходимость увеличения рабочей скорости, превышающей скорость при U= U_Н и φ=φ_Н. Этого достигается ослаблением магнитного потока двигателя (уменьшением тока возбуждения).

Если уменьшенное значение магнитного потока, равно , где a<1, то новое, увеличенное значение скорости идеального холостого хода будет

.

При ослабленном потоке и прежнем значении момента ток якоря увеличивается. Его можно найти из уравнения момента

, откуда

Уравнение механической характеристики при ослабленном потоке будет

, где

– перепад скорости при номинальном потоке.

Ослабление потока вызывает увеличение не только w₀, но и скорости якоря двигателя (при нагрузках, допустимых по условиям коммутации), что, собственно, и требуется. Но при нагрузках, не допустимых по условиям коммутации, скорость будет уменьшаться, и двигатель может перейти в тормозной режим, что отраженно на рис. 3.8, где изображено семейство механических характеристик двигателя, соответствующих различным значениям магнитного потока.