3.3.7. Двигатели постоянного тока
Диаграмма,
поясняющая принцип действия двигателя постоянного тока, имеет вид
U F Мкр
Iя
Под
воздействием приложенного напряжения по обмоткам якоря и возбуждения протекают
токи. Ток возбуждения создает магнитный поток. На проводники якоря с током в
магнитном поле действует сила, заставляющая якорь вращаться.
Классификация двигателей по способу подключения обмотки
возбуждения:
–
двигатели независимого возбуждения (ДНВ);
–
двигатели с параллельным возбуждением, шунтовые (рис.
3.46, а);
–
двигатели с последовательным возбуждением, сериесные
(рис. 3.46, б);
–
двигатели со смешанным возбуждением, компаундные (рис.
3.46, в).
На
рис. 3.46 представлены схемы включения двигателей, где Rо.в – сопротивления в цепи обмотки возбуждения; Rд – добавочное
сопротивление в цепи якоря; ОВс и ОВш –
сериесная и шунтовая обмотки возбуждения.
Рис. 3.46. Схемы
включения шунтового (а), сериесного (б) и компаундного (в) двигателей
Противоэдс в
двигателе. При направлении тока, указанном на рис. 3.47, якорь будет
вращаться против часовой стрелки (правило левой руки).
Индуцируемая ЭДС будет направлена против тока (правило правой
руки).
В двигателях ЭДС направлена против тока и поэтому называется
противоэдс.
На
основании второго закона Кирхгофа для якорной цепи имеем уравнение электрического равновесия для
двигателя
,
из которого находим
.
Зависимость магнитного потока и
момента от тока якоря в двигателе. У
шунтового двигателя машины Ф = const, так как iв не зависит
от Iя. У
сериесного двигателя Ф создается
током якоря.
а
б
Рис. 3.48. Зависимость
магнитного потока (а) и момента (б) от тока якоря
(1 – сериесный двигатель; 2
– компаундный; 3 – шунтовый)
У
компаундного двигателя зависимость Ф =
f(Iя) занимает промежуточное положение между
зависимостью для сериесного и шунтового двигателей. При 
максимальный поток у сериесной
машины.
У
шунтовой машины 
, так как 
. У сериесной машины 
. Учитывая, что 
(начальный участок
зависимости), получаем 
. Зависимость M = f(Iя) у компаундного
двигателя занимает промежуточное положение
между этой же зависимостью для сериесного и шунтового двигателей.
При
перегрузке 
максимальный момент –
у сериесного двигателя, поэтому он обладает большой перегрузочной способностью,
так как при перегрузке развивает максимальный момент.
Механическая характеристика ДТП (рис. 3.49).Используя соотношения
получаем
– электромеханическая характеристика;
– механическая характеристика.
Рис. 3.49. Механические
характеристики
двигателей: 1 – шунтовый; 2 – компаундный;
3 – сериесный
Особенностью сериесных двигателей является то, что при 
ток якоря и Ф тоже стремятся к нулю, а n стремится
к бесконечности. Поэтому эти двигатели нельзя оставлять работать в холостую.
Пуск ДТП. Проблемы
пуска:
1.
Большой пусковой ток якоря Iя.п. Из
уравнения электрического равновесия для якорной цепи имеем
.
Пусть 
при 
, тогда 
= = (10…30) Iя.н.
2.
Тяжелые условия коммутации, связанные с большими пусковыми токами.
3. Большой пусковой момент, который приводит к ударной
нагрузке на исполнительный механизм во время пуска.
Самый
распространенный способ пуска – введение в цепь якоря добавочных сопротивлений Rд
(реостатный пуск). За счет введения Rд
уменьшается пусковой ток и пусковой момент. На рис. 3.50 изображены механические
характеристики, иллюстрирующие процесс пуска (М1 и М2 – заданные
пределы изменения момента при пуске; Мс – момент
сопротивления механизма).
Рис. 3.50.
Реостатный пуск
Способы регулирования скорости
двигателей постоянного тока. Из
выражения 
вытекают три способа
регулирования скорости:
–
за счет изменения питающего напряжения при постоянном
магнитном потоке;
–
введением в цепь якоря добавочных сопротивлений;
–
изменением магнитного потока.
1.
Регулирование скорости изменением питающего напряжения при постоянном магнитном
потоке. Механические характеристики при регулировании скорости изменением питающего напряжения имеют вид
Анализируя М
в этой системе уравнений, имеем
Метод
позволяет регулировать скорость плавно и в широких пределах.
2.
Регулирование скорости путем введения в цепь якоря добавочного сопротивления
(рис. 3.52). Анализируя М, имеем
Метод
позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее уменьшения от исходной.
Недостаток
метода – большие потери энергии в добавочном сопротивлении.
3.
Регулирование скорости за счет уменьшения магнитного потока. На рабочем
участке механических характеристик 
(рис. 3.53).
Метод
позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее увеличения.
Вывод:
двигатели постоянного тока позволяют осуществлять плавную регулировку
скорости в широких пределах, что является основным их достоинством по
сравнению с асинхронными двигателями.
Общие сведения о режимах
торможения:
1.
Торможение противовключением: двигатель принудительно вращается в сторону,
противоположную к Мвр.
2.
Генераторное торможение: двигатель принудительно вращают со скоростью > n0.
3.
Динамическое торможение: двигатель отключается от сети, якорь замыкается на
сопротивление. Согласно принципу Ленца, в якоре индуцируется ток, вызывающий
тормозной момент.
Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление
тока либо в обмотке возбуждения, либо в якоре. Одновременное изменение токов в
обмотке возбуждения и в якоре не приводит к реверсу двигателя. Это позволяет
создавать коллекторные двигатели, работающие как в цепях постоянного тока, так
и в цепях переменного тока.
Общие сведения об универсальном
коллекторном двигателе. Двигатель может работать как на постоянном, так и на
переменном токе.
Особенности
данного двигателя:
1.
Двигатель делают с последовательной обмоткой возбуждения, чтобы не было
сдвига фаз между Iя и Ф.
2.
Так как двигатель работает в цепи переменного тока, то магнитный поток тоже
переменный, и для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники
полюсов делают шихтованными.
Преимущество
коллекторного двигателя по сравнению с
асинхронным – возможность получения скорости более 3000 об/мин для
стандартной частоты.
Недостатки – малый КПД
и плохая коммутация.
