Б) Двигатель с параллельным возбуждением

Схема двигателя с параллельным возбуждением представлена на рис. 5-57. Пусковой реостат здесь имеет три зажима. Один из них (ручка реостата) присоединяется к сети; другой (конец пускового сопротивления) — к якорю; третий (полоска, по которой скользит ручка реостата) — к обмотке возбуждения или через регулировочный реостат R _p, или непосредственно.

Рис. 5-57. Двигатель с параллельным возбуждением.

Пусковой реостат имеет холостой контакт, не соединенный с пусковым сопротивлением, выполняемый иногда из какого-нибудь изоляционного материала.

Первый контакт пускового реостата соединяется с полоской, к которой присоединена обмотка возбуждения (рис. 5-57). Это делается для того, чтобы цепь возбуждения при остановке двигателя, когда ручка реостата ставится на холостой контакт, была замкнута. Она при этом будет замкнута на обмотку якоря, пусковое сопротивление и регулировочный реостат, если он имеется.

Энергия магнитного поля, запасенная в магнитной системе машины, будет постепенно переходить в электрическую энергию; уменьшение магнитного потока, сцепляющегося с обмоткой возбуждения, вызовет в ней сравнительно небольшую э.д.с. Резкий же разрыв цепи возбуждения при наличии в ней тока приводит к быстрому изменению потока и, следовательно, к появлению большой э.д.с. в обмотке возбуждения, опасной для ее изоляции.

Выключать рубильник следует после того, как ручка реостата поставлена на холостой контакт. Отключая двигатель указанным способом, мы предохраняем контакты рубильника от подгорания и сеть от резкого изменения нагрузки; кроме того, при следующем включении двигателя в сеть мы обеспечиваем пуск его при включенном пусковом реостате.

Магнитный поток Ф двигателя с параллельным возбуждением при I в = const изменяется из-за реакции якоря незначительно. Поэтому с большим приближением можно считать в соответствии с (5-49), что его вращающий момент пропорционален току якоря:

M º I_a. (5-60)

Зависимость n = f (I) при I _в = const и U = const называется скоростной характеристикой (рис. 5-58). Ток I = I_a + I _в мало отличается от тока I_a, так как I _в составляет небольшую долю от I _н.

Зависимость n = f (M) при I _в = const и U = const называется механической характеристикой (рис. 5-58). Она отличается от скоростной практически только масштабом по оси абсцисс. Сплошная кривая на рис. 5-58 представляет собой обычную характеристику. Она показывает, что скорость вращения с увеличением нагрузки на валу падает.

Рис. 5-58. Скоростная n = f (I) или механическая n = f (М) характеристика двигателя с параллельным возбуждением.

Обратимся к формуле (5-59) для скорости n. Из нее видим, что при увеличении тока уменьшается числитель U — I_а S r, при этом будет также уменьшаться знаменатель Ф вследствие реакции якоря. Обычно числитель уменьшается больше, чем знаменатель. Поэтому скорость вращения при увеличении I (или М) будет падать. Если же в двигателе создается сильная реакция якоря, что приводит к большому уменьшению потока Ф, то скорость вращения с увеличением нагрузки будет не падать, а возрастать, например, согласно пунктирной кривой на рис. 5-58. Двигатель с такой характеристикой для работы в обычных условиях практики непригоден, так как он будет работать неустойчиво (рис. 5-56, б).

Показанный на рис. 5-58 ток I ₀ есть ток двигателя при холостом ходе (при отсутствии нагрузки на валу).

Двигатели с параллельным возбуждением являются лучшими из регулируемых электродвигателей. Они позволяют плавно и экономично регулировать скорость вращения.

На рис. 5-59 приведены рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением: М, n, I, h = f (Р ₂) при U = const и I _в = const (h — к.п.д., Р ₂ — мощность на валу).

Рис. 5-59. Рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Формула (5-59) показывает, что для изменения n достаточно изменять поток Ф. Изменение потока достигается путем изменения тока возбуждения при помощи регулировочного реостата R _р (рис. 5-57). Так как ток возбуждения составляет небольшую долю номинального тока якоря, то при указанном способе регулирования скорости вращения потери в регулировочном реостате незначительны.

При увеличении тока возбуждения скорость вращения падает, при уменьшении тока возбуждения она возрастает.

При уменьшении I _в поток становится меньше. Так как при этом скорость вращения в первый промежуток времени остается почти постоянной вследствие инерции вращающихся частей, то уменьшается э.д.с. Е_а. Уменьшение Е_а приводит согласно (5-56) к увеличению тока якоря I_а, причем даже небольшое уменьшение Е_а дает относительно большое увеличение тока I_a, так как значения U и Е_а мало отличаются одно от другого.

В качестве примера рассмотрим работу двигателя при U = 110 В, Е_а = 105 В, S r = 0,08 Ом и токе якоря

А.

Если магнитный поток Ф уменьшить путем уменьшения тока возбуждения на 5%, то э.д.с. Е_а в первый промежуток времени, когда скорость еще не успела возрасти, будет равна приблизительно 100 В, а ток якоря

А,

т. е. при уменьшении Ф на 5% ток возрастает приблизительно на 100%.

Обращаясь к формуле (5-49), мы устанавливаем, что момент М, развиваемый двигателем, повышается, потому что I_a увеличивается больше, чем уменьшается Ф. Увеличение М приводит к увеличению скорости вращения. При ее увеличении будет возрастать э.д.с. Е_а, следовательно, будут уменьшаться I_a и М. Режим устанавливается при более высокой скорости вращения, при которой момент двигателя М будет равен моменту нагрузки М _ст.

Применяя аналогичные рассуждения, можно доказать, что при увеличении тока возбуждения скорость вращения будет падать.

Рассмотрим, как производится определение скоростной характеристики n = f (I) и механической характеристики n = f (M). Оно может быть произведено при помощи кривой E_a­/n = f (I _в), полученной из характеристики холостого хода, снятой опытным путем или найденной путем расчета. Эта кривая представлена на рис 5-60. При других масштабах на осях координат она представляет собой зависимость Ф = f (F _в), так как .

Будем считать, что известны величины при номинальной нагрузке: U _н, I_{a н} (I _ан = I _н- I _{в. н}), n _н, I _{в. н}, I _в(р.я) или F _р.я (I _в(р.я) - ток возбуждения, соответствующий размагничивающей н.с. реакции якоря F _ря) Тогда определение скорости вращения n при холостом ходе производится следующим образом.

Сначала находим э.д.с. якоря при номинальной нагрузке Е_{а н} = U _н- I_{а н}S r, затем — э.д.с. якоря при холостом ходе E ₀ = U _н- I _а0S r, причем для двигателей, имеющих ток холостого хода I_{a 0}<0,1 I _н можно приближенно принять E_{а 0}» U _н. Далее по кривой рис. 5-60 находим для I _в.н = :

(5-61)

и для I _в.н- I _в(р.я) = :

. (5-62)

Из равенств (5-61) и (5-62) получаем:

. (5-63)

Очевидно, что , т. е. отношению потоков при нагрузке Ф_н и при холостом ходе Ф₀.

Если известна скорость вращения n ₀ при холостом ходе, то скорость вращения при нагрузке равна:

. (5-64)

Промежуточные значения скорости вращения при I_a < I_{a н} найдем определив Е_а и I _в(р.я) для тока I_а.

Зная Е_а, I_а и n, найдем вращающий момент, кг·м

, (5-65)

и, следовательно, можем построить механиче­скую характеристику n = f (M). Как отмечалось, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы n ₀ было больше n _н.

Если двигатель с параллельным возбуждением предназначается для широких пределов регулирования скорости вращения (например, 4:1) путем изменения тока возбуждения, то при ослабленном поле реакция якоря может оказаться слишком сильной (работа будет протекать на начальной части кривой рис. 5-60) и мы можем получить > Е_{а 0}/ Е_{а н} и n _н> n ₀ согласно (5-64).

Рис. 5-60. К определению скоростной характеристики.

Тогда необходимо для уменьшения относительного значения реакции якоря (величины I _в(р.я)/ I _в.н) выполнить двигатель с увеличенным воздушным зазором d. Такие двигатели стоят дороже, чем нормальные двигатели с пределами регулирования скорости вращения примерно 1:1,5.

Регулировать скорость вращения двигателя можно также путем изменения напряжения U на зажимах якоря, что следует из формулы (5-59). Изменение U может быть достигнуто при помощи реостата, включенного в цепь якоря. Такой способ регулирования скорости вращения неэкономичен, так как он приводит к непроизводительной затрате большой энергии в реостате. Действительно, при уменьшении п, например, на 50%, если при этом ток в якоре остается неизменным, мы должны уменьшить U почти на 50% и, следовательно, почти половину мощности поглотить в реостате. Реостат при этом получается громоздким и дорогим, так как рассчитывается на длительную нагрузку большим током.