Системы электромагнитного возбуждения и обозначения выводов обмоток двигателей

Электромагнитное возбуждение обеспечивается одной или несколькими обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения относительно обмотки якоря различают независимое, параллельное, последовательное, смешанное и комбинированное возбуждение. Основные системы возбуждения машин, их условные графические изображения и буквенные обозначения выводов по ГОСТ 183-74 [12] показаны на рис. 2.2.

 

 

 

Рис. 2.2. Системы электромагнитного возбуждения:

а – независимая; б – параллельная; в – последовательная; г - смешанная

 

 

Основные уравнения двигателей

Уравнение напряжения якорной цепи

, (2.1)

где Е_а – ЭДС обмотки якоря, I_а - ток якоря; R_а – суммарное сопротивление якорной цепи двигателя, включающее сопротивления всех имеющихся обмоток этой цепи (якорной r_a, дополнительных полюсов r_дп, последовательной r_c, компенсационной r_ko) и сопротивление щёточного контакта ; - падение напряжения в переходном контакте щётки на коллекторе при номинальном токе Iн, условно принимаемое равным 1В для угольных или графитных щёток и 0,3 В – для металлоугольных или металлографитных щёток; R_пр – сопротивление пускорегулирующего реостата.

ЭДС наводится только в возбужденной вращающейся машине:

 

(2.2)

где С_е – конструктивный коэффициент ЭДС, n – частота вращения якоря; Ф_δ - результирующий магнитный поток в воздушном зазор двигателя по продольной оси.

Уравнение моментов. Вращательное движение роторов двигателя и рабочего механизма с суммарным моментом инерции J можно описать уравнением

 

M – Mc = J(dw/dt), (2.3)

 

где М – электромагнитный движущий момент двигателя:

 

М = СмIaФ_d; (2.4)

 

См – конструктивный коэффициент момента; Мс –суммарный тормозящий момент сопротивления:

 

Мс = М2 + Мо; (2.5)

М₂ – момент сопротивления на валу двигателя, создаваемый рабочим механизмом; Мо – момент потерь самого двигателя; w - угловая скорость вращения якоря; dw/dt – ускорение.

Разность движущих и тормозящих моментов называют динамическим моментом: М – Мс = Мдин, а момент - моментом сил инерции вращающихся частей двигателя и механизма. Из уравнения (2.3) видно, что при М > Мс, т.е. при Мдин > 0, обеспечивается положительное ускорение dw/dt>0 и скорость двигателя увеличивается. Если М< Мс, т.е. при Мдин < 0, обеспечивается отрицательное ускорение dw/dt< 0 и скорость двигателя уменьшается. Когда движущий момент уравновешивается тормозящими: М = Мс = М2 + Мо, наступает установившийся режим работы, при котором Мдин= Мj = dw/dt = 0 и

 

Пуск двигателей в ход

Из уравнения (2.1) следует, что ток якоря

 

Ia = (Ua – Ea)/(Ra+Rпр). (2.6)

 

В начальный момент пуска двигателя якорь неподвижен (n= 0), поэтому и начальный пусковой ток якоря

 

Iп=Ia_(n=0)=Ua/(Ra+Rпр). (2.7)

 

В нормальных двигателях сопротивление якорной цепи мало, поэтому при прямом пуске, т.е. при непосредственном включении двигателя на номинальное напряжение без добавочного сопротивления Rпр получается большой ток якоря Iп=( 10…50 )Iн. Это может привести к подгоранию коллектора и щёток, возникновению недопустимо больших ускорений и перегреву обмотки якоря. Прямой пуск можно использовать лишь для микродвигателей, у которых относительно велико сопротивление якорной цепи и мало время пуска из-за малого момента инерции. Для ограничения начального пускового тока якоря согласно уравнению (2.7) необходимо уменьшить напряжение, проводимое к якорной цепи двигателя, или включить в цепь якоря добавочное сопротивление в виде пускового реостата Rпр. Значение сопротивления пускового реостата рассчитывается по допустимому пусковому току Iдоп=( 1,4…2,5 )Iн. Обычно Rпр>> Rа.

Двигатель начинает запускаться при положительном динамическом моменте, т.е. если согласно уравнению (2.3) развиваемый электромагнитный момент превышает момент сопротивления. Так как при пуске ток якоря приходится ограничивать, то для обеспечения достаточного момента (2.4) необходимо создавать в двигателе максимально возможный поток возбуждения. Для этого следует перед пуском и во время пуска установить сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения равным нулю и подать на эту цепь номинальное напряжение.

По мере разгона двигателя появляется и растёт ЭДС Еа, в результате чего постепенно уменьшаются ток Ia, момент М и ускорение dw/dt ((2.6), (2.4), (2.3)), и пуск затягивается. Для предотвращения затяжного пуска и обеспечения выхода двигателя на естественную характеристику следует повышать напряжение на якорной цепи, если пуск производился при пониженном напряжении, или уменьшать сопротивление пускового реостата при реостатном пуске с такой интенсивностью, чтобы ток якоря не превосходил допустимого значения.

 

2.2.5. Скоростные и механические характеристики Скоростная характеристика представляет собой зависимость частоты вращения от тока якоря n=f(I_a), а механическая - от вращающего момента якоря n=f(M) при неизменных напряжениях питающих источников и внешних сопротивлениях в цепях обмоток. При этих условиях ток параллельной или независимой обмоток возбуждения будет также неизменным.

Из уравнений (2.2), (2.1) и (2.4) получается выражение

 

n =(Ua/CeФ_d) – Ia(Ra+Rпр)/ CeФ_d =

= Ua/CeФ_d) – M(Ra+Rпр)/CeCм(Ф_d)² = n₀ - Dn, (2.8)

 

где n₀ называют частотой вращения идеального холостого хода (так как n = n₀ только при Ia = 0, М = 0, т.е. при работе двигателя без нагрузки и потерь); Dn = n₀ - n называют изменением частоты вращения.

Характеристики называют естественными, если они соответствуют номинальным значениям напряжения якорной цепи и тока возбуждения при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях обмоток. Естественные характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения приведены на рис. 2.3.

Характеристики, соответствующие иным условиям, называют искусственными. Искусственные характеристики получаются при сниженном напряжении якорной цепи U_a< U_н двигателя или при введённом в цепь якоря добавочном сопротивлении R_пр,либо при ослабленном поле (I_в < I_вн).

Из уравнения (2.8) видно, что частота вращения идеального холостого хода n₀ уменьшается при снижении напряжения U_a и увеличивается при ослаблении поля, но не зависит от сопротивления якорной цепи. В то же время изменение частоты вращения не зависит от U_a, но увеличивается при ослаблении поля и введении добавочного сопротивления в цепь якоря, поэтому искусственные скоростные и механические характеристики отличаются от естественных. На рис. 2.4 показаны естественная и искусственные механические характеристики двигателя независимого возбуждения.

 

 

n

Рис. 2.3. Естественные характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения: а – скоростная; б - механическая

И3

И2

И1

е

естественная

Ua < Uaн

Rпр > 0

Iв < Iвн

 

M

 

 

 

Рис. 2.4. Естественная (е) и искусственные (И) механические

характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения