Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование частоты вращения (электроприводы прокатных станов, мощных металлорежущих станков, тяговый электропривод и др.). Конструктивно двигатели и генераторы постоянного тока практически не отличаются.
Двигатели постоянного тока выполняют с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Принцип действия двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока предназначен для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию. Рассмотрим для конкретности принцип действия двигателя параллельного возбуждения (рис. 4.1).
Рис.4.1. Принцип действия двигателя постоянного тока
Если на его выводы подать постоянное напряжение U, то в цепях обмоток возбуждения и якоря двигателя возникнет ток. Обмотка возбуждения создает магнитное поле возбуждения (на рис. 4.1 F – поток главного полюса), которое оказывает силовое действие на проводники с током Iа обмотки якоря. Когда щетки расположены на линии геометрической нейтрали, ток якоря под северными полюсами имеет одно направление, под южными – противоположное. Благодаря этому, электромагнитные силы F эм под всеми полюсами имеют одинаковое направление и создают электромагнитный момент момент М эм, приводящий якорь во вращение с частотой n. Этот момент может быть рассчитан по формуле:
М эм= сМ Ф Iа, (4.1)
где конструктивный коэффициент cМ = cE /(2p).
Чтобы обеспечить стационарное вращение якоря, вращающий момент электромагнитных сил должен уравновешивать момент сопротивления на валу двигателя, создаваемый рабочей машиной: М эм= М вр. Чем больше этот момент, тем больше протекающий по обмотке якоря двигателя ток.
Описанным путем электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую работу, совершаемую рабочей машиной.
При вращении в якоре наводится ЭДС E, направление которой неизменно относительно неподвижных щеток, к которым приложено постоянное напряжение U, и противоположно току.
При вращении якоря начальные стороны секций пересекают силовые линии магнитного поля полюсов одной полярности, а конечные – противоположной полярности, в результате чего в них наводятся ЭДС, которые суммируются по контуру секции.
Когда наложенные на коллектор щетки одинаковой полярности соединены между собой, они разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Относительно щеток противоположной полярности направление ЭДС всех параллельных ветвей одинаково и при вращении якоря остается постоянным, так как щетки неподвижны. Направление индуктируемой ЭДС в проводниках параллельной ветви, расположенных под одним из главных полюсов, и противоположно току (рис. 4.1). При вращении якоря под неподвижными щетками в зоне коммутации происходит непрерывный процесс переключения секций обмотки из параллельных ветвей с одним направлением ЭДС в параллельные ветви с противоположным направлением ЭДС. Число секций в параллельных ветвях вращающегося якоря и, соответственно, значение их ЭДС практически постоянно. Результирующая ЭДС якоря равна ЭДС одной параллельной ветви, поскольку все ветви одинаковы. Она прямо пропорциональна магнитному потоку F и частоте вращения n:
E = cE F n, (4.2)
где cE –коэффициент, определяемый конструктивными параметрами обмотки якоря.
Постоянная по величине и направлению ЭДС якоря уравновешивает постоянное напряжение U на его выводах (между щетками противоположной полярности).
В соответствии со 2-м законом Кирхгофа уравнение электрического равновесия цепи якоря двигателя имеет вид:
U = E + Iаrа, (4.3)
где Iа – сила тока в якоре, r а – сопротивление цепи якоря.
Реакция якоря. В режиме нагрузки на магнитное поле возбуждения главных полюсов оказывает влияние поле обмотки якоря, называемое реакцией якоря. Если щетки расположены на линии геометрической нейтрали, то магнитная ось поля обмотки якоря направлена по поперечной оси машины (по оси добавочных полюсов) и реакция якоря называется поперечной. Магнитный поток реакции якоря замыкается через полюсные наконечники главных полюсов и магнитную цепь добавочных полюсов. При этом на одних участках поле реакции складывается с полем главных полюсов, усиливая насыщение, на других вычитается. Насыщение магнитной цепи главных полюсов всегда увеличивает ее магнитное сопротивление, что приводит к некоторому уменьшению магнитного потока возбуждения (на 2…3%). Это называют «размагничивающим» действием поперечной реакции якоря.
Кроме этого при нагрузке поле реакции якоря приводит к другим негативным последствиям:
1) создает магнитное поле в зоне коммутации (в междуполюсном пространстве). Для его компенсации в этой зоне применяют добавочные полюсы;
2) накладываясь на поле возбуждения в зазоре, приводит к резко неравномерному распределению результирующего магнитного поля под главными полюсами. Это увеличивает напряжение между коллекторными пластинами и, как следствие, может усилить искрение под щетками.
В крупных машинах постоянного тока для компенсации поля поперечной реакции якоря в полюсных наконечниках главных полюсов укладывают компенсационную обмотку, которая электрически включается последовательно в цепь якоря, а по полю – согласно с обмоткой добавочных полюсов.
Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Мощность P, вращающий момент M на валу и частота вращения n (об/сек) двигателя связаны известным из механики соотношением:
P =W M =2p nM. (4.4)
Как следует из этого выражения, в двигательном режиме ЭДС меньше напряжения на якоре. В момент подачи напряжения сила тока в якоре максимальна, так как ротор неподвижен (n =0) и противоЭДС E =0. По мере разгона двигателя противоЭДС увеличивается, как это видно из выражения (4.2), и сила тока в якоре в соответствии с (4.3) уменьшается. Увеличение частоты вращения двигателя будет продолжаться до тех пор, пока его вращающий электромагнитный момент не станет равным моменту сопротивления нагрузки на валу (М эм= М сопр). Механическая мощность, передаваемая через вал рабочей машине, компенсируется электрической мощностью, поступающей от источника постоянного тока.
Если решить относительно частоты вращения систему из уравнений (4.2) и (4.3), то получим выражение электромеханической (токоскоростной) характеристики:
. (4.5)
Выразим силу тока якоря через электромагнитный момент согласно выражению (4.1) [ Ia = M /(cM Ф)] и после подстановки ее в (4.4), придем к уравнению механической характеристики n = f (M):
. (4.6)
Из полученного уравнения видно, что вид механической характеристики зависит от напряжения на якоре, магнитного потока главных полюсов и сопротивления цепи якоря r a.
Характер зависимости магнитного потока главных полюсов от нагрузки определяется типом возбуждения двигателя постоянного тока. При параллельном возбуждении обмотка возбуждения получает питание от внешнего источника так же, как и при независимом, поэтому вид механических характеристик для этих типов возбуждения аналогичен. При регулировании частоты вращения двигатель параллельного возбуждения часто включают по схеме независимого возбуждения. В лабораторной установке используется именно такое включение двигателя.
Если пренебречь размагничивающим действием поперечной реакции якоря, то при параллельном возбуждении и U =const магнитный поток главных полюсов F»const. При этих условиях согласно полученному уравнению (4.4) зависимость n = f (M) для двигателя параллельного возбуждения будет являться прямой, наклоненной к оси абсцисс (рис. 4.2).
Регулирование частоты вращения двигателей независимого возбуждения. Из уравнений(4.5) и (4.6) видно, что частоту вращения можно регулировать изменением следующих параметров: напряжения на якоре, магнитного потока главных полюсов и сопротивления цепи якоря. На рис. 4.2 представлены семейства механических характеристик при различных способах параметрического регулирования, где 1 – естественная характеристика, 2 и 3 – искусственные. Естественной называется механическая характеристика двигателя при номинальных значениях напряжения якоря и тока возбуждения, соответствующая нормальной схеме включения его обмоток при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях.
При идеальном холостом ходе (М =0) частота вращения n 0 двигателя, как это следует из уравнения (4.4), прямо пропорциональна напряжению U на якоре и обратно пропорциональна магнитному потоку F главных полюсов:
n 0= U /(cE F). (4.7)
Регулирование напряжения на якоре (рис. 4.2,а) влияет на частоту вращения при холостом ходе и, как следствие, приводит к изменению частоты вращения при нагрузке. Напряжение на якоре не должно существенно превышать номинальное значение, поэтому его обычно регулируют в сторону уменьшения (U 3< U 2< U 1), что приводит к снижению частоты вращения (n 3< n 2< n 1). Без учета размагничивающего действия поперечной реакции якоря (F»const) семейство механических характеристик 1…3 – параллельные прямые, так как коэффициент при независимой переменной М в уравнении (4.6) остается постоянным.
Рис. 4.2. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения
при регулировании: а) – напряжения на якоре, б) – тока возбуждения,
в) – сопротивления реостата в цепи якоря
Магнитный поток F главных полюсов регулируют током возбуждения. При этом одновременно изменяется и частота вращения холостого хода n 0, и крутизна механической характеристики (рис. 4.2,б). Значительное увеличение магнитного потока невозможно из-за насыщения магнитной цепи, поэтому его регулирование обычно производят в сторону уменьшения (F3<F2<F1), что при нагрузке сопровождается увеличением тока якоря. В диапазоне малых нагрузок (рис. 4.2,б) это приводит к увеличению частоты вращения (n 3> n 2> n 1). Можно показать, что при достаточно больших нагрузках, когда падение напряжение в цепи якоря превышает ЭДС (E > Iаrа), уменьшению магнитного потока соответствует уменьшение частоты вращения. Диапазон таких нагрузок более широкий в двигателях небольшой мощности, имеющих относительно большое сопротивление цепи якоря. Однако при больших нагрузках магнитный поток обычно не ослабляют, чтобы ток якоря не превышал номинального значения.
«Якорное» и «полюсное» регулирование частоты вращения достаточно экономично и находит широкое применение. В современных электроприводах оно реализуется путем использования для питания соответствующих цепей регулируемых источников постоянного тока (обычно управляемых полупроводниковых выпрямителей).
Для регулирования сопротивления цепи якоря в нее включают регулировочный реостат. С ростом сопротивления реостата (R рег3> R рег2>0) крутизна механической характеристики увеличивается (рис. 4.2,в), так как при F»const увеличивается коэффициент при независимой переменной М в уравнении (4.6). При этом частота вращения двигателя уменьшается: n 3< n 2< n 1.
Введение добавочного сопротивления в цепь якоря связано со значительным увеличением потерь в реостате и снижением общего КПД электропривода. Можно привести следующую ориентировочную оценку для частного случая (без учета потерь в двигателе): при снижении частоты вращения в 2 раза половина потребляемой от источника мощности будет теряться в регулировочном реостате. Поэтому в современных электроприводах реостатное регулирование частоты вращения не применяется.
Изменение направления вращения (реверс) двигателей параллельного и независимого возбуждения выполняют путем изменения полярности подводимого напряжения, обычно на якоре, цепь которого обладает меньшей индуктивностью, чем обмотка возбуждения.