Двигатель с параллельным возбуждением является наилучшим среди двигателей постоянного тока для привода механизмов, требующих почти постоянной частоты вращения и в то же время экономичного регулирования скорости. Схема этого двигателя показана на рис. 4-25.
Рис. 4-25. Двигатель параллельного возбуждения.
Зажимы пускового реостата обозначаются: Л - присоединяемый к линии (питающей сети); М - к зажимам обмотки возбуждения и Я - к зажимам якоря. Черными кружками (рис. 4-25) обозначены рабочие контакты, а пропуски между ними соответствуют секциям сопротивлений реостата. Металлическая дуга 3 при работе двигателя постоянно соединяет зажим Л с зажимами шунтового реостата, регулирующего ток возбуждения Перед замыканием рубильника Необходимо убедиться, что рычаг (подвижный контакт) 1 пускового реостата 2 стоит на холостом контакте 0. Подвижный контакт шунтового реостата в цепи возбуждения должен находиться в крайнем левом положении, при котором сопротивление реостата минимально.
При замыкании рубильника и переводе рычага пускового реостата на первый из рабочих контактов ток двигателя разветвляется на ток якоря и ток обмотки возбуждения
Таким образом, ток в питающей цепи
Первый бросок тока в зависимости от величины пускового сопротивления Под действием начального вращающего момента якорь начинает вращаться и с нарастанием скорости ток якоря уменьшается. Тогда рычаг пускового реостата, может быть переведен на второй контакт. При этом ток якоря, увеличившись броском, вызовет увеличение вращающего момента и дальнейшее приращение скорости, а затем вновь начинает уменьшаться. Тогда рычаг реостата переводят на следующий контакт и т. д. Пуск заканчивается, когда все сопротивление выведено и на якорь подано полное напряжение Сопротивление пускового реостата обычно рассчитано на кратковременную работу пуска и оставлять рукоятку реостата на промежуточных контактах длительно нельзя.
Рис. 4-26. Скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения.
Чем быстрее нарастает противо-э. д. с. якоря, тем скорее, уменьшается ток и тем меньше нагрев обмотки якоря. Поэтому пуск производят всегда при наибольшем токе возбуждения, замыкая, накоротко сопротивление регулировочного реостата (рис. 4-25). Тогда магнитный поток машины Ф и противо-э. д. с. будут максимальны. Кроме того, электродвигатель при пуске должен развивать повышенный вращающий, момент, а это может быть также при наибольшем магнитном потоке формула (4-8)].
Перед отключением двигателя переводят рычаг пускового реостата на нулевой контакт, а затем размыкают рубильник. Этим исключается подгорание контактов рубильника.
Скоростная характеристика двигателя при показана на рис. 4-26 кривой 1. При отсутствии механической нагрузки ток холостого хода и скорости наибольшая:
При увеличении нагрузки (момента сопротивления) на валу двигателя частота вращения падает незначительно, так как автоматическое увеличение вращающего момента происходит за счет увеличения тока в цепи якоря который согласно уравнению (4-14а) резко возрастает при незначительном уменьшении противо-э. д. с. вследствие малой величины сопротивления цепи якоря Такая характеристика называется жесткой.
Рис. 4-27. Рабочце характеристики двигателя параллельного возбуждения.
При неизменном токе возбуждения магнитный поток Ф можно считать приблизительно постоянным, так как влияние реакции якоря незначительно.
Тогда вращающий момент двигателя
приблизительно пропорционален току Поэтому если отложить М по оси абсцисс на рис. 4-26, то получится механическая характеристика двигателя, т. е.
Очень удобны для пользования рабочие характеристики (рис. 4-27), даваемые в каталогах и описаниях электродвигателя. Это
при , где - к. п. д. двигателя, а - полезная мощность на валу.
Развиваемая на валу мощность двигателя
а вращающий момент
При неизменной частоте вращения зависимость была бы прямой линией, проходящей через начало координат. Однако скорость при увеличении падает и момент не пропорционален Ток при неизменном U пропорционален мощности в цепи питания Так как потери двигателя малы, то ток приблизительно пропорционален .
Регулирование скорости двигателя с параллельным возбуждением обычно производится изменением тока возбуждения. Этот способ дает экономичное плавное регулирование в пределах 1: 1,5, а в специальном исполнении - до 1:8. Регулирование происходит следующим образом. Вращающий момент двигателя при Ф = const пропорционален току а ток
Вследствие малой величины падение напряжения в цепи якоря невелико. Поэтому при постоянных значениях U и якоря может значительно возрасти при небольшом уменьшении противо-э. д. с.
Например, при и при токе якоря противо-э. д. с. . Если противо-э. д. с. уменьшится всего на 10 В (примерно на 5%) и будет , то ток якоря , т. е. увеличится в 3 раза.
Таким образом, если при некоторой постоянной нагрузке и частоте вращения уменьшить ток возбуждения например на 5%, то. на столько же сразу уменьшатся магнитный поток Ф и противо-э. д. с. Е. Это вызовет резкое увеличение тока якоря и вращающего момента, причем избыточный момент пойдет на ускорение вращения якоря. Однако по мере нарастания скорости якоря противо-э. д. с. снова увеличится, ток якоря уменьшится до величины, при которой вращающий момент примет прежнее значение. Таким образом, при равенстве установится новая постоянная частота вращения, большая прежней.
При таком способе регулирования потери энергии в регулировочном реостате (мощность потерь Гвгв) очень малы, так как составляет всего
Этот способ позволяет изменять частоту вращения двигателя в сторону ее увеличения выше номинальной.
Если при неизменной нагрузке на валу двигателя включить добавочное сопротивление гл последовательно с обмоткой якоря, то в первый момент ток якоря уменьшится, отчего уменьшится вращающий момент и, так как момент сопротивления окажется больше, скорость уменьшится. Однако вследствие уменьшения скорости и противо-э. д. с. ток якоря станет возрастать, будет возрастать вращающий момент и при равенстве моментов дальнейшее снижение скорости прекратится.
Двигатель будет продолжать работать с постоянной, но пониженной частотой вращения. Этот способ - регулирования неэкономичен вследствие значительных потерь энергии в сопротивлении реостата.
Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.
Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = I я + I в, где I я - ток якоря, I в – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом I в не зависит от I я, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.
В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:
- Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
- Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).
При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.
Сферы применения двигателя
Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:
- вентиляторами;
- насосами;
- шахтными подъемниками;
- подвесными электрическими дорогами;
- станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).
Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.
Регулирование частоты вращения
Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.
Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:
- Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
- Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:
- способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
- связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.
- Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.
Двигатель с независимым возбуждением
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.
Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.
Возбуждение двигателя постоянного тока является отличительной особенностью таких двигателей. От типа возбуждения зависят механические характеристики электрических машин постоянного тока. Возбуждение может быть параллельным последовательным смешанным и независимым. Тип возбуждения означает, в какой последовательности включены обмотки якоря и ротора.
При параллельном возбуждении обмотки якоря и ротора включаются параллельно друг другу к одному источнику тока. Так как у обмотки возбуждения больше витков чем у якорной то и ток в ней течет незначительный. В цепи, как обмотки ротора, так и обмотки якоря могут включаться регулировочные сопротивления.
Рисунок 1 — схема параллельного возбуждения машины постоянного тока
Обмотка возбуждения может подключаться и к отдельному источнику тока. В этом случае возбуждение будет называться независимым. У такого двигателя характеристики будут схожи с двигателем, в котором применяется постоянный магнит. Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением, как и у двигателя с параллельным возбуждением зависит от тока якоря и основного магнитного потока. Основной магнитный поток создается обмоткой ротора.
Рисунок 2 — схема независимого возбуждения машины постоянного тока
Скорость вращения можно регулировать с помощью реостата включенного в цепь якоря изменяя тем самым ток в нем. Также можно регулировать ток возбуждения, но здесь нужно быть осторожным. Так как при его чрезмерном уменьшении или полном отсутствии в результате обрыва питающего провода ток в якоре может возрасти до опасных значений.
Также при малой нагрузке на валу или в режиме холостого хода скорость вращения может настолько увеличится, что может привести к механическому разрушению двигателя.
Если обмотка возбуждения включена последовательно с якорной, то такое возбуждение называется последовательным. При этом через якорь и обмотку возбуждения протекает один и тот же ток. Таким образом, магнитный поток изменяется с изменением нагрузки двигателя. А следовательно скорость двигателя будет зависеть от нагрузки.
Рисунок 3 — схема последовательного возбуждения машины постоянного тока
Двигатели с таким возбуждением нельзя запускать на холостом ходу либо с небольшой нагрузкой на вал. Их применяют в том случае если, требуется большой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки.
При смешанном возбуждении используются двигатели, у которых на каждом полюсе есть по две обмотки. Их можно включить так чтобы магнитные потоки как складывались, так и вычитались.
Рисунок 4 — схема смешанного возбуждения машины постоянного тока
В зависимости от того как соотносятся магнитные потоки двигатель с таким возбуждением может работать как двигатель с последовательным так и двигатель с параллельным возбуждением. Все зависит от ситуации, если нужен большой стартовый момент, такая машина работает в режиме согласного включения обмоток. Если же необходима постоянная скорость вращения, при динамически изменяющейся нагрузке применяют встречное включение обмоток.
В машинах постоянного тока можно изменять направление движения ротора. Для этого необходимо изменить направление тока в одной из обмоток. Якорной либо возбуждения. Изменением полярности направление вращения двигателя можно добиться только в двигателе с независимым возбуждением, или в котором используется постоянный магнит. В других схемах включения нужно переключать одну из обмоток.
Стартовый ток в машине постоянного тока достаточно велик, поэтому ее следует запускать с добавочным реостатом, чтобы избежать повреждения обмоток.
Электродвигателю постоянного тока со смешанным возбуждением (компаундному электродвигателю) до некоторой степени присущи свойства рассмотренных выше электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Данный электродвигатель снабжается двумя обмотками возбуждения: последовательной и параллельной.
Принципиальная схема такого электродвигателя приведена на рис. 31, где последовательная обмотка обозначена СОВ , а параллель ная- ШОВ . Обычно на клеммных коробках электродвигателей обозначают: выводы от последовательной обмотки С 1 и С 2 , выводы от параллельной обмотки - Ш 1 и Ш 2 , а выводы от обмотки якоря - Я 1 и Я 2 . На схемах же указанные обмотки могут обозначаться по-разному: СОВ и ШОВ , С 1 - С 2 и Ш 1 -Ш 2 .
Последовательная и параллельная обмотки возбуждения могут включаться двояким образом. В одних случаях они включаются так, чтобы создаваемые ими ампер-витки, а следовательно, и магнитные потоки складывались. Такое включение обмоток принято называть согласным . Очевидно, что при согласном включении результирующий магнитный поток электродвигателя
В других случаях обмотки возбуждения включаются в цепь таким образом, чтобы создаваемые ими ампер-витки (и магнитные потоки) были направлены навстречу друг другу. Такое включение обмоток называют встречным . При встречном включении результирующий магнитный поток электродвигателя
Встречное включение обмоток возбуждения применяется лишь в машинах специального назначения. В обычных же крановых электродвигателях со смешанным возбуждением обмотки всегда включены согласно, поэтому при дальнейшем изложении материала будем предполагать, что ампер-витки обеих обмоток (и магнитные потоки) складываются, т. е. обмотки включены согласно и для электродвигателя справедливо равенство (69).
Наличие двух обмоток возбуждения позволяет конструировать и изготавливать электродвигатели с различными свойствами и характеристиками. При естественной схеме включения характеристики рассматриваемого электродвигателя жестче, чем у электродвигателей с последовательным возбуждением, и мягче, чем у электродвигателей с параллельным возбуждением. Однако в зависимости от соотношения ампер-витков, создаваемых параллельной и последовательной обмотками, характеристики электродвигателя по своему характеру приближаются либо к характеристикам электродвигателя с последовательным возбуждением, либо с параллельным.
Для подъемно-транспортных машин выпускаются электродвигатели, в которых при полной нагрузке половина ампер-витков возбуждения создается параллельной обмоткой, а половина - последовательной.
В случае изменения нагрузки магнитный поток электродвигателя со смешанным возбуждением не остается постоянным, так как ампер-витки, создаваемые последовательной обмоткой, определяются током якоря. Зависимость результирующего магнитного потока от тока якоря приведена на рис. 32, а , который показывает, что каждому значению тока якоря соответствует определенный магнитный поток и, следовательно, вращающий момент М = к ФI я при изменении нагрузки меняется не только за счет изменения тока якоря, но и за счет магнитного потока возбуждения. Зависимость М = f (I я ) для электродвигателя со смешанным возбуждением показана на рис. 32, б .
Схема двигателя.
Схема двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.25. Обмотка якоря и обмотка возбуждения включены параллельно. В этой схеме: I – ток, потребляемый двигателем из сети, I я – ток якоря, I в – ток возбуждения. Из первого закона Кирхгофа следует, что I = I я + I в.
Естественная механическая характеристика. Естественная механическая характеристика описывается формулой (1.6).
При холостом ходе М = 0 и n х = U/С Е Ф.
Если Ф = const, то уравнение механической характеристики принимает вид:
n = n х – b М, (1.8)
где b = R я /С Е Ф.
Из (1.8) следует, что механическая характеристика (рис. 1.26, прямая 1) – прямая с углом наклона a и угловым коэффициентом b. Так как у двигателей постоянного тока R я мало, то с увеличением нагрузки на валу частота вращения n изменяется незначительно – характеристики подобного типа называются «жесткими».
Ток, потребляемый двигателем из сети, практически растет пропорционально моменту нагрузки. Действительно, М » М эм = С м I я Ф, и так как у двигателя параллельного возбуждения Ф = const, то I я ~ М.
Регулирование частоты вращения.
Регулирование частоты вращения возможно из (1.6) тремя способами: изменением магнитного потока главных полюсов Ф, изменением сопротивления цепи якоря R я и изменением подводимого к цепи якоря напряжения U (изменение n за счет изменения момента нагрузки М в понятие регулирования не входит).
Регулирование n изменением магнитного потока Ф осуществляется с помощью регулировочного реостата R р. При увеличении сопротивления реостата ток возбуждения I в и магнитный поток главных полюсов Ф уменьшаются. Это приводит, во-первых, к увеличению частоты вращения холостого хода n х и, во-вторых, к увеличению коэффициента b, т.е. к увеличению угла наклона механической характеристики. Однако b остается небольшим и жесткость механических характеристик сохраняется. На рис. 1.28 помимо естественной характеристики 1, соответствующей максимальному магнитному потоку Ф, приведено семейство механических характеристик 2-4, снятых при уменьшенном магнитном потоке. Из характеристик следует, что изменением магнитного потока можно только увеличивать частоту вращения относительно естественной характеристики. Практически частоту вращения таким методом можно увеличивать не более чем в 2 раза, так как увеличение скорости приводит к ухудшению коммутации и даже механическим повреждениям машины.
Другой способ регулирования скорости связан с включением последовательно с якорем регулировочного реостата R я.р (пусковой реостат R п для этой цели непригоден, так как он рассчитан на кратковременный режим работы). Формула (1.6) при этом принимает вид:
n = 
,
откуда следует, что скорость при холостом ходе при любом сопротивлении R я.р одинакова, а коэффициент b и, следовательно, наклон механических характеристик 5-7 увеличивается (рис. 1.26). Регулирование частоты вращения этим способом приводит к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. Кроме того, оно неэкономично, так как связано с большой мощностью потерь (R я.р I ) в регулировочном реостате, по которому протекает весь ток якоря.
Третий способ регулирования частоты вращения – безреостатное изменение подводимого к якорю напряжения. Он возможен только в случае, когда якорь двигателя питается от отдельного источника, напряжение которого можно регулировать. В качестве регулируемого источника применяются отдельные, специально предназначенные для данного двигателя генераторы или управляемые вентили (тиратроны, ртутные выпрямители, тиристоры). В первом случае образуется система машин, называемая системой Г-Д (генератор – двигатель), (рис. 1.27). Она применяется для плавного регулирования в широких пределах частоты вращения мощных двигателей постоянного тока и в системах автоматического управления. Система регулирования с управляемыми вентилями УВ (рис. 1.28) находит применение для регулирования частоты вращения двигателей меньшей мощности. Ее преимущество – большая экономичность.
Регулирование частоты вращения изменением U практически возможно только в сторону уменьшения, так как увеличение напряжения выше номинального недопустимо из-за резкого ухудшения коммутации. Из (1.9) следует, что при уменьшении напряжения уменьшается скорость холостого хода n х, а наклон механических характеристик 8-10 не изменяется (см. рис. 1.26), они остаются жесткими даже при низких напряжениях. Диапазон регулирования (n max /n min) таким способом 6:1-8:1. Он может быть значительно расширен при применении специальных схем с обратными связями.
Регулировочная характеристика.
Регулировочная характеристика n=f(I в) двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.29.
Ее характер определяется зависимостью (1.5), из которой следует, что частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку и, следовательно, току возбуждения I в. При токе возбуждения I в = 0, что может быть при обрыве цепи возбуждения, магнитный поток равен остаточному Ф ост и частота вращения становится настолько большой, что двигатель может механически разрушиться, – подобное явление называется разносом двигателя.
Физически явление разноса объясняется тем, что вращающий момент (1.2) при уменьшении магнитного потока, казалось бы, должен уменьшиться, однако ток якоря I я = (U – E)/R я увеличивается значительнее, так как уменьшается Е (1.1) и разность U – E увеличивается в большей степени (обычно Е » 0,9 U).
Тормозные режимы.
Тормозные режимы двигателя имеют место тогда, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, действует против направления вращения якоря. Они могут возникать в процессе работы двигателя при изменении условий работы или создаваться искусственно с целью быстрого уменьшения скорости, остановки или реверсирования двигателя.
У двигателя параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: генераторное торможение с возвратом энергии в сеть, торможение противовключением и динамическое торможение.
Генераторное торможение возникает в тех случаях, когда частота вращения якоря n становится больше частоты вращения при идеальном (т.е. при М пр = 0) холостом ходе n x (n>n x). Переход в этот режим из режима двигателя возможен, например, при спуске груза, когда момент, создаваемый грузом, приложен к якорю в том же направлении, что и электромагнитный момент двигателя, т.е. тогда, когда момент нагрузки действует согласно с электромагнитным моментом двигателя и он набирает скорость, большую чем n x . Если n>n x , то Е>U c (где U c – напряжение сети) и ток двигателя изменяет свой знак (1.4) – электромагнитный момент из вращающего становится тормозным, а машина из режима двигателя переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть (рекуперация энергии). Переход машины из двигательного режима в генераторный иллюстрируется механической характеристикой (рис. 1.30). Пусть в двигательном режиме a 1 – рабочая точка; ей соответствует момент М. Если частота вращения увеличивается, то рабочая точка по характеристике 1 из квадранта I переходит в квадрант II, например, в рабочую точку a 2 , которой соответствует частота вращения n΄ и тормозной момент – М΄.
Торможение противовключением возникает в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или тока возбуждения переключается на противоположное. Электромагнитный момент при этом изменяет знак и становится тормозным.
Работе двигателя с противоположным направлением вращения соответствуют механические характеристики, располагающиеся в квадрантах II и III (например, естественная характеристика 2 на рис. 1.30).
Внезапный переход на эту характеристику практически недопустим, так как сопровождается чрезмерно большим броском тока и тормозного момента. По этой причине одновременно с переключением одной из обмоток в цепь якоря включается добавочное сопротивление R доб, ограничивающее ток якоря.
Механическая характеристика режима с R доб имеет большой наклон (прямая 3). При переходе в режим противовключения частота вращения n в первый момент измениться не может (из-за инерционности якоря) и рабочая точка из положения a 1 перейдет в положение a 3 на новой характеристике. Из-за появления М тор частота вращения n будет быстро падать до тех пор, пока рабочая точка a 3 не перейдет в положение a 4 , соответствующее остановке двигателя. Если в этот момент двигатель не отключить от источника питания, то якорь изменит направление вращения. Машина начнет работать в двигательном режиме с новым направлением вращения, а ее рабочая точка a 5 будет находиться на механической характеристике 3 в квадранте III.
Динамическое
торможение
возникает в тех случаях, когда якорь двигателя отключается от сети и замыкается на сопротивление динамического торможения R д.т. Уравнение характеристики (1.6) принимает вид:
n = 
что соответствует семейству прямых 4 (при разных R д.т), проходящих через начало координат. При переключении в этот режим рабочая точка a 1 переходит на одну из характеристик 4, например, в точку a 6 , а затем перемещается по прямой 4 до нуля. Якорь двигателя тормозится до полной остановки. Изменением сопротивления R д.т можно регулировать ток якоря и скорость торможения.
