Характеристики двигателей постоянного тока (ДПТ)

Двигатели постоянного тока имеют якорь и обмотку возбуждения. На рисунке 3.1 изображена упрощенная конструкция ДПТ (не указана станина, обмотки дополнительных полюсов, магнитопровод и т.п.)

Рисунок 3.1. Упрощенное изображение конструкции ДПТ: Я1-Я2 – выводы обмотки якоря; Ш1- Ш2 – обмотки возбуждения

В зависимости от того, как включаются эти обмотки, различают ДПТ: параллельного возбуждения; независимого возбуждения; последовательного возбуждения; смешенного возбуждения (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2. Принципиальные электрические схемы включения основных обмоток ДПТ различных систем возбуждения

Момент двигателя получается в результате взаимодействия поля Ф и тока якоря I_я:

. (3.1)

где k – коэффициент пропорциональности.

При вращении якоря со скоростью ω в магнитном поле Ф в его обмотке индуктируются ЭДС, направленная на встречу напряжению.

. (3.2)

Таким образом, напряжения U_я уравновешивается ЭДС E и падению напряжения на обмотке якоря:

. (3.3)

где R_я -сопротивление обмотки якоря, Ом.

При нулевой скорости якоря , в нем не индуктируется ЭДС, и тогда:

. (3.4)

. (3.5)

Из этого выражения определяется пусковой ток коря. Поскольку R_я мало, то пусковой ток получается большой .

Двигатели в электроприводе характеризуются двумя характеристиками: – электромеханическая характеристика; – механическая характеристика.

Установим уравнение электромеханической характеристики для двигателей постоянного тока независимого возбуждения для которых .

Подставим уравнения (3.2) в (3.3):

. (3.6)

Из этого уравнения найдем значение скорости:

. (3.7)

Это есть уравнение электромеханической характеристики. Скорость ω ₀ называется скоростью идеального холостого хода:

. (3.8)

Уравнение (3.7) есть уравнение прямой линии, которая проводится между точками ω ₀ и I_я.пуск. Рабочая часть характеристики находится между точками ω ₀ и N (рисунок 3.3):

Рисунок 3.3. Электромеханическая и механическая характеристики ДПТ параллельного или независимого возбуждения

Чтобы получить уравнение механической характеристики, подставим в уравнение (3.7) значение тока из уравнения (3.1). Получим:

. (3.9)

Уравнение (3.9) есть также уравнение … линии которая проходит между точками ω ₀ и M_пуск. При соответствующем выборе масштаба механическую и электромеханическую характеристики можно изобразить одной линией (рисунок 3.3).

В двигателях последовательного возбуждения, ток якоря создает магнитный поток возбуждения, поэтому , и моменты, развиваемый двигателем пропорционален квадрату тока . Это значительно усложняет аналитический расчет электромеханической и механической характеристик.

Рисунок 3.4. Зависимость момента двигателя от тока якоря для ДПТ последовательного и параллельного возбуждения

Для расчета электромеханической и механической характеристик ДПТ последовательного возбуждения пользуются универсальными характеристиками изображенными на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Примерный вид универсальных характеристик ДПТ последовательного возбуждения

Универсальные характеристики задаются в относительных единицах в осях μ – i b и ν – i:

, , , (3.10)

где , , – момент, скорость, ток при номинальной нагрузке;

, , – текущее значения момента, скорости и тока.

Для построения механической и электромеханической характеристики задаемся относительным значением тока i₁, i_2, i₃ и т.д., и находят по графикам относительные значения скорости ν ₁, ν _2, ν ₃ и т.д., а также относительные значения момента μ _1, μ _2, μ ₃ и т.д. Эти значения записывают по форме таблица 3.1.

Таблица 3.1

Далее по (3.10) вычисляют ; и . Электромеханическую характеристику строят по данным ω и I_я, а механическую – по данным ω и M. Их примерный вид изображен на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Особенностью этих характеристик является то, что они не пересекаются со скоростью ω, т.е. не имеют скорости идеального холостого хода ω ₀, следовательно, и генераторного торможения. Их скорость при малой нагрузке увеличивается в 3 – 5 раз, поэтому без нагрузки их нельзя эксплуатировать. В тоже время их механическая характеристика была принята для транспортных устройств.

У двигателя смешенного возбуждения параллельная обмотка создает поле, направление согласно с полем последовательной обмотки, поэтому при малом токе якоря скорость двигателя определенная, соответствует скорости идеального холостого хода. Характеристики механическая и электромеханическая пересекаются с осью скорости (рисунок 3.7б и 3.7в).

В связи с нелинейностью момента таких двигателей от тока, создаваемой последовательной обмоткой возбуждения, аналитическое выражение для механических и электромеханических характеристик получить затруднительно. Поэтому заводы – изготовители задают их в виде универсальных характеристик (рисунок 3.7а).

Преимущество таких электродвигателей при одном и том же токе якоря они создают больший момент, чем двигатели параллельного возбуждения.

Рисунок 3.7 Универсальные характеристики (а), электромеханическая (б) и механическая (в) характеристики смешенного возбуждения