Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением характеристики

Характерной особенностью ДПТ с ПВ является то, что его обмотка возбуждения (ПОВ) с сопротивлением посредством щеточно-коллекторного узла последовательно соединена с обмоткой якоря с сопротивлением , т.е. в таких двигателях возможно только электромагнитное возбуждение.

Принципиальная электрическая схема включения ДПТ с ПВ представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Схема электрическая принципиальная включения ДПТ с ПВ.

Для осуществления пуска ДПТ с ПВ последовательно с его обмотками включается добавочный реостат .

Уравнения электромеханической характеристики ДПТ с ПВ

Ввиду того, что в ДПТ с ПВ ток обмотки возбуждения равен току в обмотке якоря, в таких двигателях в отличие от ДПТ с НВ проявляются интересные особенности.

Поток возбуждения ДПТ с ПВ связан с током якоря (он же является и током возбуждения) зависимостью, называемой кривой намагничивания, представленной на рис. 3.2.

Как видно зависимость для малых токов близка к линейной, а с увеличением тока проявляется нелинейность, связанная с насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с ПВ так же и для ДПТ с независимым возбуждением имеет вид:

Рис. 3.2. Кривая намагничивания ДПТ с ПВ.

Из-за отсутствия точного математического описания кривой намагничивания, при упрощенном анализе можно пренебречь насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ, т. е. принять зависимость между потоком и током якоря линейной, как это показано на рис. 3.2 пунктирной линией. В этом случае можно записать:

где – коэффициент пропорциональности.

Для момента ДПТ с ПВ с учетом (3.17) можно записать:

Из выражения (3.3) видно, что в отличие от ДПТ с НВ у ДПТ с ПВ электромагнитный момент зависит от тока якоря не линейно, а квадратично.

Для тока якоря можно в этом случае записать:

Если подставить выражение (3.4) в общее уравнение электромеханической характеристики (3.1), то можно получить уравнение для механической характеристики ДПТ с ПВ:

Отсюда следует, что при ненасыщенной магнитной системе механическая характеристика ДПТ с ПВ изображается (рис. 3.3) кривой, для которой ось ординат является асимптотой.

Рис. 3.3. Механическая характеристика ДПТ с ПВ в предположении ненасыщенности его магнитной цепи.

Значительное увеличение скорости вращения двигателя в области малых нагрузок обуславливается соответствующим снижением величины магнитного потока.

Уравнение (3.5) является оценочным, т.к. получено при допущении о ненасыщенности магнитной системы двигателя. На практике по экономическим соображениям электродвигатели рассчитываются с определенным коэффициентом насыщения и рабочие точки лежат в районе колена перегиба кривой намагничивания.

В целом, анализируя уравнение механической характеристики (3.5), можно сделать интегральный вывод о «мягкости» механической характеристики, проявляющейся в резком уменьшении скорости при увеличении момента на валу двигателя.

Если рассматривать механическую характеристику, изображенную на рис. 3.3 в области малых нагрузок на валу, то можно сделать вывод, что понятие скорости идеального холостого хода для ДПТ с ПВ отсутствует, т. е. при полном сбросе момента сопротивления двигатель идет в «разнос». При этом его скорость теоретически стремится к бесконечности.

С увеличением нагрузки скорость вращения падает и равняется нулю при значении момента короткого замыкания (пускового):

Далее скорость вращения асимптотически приближается к значению в 4 квадранте системы координат.

Как видно из (3.21) у ДПТ с ПВ пусковой момент при отсутствии насыщения пропорционален квадрату тока короткого замыкания- При конкретных расчетах пользоваться оценочным уравнением механической характеристики (3.5) нельзя. В этом случае построение характеристик приходится вести графо-аналитическими способами. Как правило, построение искусственных характеристик производится на основании данных каталогов, где приводятся естественные характеристики: и .

Реальный ДПТ с ПВ

В реальном ДПТ с ПВ вследствие насыщения магнитной системы но мере увеличения нагрузки на валу (а, следовательно, и тока якоря) в области больших моментов, наблюдается прямая пропорциональность между моментом и током, поэтому механическая характеристика становится там практически линейной. Это относится как к естественной, так и к искусственным механическим характеристикам.

Кроме того, в реальном ДПТ с ПВ даже в режиме идеального холостого хода существует остаточный магнитный поток , вследствие чего скорость идеального холостого хода будет иметь конечную величину и определяться выражением:

Но так как величина незначительна, то может достигать значительных величин. Поэтому у ДПТ с ПВ, как правило, запрещается сбрасывать нагрузку на валу более чем на 80% отноминальной.

Исключением являются микродвигатели, у которых и при полном сбросе нагрузки остаточный момент трения достаточно велик для того, чтобы ограничить скорость холостого хода. Склонность ДПТ с ПВ идти в «разнос» ведет к тому, что их роторы выполняются механически усиленными.

Сравнение пусковых свойств двигателей с ПВ и НВ

Как следует из теории электрических машин, двигатели рассчитываются на конкретный номинальный ток . При этом ток короткого замыкания не должен превышать значения

где – коэффициент перегрузки по току, который обычно лежит в диапазоне от 2 до 5.

В случае, если имеются два двигателя постоянного тока: один с независимым возбуждением, а второй с последовательным возбуждением, рассчитанные на одинаковый ток , то допустимый ток короткого замыкания у них также будет одинаковым, в то время как пусковой момент у ДПТ с НВ будет пропорционален току якоря в первой степени:

а у идеализированного ДПТ с ПВ согласно выражению (3.6) квадрату тока якоря;

Из этого следует, что при одинаковой перегрузочной способности пусковой момент ДПТ с ПВ превосходит пусковой момент ДПТ с НВ.

При прямом пуске двигателя ударные значения тока , поэтому обмотки двигателя могут быстро перегреться и выйти из строя, кроме того большие токи негативно влияют и на надежность щеточно-коллекторного узла.

(Оказанное обуславливает необходимость ограничения до какой-либо приемлемой величины либо введением в якорную цепь дополнительного сопротивления , либо уменьшением питающего напряжения .

Величина максимально допустимого тока определяется коэффициентом перегрузки .

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой пуск без добавочные сопротивлений, но с ростом габаритов ДПТ необходимо производить реостатный пуск. особенно, если привод с ДПТ с ПВ используется в нагруженных режимах с частыми пусками и торможениями.

Способы регулирования угловой скорости вращения ДПТ с ПВ

Как следует из уравнения электромеханической характеристики (3.1) угловую скорость вращения можно регулировать, как и у ДПТ с НВ, изменением , и .

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения механической характеристики (3.1) при изменении питающего напряжения можно получить семейство механические характеристик, изображенных на рис. 3.4. При этом величина напряжения питания регулируется, как правило, при помощи тиристорных преобразователей напряжения или систем «Генератор-двигатель».

Рис 3.4. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях напряжения питания якорной цепи

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения представляет собой электрическую машину постоянного тока, в которой обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Для данного типа двигателей справедливо равенство: ток, протекающий в якорной обмотке, равен току в обмотке возбуждения I=I в =I я , что является его главной отличительной особенностью от остальных типов двигателей .

Рисунок 1 – Схема подключения ДПТ ПВ

Стоит обратить внимание на зависимость магнитного потока от нагрузки Ф=f(I_я). Если двигатель будет работать на 25% своей номинальной мощности или меньше, то магнитный поток будет крайне мал, что приведет к постоянному увеличению скорости вала. Препятствовать разгону будут лишь механические потери, и двигатель пойдет в "разнос" . Это приведет к быстрому выходу машины из строя. Все описанное в соответствии с формулой:

Исходя из вышесказанного, ДПТ ПВ нельзя использовать на холостом ходу , постоянно требуется контроль тока якоря. С этой целью последовательно с обмоткой возбуждения устанавливают минимальное токовое реле, которое замыкает якорную цепь только в том случае, если нагрузка на валу достаточна для поддержания номинальной работы двигателя.

Пуск двигателя производят с пусковым сопротивлением, также включенным последовательно в цепь якоря. После пуска это сопротивление выводят, и машина продолжает работать в номинальном режиме на своей естественной характеристике.

Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ одинаковы и имеют гиперболический вид (рисунок 2).

Рисунок 2 – Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ

Скорость вращения ротора двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением производится регулированием двух параметров:

Для изменения скорости при помощи входного напряжения, в роторную цепь вводят специальное добавочное сопротивление, или же можно использовать пусковой реостат и для этой цели. Но следует заметить, данный способ является крайне неэкономичным и нецелесообразным, так как большое количество энергии будет рассеиваться на реостате.

Регулировка скорости изменением магнитного потока, осуществляется включением реостата параллельно обмотке возбуждения. Изменяя сопротивление – меняем ток, протекающий через обмотку возбуждения. Иногда обмотку возбуждения разбивают на несколько параллельных секций. В некоторых типах двигателей предусмотрена возможность отключения витков обмотки, так добиваются того же эффекта регулирования.

Тормозные режимы

В данном двигателе отсутствует режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть. На рисунке 2 вы можете видеть, что ветка гиперболы естественной характеристики не пересекает ось ординат (отрицательная скорость отсутствует).

Торможение противовключением получают путем переключения выводов якорной обмотки.

ДПТ ПВ нельзя соединять с механизмом при помощи ременной передачи, так как соскакивание или разрыв ремня приведет к разгрузке двигателя, что вызовет мгновенное повышение числа оборотов и последующему выходу из строя.

ДПТ ПВ нашли свое основное применение в качестве тяговых двигателей подвижного состава электровозов общего назначения, электровозов метрополитена и в трамваях.

В двигателе последовательного возбуждения, который иногда называют сериесным, обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря (рис. 1). Для такого двигателя справедливо равенство I_в=I_a=I, следовательно, его магнитный поток Ф зависит от нагрузки Ф=f(I_a). В этом главная особенность двигателя последовательного возбуждения и она определяет его свойства.

Рис. 1 — Схема электродвигателя последовательного возбуждения

Скоростная характеристика представляет зависимость n=f(I_a) при U=U_н. Она не может быть точно выражена аналитически во всем диапазоне изменения нагрузки от холостого хода до номинальной из-за отсутствия прямой пропорциональной зависимости между I_a и Ф. Приняв допущение Ф=кI_a, запишем аналитическую зависимость скоростной характеристики в виде

При увеличении тока нагрузки гиперболический характер скоростной характеристики нарушается и приближается к линейному, так как при насыщении магнитной цепи машины с увеличением тока I_a магнитный поток остается практически постоянным (рис. 2). Крутизна характеристики зависит от величины ?r.

Рис. 2 — Скоростные характеристики двигателя последовательного возбуждения

Таким образом, скорость сериесного двигателя резко изменяется с изменением нагрузки и такая характеристика называется «мягкой».

При малых нагрузках (до 0,25 I_н) скорость двигателя после­довательного возбуждения может возрасти до опасных пределов (двигатель идет «вразнос»), поэтому работа таких двигателей на холостом ходу не допускается.

Моментная характеристика — это зависимость M=f(I_a) при U=U_н. Если предположить, что магнитная цепь не насыщена, то Ф=кI_a и, следовательно , имеем

Это уравнение квадратичной параболы.

Кривая моментной характе­ристики изображена на рисунке 3.8. По мере увеличения тока I_a магнитная система двигателя насыщается, и характеристика постепенно приближается к прямой.

Рис. 3 — Моментная характеристика двигателя последовательного возбуждения

Таким образом, электродвигатель последовательного возбуждения развивает момент, пропорциональный I_a 2 , что и определяет главное его преимущество. Так как при пуске I_a=(1,5..2)I_н, то двигатель последовательного возбуждения развивает значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения, поэтому он широко используется в условиях тяжелых пусков и при возможных перегрузках.

Механическая характеристика представляет собой зависимость n=f(M) при U=U_н. Аналитическое выражение этой характеристики может быть получено только в частном случае, когда магнитная цепь машины ненасыщенна и поток Ф пропорционален току якоря I_a. Тогда можно записать

Решая совместно уравнения , получаем

т.е. механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения, также как и скоростная, имеет гиперболический характер (рис. 4).

Рис. 4 — Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

Характеристика КПД двигателя последовательного возбуждения имеет обычный для электродвигателей вид (рис. 2 ).