Механическая характеристика двигателя постоянного тока и    способы регулирования его частоты вращения

Зависимость установившейся частоты вращения n якоря от момента M на валу двигателя при постоянном напряжении U и сопротивлении R _я цепи якоря называется механической характеристикой двигателя:

n=f (M) при U = const, R _я =const.

  Для получения уравнения механической характеристики запишем выра­жение второго закона Кирхгофа для цепи якоря:

U = Е _я + I _я R _я,

где Е _я = С_е n Ф - ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря.

С учетом этих значений уравнение частоты вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением   примет вид

n = (U  – I _я R _я ) / С_е Ф.

Вращающий момент двигателя с параллельным возбуждением

М = С _м Ф I _я,

отсюда ток якоря

I _я = М  / С _м Ф.

     Тогда зависимость частоты вращения от вращающего момента

выразится зависимостью

 

Из уравнения следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно тремя способами:

1) включением добавочного  сопротивления R _доб в цепь обмотки якоря (реостатным регулированием);

2) изменением магнитного потока Ф (полюсным регулированием);

3) изменением питающего напряжения U (якорным регулированием).

Рассмотрим эти способы регулирования на примере двигателей постоянного тока с параллельным и независимым способами возбуждения (как получивших наибольшее распространение) при постоянном моменте нагрузки на валу (рис.8.45).  

В момент пуска эдс Е _я =0 якоря равна нулю и I _я = U _я/ R _я, что в 10-30 раз больше номинального тока. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь обмотки якоря включают добавочное R _доб сопротивление, называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней.

.Уравнение частоты вращения двигателя при включении добавочного R _доб   пускового сопротивления в цепь якоря примет вид

n = (U  – I _я (R _я + R _доб)) / С_е Ф.

При отсутствии дополнительного добавочного сопротивления в цепи якоря (R _доб= 0) и номинальных значениях магнитного потока обмотки возбуждения и напряжения механическая характеристика n = f (M) имеет вид прямой линии, наклоненной к оси абсцисс (рис.8.46).  Такая механическая характеристика называется естественной. Это очень пологая прямая. Уменьшение частоты вращения не превышает 6…7 % от номинального значения и обусловлено, главным образом, наличием внутреннего сопротивления обмотки якоря.

 

Включение дополнительного сопротивления R _доб в цепь якоря позво­ляет получить семейство искусственных механических характеристик. Все эти характеристики расположены ниже естественной.

Реостатный способ регулирования находит широкое применение, так как позволяет получить любую пониженную частоту вращения при заданном моменте нагрузки на валу.

К недостаткам данного способа относятся:

1) трудность поддержания частоты вращения при изменении момента нагрузки;

2) дополнительные потери мощности на регулировочном реостате, включенном в цепь обмотки якоря.

Изменение сопротивления в цепи обмотки возбуждения (полюсное регулирование) позволяет варьировать частоту вращения дви­гателя обратно пропорционально величине магнитного потока. Это обстоятельство следует иметь в виду, не допуская чрез­мерного уменьшения тока в обмотке возбуждения. Механическая характеристика при изменении тока возбуждения приведена на рис.8.47.

Одним из преимуществ полюсного регулирования является его экономичность, так как ток возбуждения в рассматриваемых дви­гателях не превышает 10 % от номинального значения тока якоря. Другими преимуществами этого способа являются достаточно жесткие механические характеристики, т. е. изменение частоты вращения, не превышающее 5 % от номинального значения во всем диапазоне работы двигателя.

 

Недостатком полюсного регулирования является то, что изменение магнитного потока можно производить лишь в области, расположен­ной ниже естественной механической характеристики, тогда как чаще требуется понижение частоты вращения.

Якорное регулирование за счет изменения величины подводимого напряжения применяется, главным образом, в двигателях с незави­симым возбуждением. Пусковой реостат в этом случае не требует­ся, так как пуск начинается при пониженном напряжении, которое можно плавно повысить.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изме­нить направление тока в обмотке возбуждения или полярность при­ложенного напряжения. Одновременное изменение двух указанных параметров не изменяет направление вращения якоря.

Совместное регулирование частоты вращения двигателя напряжением на якоре и током возбуждения позволяет получить режим работы при постоянной мощности.