Номінальні параметри і характеристики машин постійного струму
Номінальними параметрами електричних машин називають такі параметри, що характеризують номінальний режим роботи машини, тобто режим роботи при умовах, для яких вона призначена.
Під номінальною потужністю МПС розуміють:
а) у режимі генератора - електричну потужність, що віддається зовнішньому колу;
б) у режимі двигуна - корисну механічну потужність на валу.
Властивості й особливості електричних машин прийнято аналізувати за
допомогою графіків - характеристик, які наводять у довідниках технічних даних або каталогах, чи знімають експериментально (окремі характеристики можна розрахувати).
Найбільший практичний інтерес для генераторів представляє залежність напруги на його затискачах U від струму навантаження ІЯ при постійних швидкості обертання т і струмі обмотки збудження ІЗБ - U = Дія). Цю залежність називають зовнішньою характеристикою. Часто використовують характеристику холостого ходу, що являє собою залежність напруги U від струму збудження ІЗБ
|
U |
|
О + I |
|
- О |
|
E Кр |
|
R36 изб - О |
|
О + |
|
Рис.10.6 - Схема включення двигуна постійного струму незалежного збудження |
|
при постійній швидкості обертання і розімкнутому зовнішньому колі. Оскільки при цьому напруга на генераторі дорівнює його ЕРС Е, то характеристика холостого ходу є залежністю Е = /(/ЗБ) при юном = const і ІЯ = 0. Для двигунів постійного струму найбільший інтерес становить залежність швидкості обертання т від струму ІЯ або від обертового моменту М при постійній напрузі живлення. Залежність т = /(ІЯ ) називають швидкісною характеристикою, а залежність т = /М) - механічною характеристикою. 10.6. Електродвигуни постійного струму 10.6.1. Двигун постійного струму з незалежним збудженням. Схема включення двигуна постійного струму незалежного збудження подана на рис. 10.6. Якір двигуна М і його обмотка збудження отримують живлення від різних, незалежних один від одного джерел напруги U і изб, що дозволяє окремо регулювати напругу на якорі двигуна і на обмотці збудження й виконувати їх на різну номінальну напругу. Тільки при наявності мережі постійного струму обмотка збудження живиться від того ж джерела напруги, що і якір двигуна. Але й в цьому випадку струм збудження Ізб не залежить від струму I якоря двигуна. Напрямки струму I і ЕРС обертання двигуна Е, що показані на рис. 10.6, відповідають роботі в режимі двигуна, коли електрична енергія споживається двигуном з мережі (від джерела напруги U) і перетворюється на механічну енергію. На валу двигуна виникає обертовий електромагнітний момент Мем. Корисний обертовий момент М на валу двигуна менший за електромагнітний на значення протидіючого моменту, створюваного в машині силами тертя й рівного моменту Мхх в режимі холостого ходу, тобто М = Мем - Мхх. З механіки відомо, що механічну потужність двигуна Р можна виразити через обертовий момент і кутову швидкість: P = ю ■ M, (10.8) 2п■n г, г де ю =--------- - кутова швидкість обертання якоря, рад/с; n - частота обертан- 60 ня, об/хв. Тоді корисний обертовий момент двигуна М (Н-м), виражений через корисну потужність Р, кВт, визначиться в такий спосіб М = - . (10.9) ю Залежність між М і ю двигуна визначається його механічною характеристикою. Аналітичний вираз механічної характеристики двигуна може бути отриманий з |
рівняння рівноваги напруг, складеного для якірного кола схеми (рис. 10.6). При сталому режимі роботи двигуна прикладена напруга U урівноважується падінням напруги в якірному колі IR і наведеною в якорі ЕРС обертання Е, тобто
U = IR + E, (10.10)
де І - струм в якірному колі двигуна, A; R - сумарний опір якірного кола, Ом, що включає зовнішній опір резистора Rp і внутрішній опір якоря двигуна Rs.
ЕРС обертання визначається швидкістю обертання якоря і величиною магнітного потоку
Е = ЬФю, (10.11)
де k - коефіцієнт, що залежить від конструктивних даних двигуна, k = pN/2'Ka (де p - число пар полюсів двигуна; N - число активних провідників обмотки якоря; а - число пар паралельних гілок обмотки якоря); Ф і ю - відповідно магнітний потік, Вб, і кутова швидкість двигуна, рад/с.
Якщо в (10.10) замість Е підставити її значення з (10.11), то одержимо рівняння для швидкості двигуна
ю = U—IR, (10.12)
kФ v 7
яке являє собою залежність швидкості двигуна від струму якоря. Таку залежність ю = f(I) називають електромеханічною характеристикою двигуна.
Для одержання рівняння механічної характеристики необхідно знайти залежність швидкості від моменту двигуна. Момент, що розвивається двигуном, зв'язаний із струмом якоря і магнітним потоком залежністю
М = ЬФІ. (10.13)
Підставимо до (10.12) значення струму І, знайдене з (10.13), і одержимо
вираз для механічної характеристики двигуна:
ю=и_ , (10.14)
kФ k2 Ф2
або
ю= ^, (10.15)
c c2
де
с = ЪФ. (10.16)
Механічна характеристика двигуна незалежного збудження при незмінних параметрах U, Ф і R є прямою лінією. Змінюючи той або інший параметр, можна регулювати швидкість обертання двигуна.
На рис. 10.7 представлені механічні характеристики двигуна незалежного збудження для різних опорів якірного кола. З рис.10.7 видно, що при М = 0 всі
характеристики проходять через одну точку на осі ординат. Кутова швидкість в
цій точці має значення, що не залежить від опору якірного кола, вона зветься швидкістю ідеального холостого ходу ю0 і визначається виразом
ю0 = U. (10.17)
0 kФ v 7
При швидкості ідеального холостого ходу, коли струм у якірному колі дорівнює нулю, ЕРС якоря, спрямована назустріч прикладеній напрузі, дорівнює їй за абсолютним значенням. Якщо двигун до прикладання навантаження мав кутову швид-
|
кість (Do, то з появою на його валу моменту опору кутова швидкість буде знижувати- Другий член (10.15) хара- ктеризує статичне падіння ку- M-R |
|
рівняння для швидкості двигуна можна записати в такий спосіб: ю = ю0 - Аю. (10.19) Верхня характеристика на рис. 10.17, називається природною. Природною характеристикою називають таку характеристику двигуна, що має |
|
Ad = Таким |
|
місце при відсутності зовнішніх резисторів в якірному колі і номінальних значеннях напруги і магнітного потоку двигуна. Жорсткість природної характеристики залежить від внутрішнього опору якірного кола двигуна Яя. Відповідно перепад швидкості для природної характеристики M-R„ Ad = я |
|
k2 Ф |
|
За (10.18) визначається статичне падіння швидкості для кожної з характеристик двигуна незалежного збудження, поданих на рис. 10.7. Наприклад, при додатково включеному реостаті, який має опір Rp, статичне падіння швидкості визначиться із співвідношення M' (Rn + Rp ) /1ЛЛЛЧ Ad =------ 2--- —. (10.20) k2 Ф2 Розділивши (10.19) на ю0, отримаємо статичне падіння швидкості у відносних одиницях: Ad* = — = . D0 D0 Якщо до якірного кола двигуна включений додатковий резистор (реостат), то отримані при цьому механічні характеристики називаються штучними або реостатними характеристиками. Ці характеристики перетинаються всі в одній точці ю0. Реостатні характеристики так само лінійні, як і природна характеристика, але мають значно більший нахил до осі моментів, тобто мають меншу жорсткість. Чим більшим є введений до кола якоря опір резистора, тим кру тіше йде характеристика, і тим менша її жорсткість. |
|
|
|
М |
|
Рис.10.7 - Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження |
|
(10.18) |
|
k2 Ф2 ' чином, |
|
2 ном |
З рівняння електричної рівноваги кола якоря двигуна (10.10) видно, що в момент пуску коли о = 0 і ЕРС обертання Е = 0, пусковий струм двигуна
In = — набагато (у 10 ^ 30 разів) перевищує номінальне значення. Тому прямий
пуск двигуна, тобто безпосереднє включення якоря на напругу мережі, неприпустимий. Щоб обмежити великий пусковий струм якоря, перед пуском послідовно з якорем включають пусковий реостат RH.
10.6.2. Двигун з послідовним збудженням. Обмотка збудження двигуна включається послідовно з якорем (рис. 10.8,а), тому струм у навантаженні є струмом якоря і струмом збудження (І = Ія = Ізб). Це істотно впливає на властивості й характеристики двигуна, тому що зміна моменту навантаження неминуче супроводжується зміною магнітного потоку статора.
|
U |
|
о |
Для електродвигуна послідовного збудження рівняння електромеханічної характеристики, так само як і для двигуна незалежного збудження, має вигляд
U ~1 ‘R (10.21)
о =
k Ф
де R = ЯЯ + Кзб + RP - сумарний опір якірного кола.
На відміну від двигуна незалежного збудження тут магнітний потік Ф є функцією струму якоря І. Ця залежність (рис. 10.9) називається кривою намагнічування. Для неї немає точного аналітичного виразу, тому важко надати точне аналітичне вираження для механічної характеристики двигуна. Якщо припустити лінійну залежність між потоком і струмом якоря, тобто вважати Ф = а І, то момент двигуна можна виразити наступним чином:
|
(10.22) |
|
|
|
Рис.10.9 - Крива намагнічування двигуна постійного струму послідовного збудження |
|
I |
М = k-Ф-І = a-hf
|
Рис.10.10 - Природна механічна характеристика двигуна постійного струму послідовного збудження |
Підставивши у (10.21) значення струму з (10.22), отримаємо вираз для механічної характеристики:
|
R ak |
U R A „. (10.23)
|
D = |
- B
4m
ak„
Звідси випливає, що при ненасиченому магнітному колі двигуна механічна характеристика зображується кривою (рис. 10.10), для якої вісь ординат є асимптотою. Значне збільшення кутової швидкості при малих навантаженнях викликане відповідним зменшенням магнітного потоку.
Рівняння (10.23) дає загальне уявлення про механічну характеристику двигуна послідовного збудження, але у розрахунках ним користуватися не можна, тому що машин з ненасиченою магнітною системою не будують. Побудову дійсних механічні характеристик виконують на підставі даних каталогів, де наводять природні характеристики: ю = f(I) і М = f(I). Для серії двигунів певного типу ці характеристики дають у відносних одиницях: ю* = fI*) і М* = f(I*).
Двигуни послідовного збудження широко застосовують в піднімальних установках (кранові двигуни) і на електротранспорті (тягові двигуни), де потрібний великий обертовий момент (особливо при пуску).
10.6.3. Двигун змішаного збудження (рис. 10.11) має дві обмотки збудження: незалежну ОЗ2 і послідовну ОЗ1, тому його механічні характеристики займають проміжне положення між відповідними характеристиками двигунів незалежного і послідовного збудження. Механічна характеристика розглянутого двигуна внаслідок зміни магнітного потоку при зміні навантаження не має аналітичного виразу, тому при розрахунках звичайно користуються природними універсальними характеристиками моменту й швидкості від струму якоря, які дають в каталогах. Такі характеристики у відносних одиницях подані на рис. 10.12.
На відміну від двигуна послідовного збудження двигун змішаного збудження має кінцеве значення швидкості ідеально холостого ходу, яка визначається тільки магнітним потоком, створеним магніторушійною силою незалежної обмотки, і дорівнює:
Співвідношення магніторушійних сил незалежної і послідовної обмоток різні для двигунів різних серій. Найбільш уживаним є співвідношення, яке при номінальному струмі дає рівність магніторушійних сил обох обмоток збудження. Швидкість двигуна змішаного збудження при малих навантаженнях змінюється значно, а потім Рис. 10.12 - Залежність моменту і кутової швид - при збільшенні навантажен - кості від струму якоря для двигуна постійного ня повільно зменшується
|
|
струму змішаного збудження майже за прямою, як у дви
гуна незалежного збудження. Це відбувається внаслідок того, що при великих навантаженнях наступає насичення машини, і хоча магніторушійна сила послідовної обмотки зростає, магнітний потік уже майже не змінюється.
