Električni krugovi istosmjerne struje i njihove karakteristike

Svojstva DC motori uglavnom se određuju načinom na koji je uzbudni svitak uključen. Ovisno o tome razlikuju se elektromotori:

1. neovisno pobuđen: uzbudni svitak se napaja iz vanjskog istosmjernog izvora (pobudnik ili ispravljač),

2. paralelna pobuda: namot polja spojen je paralelno s namotom armature,

3. serijska pobuda: uzbudni namot spojen je serijski s armaturnim namotom,

4. s mješovitom uzbudom: postoje dva namota polja, jedan spojen paralelno s namotom armature, a drugi s njim u seriju.

Svi ovi elektromotori imaju isti uređaj i razlikuju se samo po konstrukciji uzbudnog svitka. Uzbudni namoti ovih elektromotora izvedeni su na isti način kao kod odgovarajući generatori.

Neovisno pobuđeni istosmjerni elektromotor

U ovom elektromotoru (sl.1, a) namot armature spojen je na glavni izvor istosmjerne struje (mreža istosmjerne struje, generator ili ispravljač) s naponom U, a namot pobude spojen je na pomoćni izvor s naponom UB. U strujni krug uzbudnog svitka uključen je regulacijski reostat Rp, a u strujni krug armaturnog svitka startni reostat Rn.

Regulacijski reostat služi za reguliranje brzine armature motora, a startni reostat služi za ograničavanje struje u namotu armature pri pokretanju. Karakteristična značajka elektromotora je da njegova uzbudna struja Iv ne ovisi o struji Ii u kotvnom namotu (struja opterećenja). Stoga, zanemarujući učinak demagnetiziranja reakcije armature, možemo približno pretpostaviti da je tok motora F neovisan o opterećenju. Ovisnosti elektromagnetskog momenta M i brzine n o struji I bit će linearne (slika 2, a). Stoga će mehaničke karakteristike motora također biti linearne - ovisnost n (M) (slika 2, b).

U nedostatku reostata s otporom Rn u krugu armature, brzina i mehaničke karakteristike bit će krute, odnosno s malim kutom nagiba prema vodoravnoj osi, budući da pad napona IâΣRâ u namotima stroja uključenim u armaturni krug pri nazivnom opterećenju iznosi samo 3-5% Unom. Ove karakteristike (ravne linije 1 na slici 2, a i b) nazivaju se prirodnim. Kada se u armaturni krug uključi reostat s otporom Rn, kut nagiba ovih karakteristika se povećava, zbog čega se može dobiti obitelj karakteristika reostata 2, 3 i 4, koje odgovaraju različitim vrijednostima Rn1, Rn2 i Rn3.

Riža. 1.Principijelni dijagrami istosmjernih motora s neovisnom (a) i paralelnom (b) uzbudom

Riža. 2. Karakteristike elektromotora istosmjerne struje s neovisnom i paralelnom uzbudom: a — brzina i moment, b — mehanička, c — radna Što je veći otpor Rn, veći je kut nagiba karakteristike reostata, tj. je mekša.

Regulacijski reostat Rpv omogućuje vam promjenu struje pobude motora Iv i njegovog magnetskog toka F. U tom će se slučaju promijeniti i frekvencija rotacije n.

U strujnom krugu uzbudnog svitka nisu ugrađeni prekidači i osigurači, jer kada se ovaj krug prekine, magnetski tok elektromotora naglo opada (u njemu ostaje samo tok zaostalog magnetizma) i dolazi do stanja u nuždi. motor radi u praznom hodu ili malo opterećuje osovinu, tada se brzina naglo povećava (motor se kreće). U tom slučaju, struja u namotu armature Iya značajno se povećava i može doći do opsežnog požara. Kako bi se to izbjeglo, zaštita mora odvojiti elektromotor od izvora napajanja.

Oštar porast brzine vrtnje kada se prekine krug pobudnog svitka objašnjava se činjenicom da u ovom slučaju magnetski tok F (do vrijednosti Fostovog toka iz zaostalog magnetizma) i e. itd. v. E i struja Iya raste. A budući da primijenjeni napon U ostaje nepromijenjen, frekvencija rotacije n će se povećati na e. itd. c. E neće doseći vrijednost približno jednaku U (što je neophodno za ravnotežno stanje armaturnog kruga, gdje je E = U — IâΣRâ.

Kada je opterećenje vratila blizu nazivnog, elektromotor će se zaustaviti u slučaju prekida u uzbudnom krugu, jer se elektromagnetski moment koji motor može razviti uz značajno smanjenje magnetskog toka smanjuje i postaje manji od okretnog momenta. opterećenja osovine. U tom slučaju, struja Iya također naglo raste i stroj mora biti isključen iz izvora napajanja.

Treba napomenuti da brzina vrtnje n0 odgovara idealnoj brzini praznog hoda kada motor ne troši električnu energiju iz mreže i njegov elektromagnetski moment je jednak nuli. U stvarnim uvjetima, u stanju mirovanja, motor troši iz mreže struju praznog hoda I0, koja je potrebna za kompenzaciju unutarnjih gubitaka snage, i razvija određeni moment M0, neophodan za svladavanje sila trenja u stroju. Stoga je u stvarnosti brzina praznog hoda manja od n0.

Ovisnost brzine vrtnje n i elektromagnetskog momenta M o snazi ​​P2 (slika 2, c) s osovine motora, kao što slijedi iz razmatranih odnosa, je linearna. Ovisnosti struje namota armature Iya i snage P1 o P2 također su praktički linearne. Struja I i snaga P1 pri P2 = 0 predstavljaju struju mirovanja I0 i snagu P0 potrošene u mirovanju. Krivulja učinkovitosti karakteristična je za sve električne strojeve.

Istosmjerna paralelna uzbuda elektromotora

U ovom elektromotoru (vidi sliku 1, b) uzbudni namoti i armature napajaju se iz istog izvora električne energije s naponom U. U krug uzbudnog namota uključen je regulacijski reostat Rpv i početni reostat Rp uključen je u strujni krug namota na sidru.

U razmatranom elektromotoru postoji bitno odvojeno napajanje krugova armaturnog i uzbudnog namota, zbog čega uzbudna struja Iv ne ovisi o struji armaturnog namota Iv. Stoga će motor s paralelnom pobudom imati iste karakteristike kao i motor s neovisnom pobudom. Međutim, motor s paralelnom pobudom radit će normalno samo ako se napaja iz istosmjernog izvora konstantnog napona.

Kada se elektromotor napaja iz izvora s drugim naponom (generator ili upravljani ispravljač), smanjenje napona napajanja U uzrokuje odgovarajuće smanjenje uzbudne struje Ic i magnetskog toka F, što dovodi do povećanja armature struja namota Iya. Time se ograničava mogućnost podešavanja brzine kotve promjenom napona napajanja U. Stoga elektromotori projektirani za napajanje iz generatora ili upravljanog ispravljača moraju imati neovisnu uzbudu.

Serijska uzbuda istosmjerne struje elektromotora

Za ograničavanje startne struje, početni reostat Rp (slika 3, a) uključen je u krug namota armature (slika 3, a) i regulirati brzinu vrtnje paralelno s pobudnim namotom podešavanjem reostata. Rpv se može uključiti.

Riža. 3. Shema istosmjernog motora sa serijskom uzbudom (a) i ovisnost njegovog magnetskog toka F o struji I u kotvnom namotu (b)

Riža. 4. Karakteristike istosmjernog motora sa sekvencijalnom pobudom: a — velika brzina i moment, b — mehanička, c — radna.

Karakteristična značajka ovog elektromotora je da je njegova struja uzbude Iv jednaka ili proporcionalna (kada je uključen reostat Rpv) struji namota armature Iya, stoga magnetski tok F ovisi o opterećenju motora (sl. 3, b) .

Kada je struja namota armature Iya manja od (0,8-0,9) nazivne struje Inom, magnetski sustav stroja nije zasićen i može se pretpostaviti da se magnetski tok F mijenja izravno proporcionalno struji Iia. Stoga će karakteristika brzine elektromotora biti mekana - kako se struja I povećava, brzina vrtnje n naglo će se smanjiti (slika 4, a). Smanjenje brzine vrtnje n nastaje zbog povećanja pada napona IjaΣRja. u unutarnjem otporu Rα. krugova namota armature, kao i zbog povećanja magnetskog toka F.

Elektromagnetski moment M s povećanjem struje Ija naglo će se povećati, jer u tom slučaju raste i magnetski tok F, odnosno moment M će biti proporcionalan struji Ija. Dakle, kada je struja Iya manja od (0,8 N-0,9) Inom, brzinska karakteristika ima oblik hiperbole, a momentna karakteristika ima oblik parabole.

Kod struja Ia> Ia, ovisnosti M i n o Ia su linearne, budući da će u ovom načinu rada magnetski krug biti zasićen i magnetski tok F se neće promijeniti kada se struja Ia promijeni.

Mehanička karakteristika, odnosno ovisnost n o M (slika 4, b), može se konstruirati na temelju ovisnosti n i M o Iya. Uz prirodnu karakteristiku 1, moguće je dobiti familiju reostatskih karakteristika 2, 3 i 4. uključivanjem reostata s otporom Rp u krug armaturnog namota.Ove karakteristike odgovaraju različitim vrijednostima Rn1, Rn2 i Rn3, a što je veći Rn, to je karakteristika niža.

Mehanička karakteristika razmatranog motora je meka i hiperbolična. Pri malim opterećenjima magnetski tok F značajno opada, brzina vrtnje n naglo raste i može prijeći najveću dopuštenu vrijednost (motor divlja). Stoga se takvi motori ne mogu koristiti za pogon mehanizama koji rade u praznom hodu i pod malim opterećenjem (razni strojevi, transporteri itd.).

Obično je minimalno dopušteno opterećenje za motore velike i srednje snage (0,2… 0,25) Inom. Kako motor ne bi radio bez opterećenja, čvrsto je spojen na pogonski mehanizam (nazubljena ili slijepa spojka); uporaba remenskog pogona ili tarne spojke je neprihvatljiva.

Unatoč ovom nedostatku, motori sa sekvencijalnom pobudom imaju široku primjenu, posebno kada postoje velike razlike u momentu opterećenja i teškim uvjetima pokretanja: u svim vučnim pogonima (električne lokomotive, dizel lokomotive, elektromotorni vlakovi, električni automobili, električni viličari itd.), kao i u pogonima mehanizama za podizanje (dizalice, dizala i dr.).

To se objašnjava činjenicom da s mekom karakteristikom povećanje momenta opterećenja dovodi do manjeg povećanja struje i potrošnje energije nego u neovisno i paralelno pobuđenim motorima, zbog čega serijski pobuđeni motori mogu više izdržati preopterećenje.Osim toga, ovi motori imaju veći startni moment nego paralelni i neovisno uzbuđeni motori, jer kako se struja namota armature povećava tijekom pokretanja, magnetski tok također raste u skladu s tim.

Ako pretpostavimo, na primjer, da kratkotrajna udarna struja može biti 2 puta veća od nazivne radne struje stroja i zanemarimo učinke zasićenja, reakcije armature i pada napona u njegovom namotu, tada u serijski pobuđenom motoru, početni moment će biti 4 puta veći od nominalnog (iu struji iu magnetskom toku povećava se 2 puta), au motorima s neovisnom i paralelnom pobudom - samo 2 puta više.

U stvari, zbog zasićenja magnetskog kruga, magnetski tok ne raste proporcionalno struji, ali ipak će početni moment serijski pobuđenog motora, pod istim uvjetima, biti puno veći od početnog momenta istog motora s nezavisnom ili paralelnom pobudom.

Ovisnosti n i M o snazi ​​P2 osovine motora (slika 4, c), kao što slijedi iz gore razmatranih položaja, su nelinearne, ovisnosti P1, Ith i η o P2 imaju isti oblik kao za motore s paralelnim uzbuđenjem.

Istosmjerni elektromotor mješovite uzbude

U ovom elektromotoru (slika 5, a) magnetski tok F nastaje kao rezultat zajedničkog djelovanja dvaju pobudnih svitaka - paralelnih (ili neovisnih) i serijski, kroz koje struje pobude Iv1 i Iv2 = Iâ

zato

gdje je Fposl — magnetski tok serijskog svitka, ovisno o struji Ia, Fpar — magnetski tok paralelnog svitka, koji ne ovisi o opterećenju (određen je strujom uzbude Ic1).

Mehanička karakteristika elektromotora s mješovitom uzbudom (slika 5, b) nalazi se između karakteristika motora s paralelnom (ravna crta 1) i serijskom (krivulja 2) uzbudom. Ovisno o omjeru magnetomotornih sila paralelnih i serijskih namota u nazivnom načinu rada, karakteristike motora s mješovitom pobudom mogu se aproksimirati karakteristici 1 (krivulja 3 pri niskim ppm serijskog namota) ili karakteristici 2 (krivulja 4 pri niski ppm v. paralelni namot).

Riža. 5. Principski dijagram elektromotora s mješovitom uzbudom (a) i njegove mehaničke karakteristike (b)

Prednost istosmjernog motora s mješovitom pobudom je u tome što on, imajući meku mehaničku karakteristiku, može raditi u praznom hodu kada je Fposl = 0. U ovom načinu rada frekvencija rotacije njegove armature određena je magnetskim tokom Fpar i ima ograničenu vrijednost (motor ne radi).