Jednosmerné elektrické obvody a ich charakteristiky

Vlastnosti DC motory sú určené hlavne spôsobom zapnutia budiacej cievky. V závislosti od toho sa rozlišujú elektrické motory:

1. nezávisle budené: budiaca cievka je napájaná externým jednosmerným zdrojom (budič alebo usmerňovač),

2. paralelné budenie: budiace vinutie je zapojené paralelne s vinutím kotvy,

3. sériové budenie: budiace vinutie je zapojené do série s vinutím kotvy,

4. so zmiešaným budením: existujú dve budiace vinutia, jedno je zapojené paralelne s vinutím kotvy a druhé s ním v sérii.

Všetky tieto elektromotory majú rovnaké zariadenie a líšia sa len konštrukciou budiacej cievky. Budiace vinutia týchto elektromotorov sa vykonávajú rovnakým spôsobom ako v príslušné generátory.

Nezávisle budený jednosmerný elektromotor

V tomto elektromotore (obr.1, a) vinutie kotvy je pripojené k hlavnému zdroju jednosmerného prúdu (jednosmerná sieť, generátor alebo usmerňovač) s napätím U a budiace vinutie je pripojené k pomocnému zdroju s napätím UB. V obvode budiacej cievky je zaradený regulačný reostat Rp a v obvode cievky kotvy spúšťací reostat Rn.

Regulačný reostat slúži na reguláciu otáčok kotvy motora a spúšťací reostat slúži na obmedzenie prúdu vo vinutí kotvy pri štartovaní. Charakteristickým znakom elektromotora je, že jeho budiaci prúd Iv nezávisí od prúdu Ii vo vinutí kotvy (zaťažovací prúd). Preto pri zanedbaní demagnetizačného účinku reakcie kotvy môžeme približne predpokladať, že tok motora F je nezávislý od zaťaženia. Závislosti elektromagnetického momentu M a rýchlosti n od prúdu I budú lineárne (obr. 2, a). Preto budú aj mechanické charakteristiky motora lineárne — závislosť n (M) (obr. 2, b).

Pri absencii reostatu s odporom Rn v obvode kotvy budú otáčky a mechanické charakteristiky tuhé, to znamená s malým uhlom sklonu k horizontálnej osi, pretože pokles napätia IяΣRя vo vinutiach stroja je zahrnutý v obvod kotvy pri menovitom zaťažení je len 3-5% Unom. Tieto charakteristiky (priamky 1 na obr. 2, a a b) sa nazývajú prirodzené. Keď je do obvodu kotvy zahrnutý reostat s odporom Rn, uhol sklonu týchto charakteristík sa zvyšuje, v dôsledku čoho je možné získať skupinu charakteristík reostatu 2, 3 a 4, ktoré zodpovedajú rôznym hodnotám Rn1, Rn2 a Rn3.

Ryža. 1.Schematické schémy jednosmerných motorov s nezávislým (a) a paralelným (b) budením

Ryža. 2. Charakteristiky elektromotorov jednosmerný prúd s nezávislým a paralelným budením: a — otáčky a krútiaci moment, b — mechanické, c — pracovné Čím väčší je odpor Rn, tým väčší je uhol sklonu charakteristiky reostatu, t. je mäkšia.

Regulačný reostat Rpv umožňuje meniť budiaci prúd motora Iv a jeho magnetický tok F. V tomto prípade sa zmení aj frekvencia otáčania n.

V obvode budiacej cievky nie sú inštalované spínače a poistky, pretože pri prerušení tohto obvodu magnetický tok elektromotora prudko klesá (zostáva v ňom len tok zvyškového magnetizmu) a nastáva núdzový režim. motor beží pri voľnobežných otáčkach alebo miernom zaťažení hriadeľa, potom sa otáčky prudko zvýšia (motor sa pohybuje). V tomto prípade sa prúd vo vinutí kotvy Iya výrazne zvyšuje a môže dôjsť ku komplexnému požiaru. Aby sa tomu zabránilo, ochrana musí odpojiť elektromotor od zdroja energie.

Prudký nárast rýchlosti otáčania pri prerušení obvodu budiacej cievky sa vysvetľuje tým, že v tomto prípade je magnetický tok Ф (až do hodnoty Fostovho toku zo zvyškového magnetizmu) a e. atď. v. E a aktuálna Iya sa zvyšuje. A keďže aplikované napätie U zostáva nezmenené, frekvencia otáčania n sa zvýši na e. atď. c) E nedosiahne hodnotu približne rovnú U (čo je potrebné pre rovnovážny stav obvodu kotvy, kde E = U — IяΣRя.

Keď je zaťaženie hriadeľa blízke menovitému, elektromotor sa zastaví v prípade prerušenia budiaceho obvodu, pretože elektromagnetický moment, ktorý môže motor vyvinúť pri výraznom znížení magnetického toku, klesá a je menší ako krútiaci moment. zaťaženia hriadeľa. V tomto prípade sa prúd Iya tiež prudko zvýši a stroj musí byť odpojený od zdroja energie.

Treba poznamenať, že rýchlosť otáčania n0 zodpovedá ideálnym otáčkam naprázdno, keď motor nespotrebováva elektrickú energiu zo siete a jeho elektromagnetický moment je nulový. V reálnych podmienkach v režime voľnobehu motor spotrebúva zo siete voľnobežný prúd I0, ktorý je potrebný na kompenzáciu vnútorných strát výkonu a vyvíja určitý krútiaci moment M0, potrebný na prekonanie trecích síl v stroji. Preto sú v skutočnosti voľnobežné otáčky menšie ako n0.

Závislosť rýchlosti otáčania n a elektromagnetického momentu M od výkonu P2 (obr. 2, c) z hriadeľa motora, ako vyplýva z uvažovaných vzťahov, je lineárna. Závislosti prúdu Iya vinutia kotvy a výkonu P1 na P2 sú tiež prakticky lineárne. Prúd I a výkon P1 pri P2 = 0 predstavujú kľudový prúd I0 a výkon P0 spotrebovaný pri voľnobehu. Krivka účinnosti je charakteristická pre všetky elektrické stroje.

Paralelné budenie elektromotora jednosmerným prúdom

V tomto elektromotore (pozri obr. 1, b) sú budiace vinutia a kotvy napájané z rovnakého zdroja elektrickej energie s napätím U. V obvode budiaceho vinutia je zaradený regulačný reostat Rpv a spúšťací reostat Rp. je súčasťou okruhu vinutia na kotve.

V uvažovanom elektromotore je v podstate oddelené napájanie obvodov kotvy a budiaceho vinutia, v dôsledku čoho budiaci prúd Iv nezávisí od prúdu vinutia kotvy Iv. Preto bude mať motor s paralelným budením rovnaké vlastnosti ako motor s nezávislým budením. Motor s paralelným budením však bude normálne fungovať len vtedy, keď bude napájaný jednosmerným zdrojom s konštantným napätím.

Pri napájaní elektromotora zo zdroja s iným napätím (generátor alebo riadený usmerňovač) pokles napájacieho napätia U spôsobí zodpovedajúci pokles budiaceho prúdu Ic a magnetického toku Ф, čo vedie k zvýšeniu kotvy. vinutý prúd Iya. To obmedzuje možnosť nastavenia otáčok kotvy zmenou napájacieho napätia U. Preto elektromotory určené na napájanie generátorom alebo riadeným usmerňovačom musia mať nezávislé budenie.

Sériové budenie elektromotora jednosmerným prúdom

Na obmedzenie štartovacieho prúdu je štartovací reostat Rp (obr. 3, a) zaradený do obvodu vinutia kotvy (obr. 3, a) a na reguláciu rýchlosti otáčania paralelne s budiacim vinutím nastavením reostatu Rpv môžu byť zahrnuté.

Ryža. 3. Schéma jednosmerného motora so sériovým budením (a) a závislosť jeho magnetického toku Ф od prúdu I vo vinutí kotvy (b)

Ryža. 4. Charakteristika jednosmerného motora so sekvenčným budením: a — vysoká rýchlosť a krútiaci moment, b — mechanická, c — pracovníci.

Charakteristickým znakom tohto elektromotora je, že jeho budiaci prúd Iv je rovný alebo úmerný (pri zapnutom reostate Rpv) prúdu vinutia kotvy Iya, preto magnetický tok F závisí od zaťaženia motora (obr. b) .

Keď je prúd vinutia kotvy Iya menší ako (0,8-0,9) menovitého prúdu Inom, magnetický systém stroja nie je nasýtený a možno predpokladať, že magnetický tok Ф sa mení priamo úmerne k prúdu Iia. Preto bude rýchlostná charakteristika elektromotora mäkká - s rastúcim prúdom I sa rýchlosť otáčania n prudko zníži (obr. 4, a). Zníženie rýchlosti otáčania n je spôsobené zvýšením poklesu napätia IjaΣRja. vo vnútornom odpore Rα. obvody vinutia kotvy, ako aj v dôsledku zvýšenia magnetického toku F.

Elektromagnetický moment M so zvýšením prúdu Ija sa prudko zvýši, pretože v tomto prípade sa zvýši aj magnetický tok Ф, to znamená, že moment M bude úmerný prúdu Ija. Preto, keď je prúd Iya menší ako (0,8 N-0,9) Inom, rýchlostná charakteristika má tvar hyperboly a momentová charakteristika má tvar paraboly.

Pri prúdoch Ia> Ia sú závislosti M a n na Ia lineárne, keďže v tomto režime bude magnetický obvod nasýtený a magnetický tok Ф sa pri zmene prúdu Ia nezmení.

Mechanickú charakteristiku, teda závislosť n od M (obr. 4, b), možno zostrojiť na základe závislostí n a M od Iya. Okrem prirodzenej charakteristiky 1 je možné získať skupinu charakteristík reostatu 2, 3 a 4 zahrnutím reostatu s odporom Rp do obvodu vinutia kotvy.Tieto charakteristiky zodpovedajú rôznym hodnotám Rn1, Rn2 a Rn3, pričom čím vyššie Rn, tým nižšia charakteristika.

Mechanická charakteristika uvažovaného motora je mäkká a hyperbolická. Pri nízkych zaťaženiach magnetický tok Ф výrazne klesá, rýchlosť otáčania n sa prudko zvyšuje a môže prekročiť maximálnu povolenú hodnotu (motor beží na divoko). Preto takéto motory nemožno použiť na pohon mechanizmov pracujúcich v režime nečinnosti a pri nízkej záťaži (rôzne stroje, dopravníky atď.).

Zvyčajne je minimálne prípustné zaťaženie pre motory s vysokým a stredným výkonom (0,2… 0,25) Inom. Aby sa zabránilo chodu motora bez zaťaženia, je pevne spojený s hnacím mechanizmom (ozubená alebo slepá spojka); použitie remeňového pohonu alebo trecej spojky je neprijateľné.

Napriek tejto nevýhode sú motory so sekvenčným budením široko používané, najmä ak existujú veľké rozdiely v zaťažovacom momente a ťažkých štartovacích podmienkach: vo všetkých trakčných pohonoch (elektrické lokomotívy, dieselové lokomotívy, elektrické vlaky, elektrické autá, elektrické vysokozdvižné vozíky atď. ), ako aj v pohonoch zdvíhacích mechanizmov (žeriavy, výťahy a pod.).

To je vysvetlené skutočnosťou, že pri mäkkej charakteristike vedie zvýšenie záťažového momentu k nižšiemu zvýšeniu prúdu a spotreby energie ako pri motoroch s nezávislým a paralelným budením, vďaka čomu môžu motory so sériovým budením lepšie odolávať preťaženiu.Okrem toho majú tieto motory vyšší rozbehový moment ako paralelné a nezávisle budené motory, pretože so zvyšovaním prúdu vinutia kotvy pri štartovaní sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje aj magnetický tok.

Ak predpokladáme, že napríklad krátkodobý nábehový prúd môže byť 2-násobok menovitého prevádzkového prúdu stroja a zanedbáme vplyvy nasýtenia, reakcie kotvy a poklesu napätia v jeho vinutí, potom v sériovo budenom motore štartovací moment bude 4-krát vyšší ako nominálny (v prúde aj magnetickom toku sa zvyšuje 2-krát) a v motoroch s nezávislým a paralelným budením - iba 2-krát viac.

V skutočnosti sa v dôsledku nasýtenia magnetického obvodu magnetický tok nezvyšuje úmerne k prúdu, ale napriek tomu bude štartovací krútiaci moment sériovo budeného motora, ak sú ostatné veci rovnaké, oveľa väčší ako štartovací krútiaci moment. toho istého motora s nezávislým alebo paralelným budením.

Závislosti n a M od výkonu P2 hriadeľa motora (obr. 4, c), ako vyplýva z pozícií diskutovaných vyššie, sú nelineárne, závislosti P1, Ith a η na P2 majú rovnaký tvar ako pre motory s paralelným budením.

Jednosmerný elektrický motor so zmiešaným budením

V tomto elektromotore (obr. 5, a) vzniká magnetický tok Ф ako výsledok spoločného pôsobenia dvoch budiacich cievok - paralelných (alebo nezávislých) a sériových, ktorými prechádzajú budiace prúdy Iв1 a Iв2 = Iя.

preto

kde Fposl — magnetický tok sériovej cievky v závislosti od prúdu Ia, Fpar — magnetický tok paralelnej cievky, ktorý nezávisí od zaťaženia (určuje sa budiacim prúdom Ic1).

Mechanická charakteristika elektromotora so zmiešaným budením (obr. 5, b) leží medzi charakteristikami motorov s paralelným (priamka 1) a sériovým (krivka 2) budením. V závislosti od pomeru magnetomotorických síl paralelného a sériového vinutia pri menovitom režime možno charakteristiky motora so zmiešaným budením priblížiť charakteristike 1 (krivka 3 pri nízkych ppm sériového vinutia) alebo charakteristike 2 (krivka 4 pri nízke ppm v. paralelné vinutie).

Ryža. 5. Schéma elektrického motora so zmiešaným budením (a) a jeho mechanické charakteristiky (b)

Výhodou jednosmerného motora so zmiešaným budením je, že s mäkkou mechanickou charakteristikou môže pracovať na voľnobeh, keď Fposl = 0. V tomto režime je frekvencia otáčania jeho kotvy určená magnetickým tokom Fpar a má obmedzenú hodnotu (motor nebeží).