Двигатели последовательного возбуждения. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением Каково характерное свойство двигателя с последовательным возбуждением

В ЭП грузоподъемных машин, электрического транспорта и ряда других рабочих машин и механизмов применение находят двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Основной особенностью этих двигателей является включение обмотки 2 возбуждения последовательно с обмоткой / якоря (рис. 4.37, а), вследствие чего ток якоря одновременно является и током возбуждения.

Согласно уравнениям (4.1) - (4.3) электромеханическая и механическая характеристики двигателя выражаются формулами:

в которых отмечена зависимость магнитного потока от тока якоря (возбуждения) Ф(/), a R = Л я + R OB + /? д.

Магнитный поток и ток связаны между собой кривой намагничивания (линия 5 рис. 4.37, а). Кривую намагничивания можно описать с помощью какого-либо приближенного аналитического выражения, что позволит в этом случае получить формулы для характеристик двигателя.

В простейшем случае кривую намагничивания представляют прямой линией 4. Такая линейная аппроксимация, по существу, означает пренебрежение насыщением магнитной системы двигателя и позволяет выразить зависимость потока от тока следующим образом:

где а = tgcp (см. рис. 4.37, б).

При принятой линейной аппроксимации момент, как это следует из (4.3), является квадратичной функцией тока

Подстановка (4.77) в (4.76) приводит к следующему выражению для электромеханической характеристики двигателя:

Если теперь в (4.79) с помощью выражения (4.78) выразить ток через момент, то получится следующее выражение для механической характеристики:

Для изображения характеристик со (У) и со (М) проведем анализ полученных формул (4.79) и (4.80).

Найдем вначале асимптоты этих характеристик, для чего устремим ток и момент к двум их предельным значениям - нулю и бесконечности. При / -> 0 и Л/-> 0 скорость, как это следует из (4.79) и (4.80), принимает бесконечно большое значение, т.е. со -> Это

означает, что ось скорости является первой искомой асимптотой характеристик.

Рис. 4.37. Схема включения (а) и характеристики (б) двигателя постоянного тока последовательного возбуждения:

7 - якорь;2 - обмотка возбуждения; 3 - резистор; 4,5 - кривые намагничивания

При / -> °о и М -> сю скорость со -» -R/ka, т.е. прямая с ординатой со а = -R/(ka ) является второй, горизонтальной асимптотой характеристик.

Зависимости со(7) и со(М) в соответствии с (4.79) и (4.80) имеют при этом гиперболический характер, что позволяет с учетом сделанного анализа представить их в виде кривых, показанных на рис. 4.38.

Особенность полученных характеристик состоит в том, что при небольших токах и моментах скорость двигателя принимает большие значения, при этом характеристики не пересекают ось скорости. Таким образом, для двигателя последовательного возбуждения в основной схеме включения рис. 4.37, а не существуют режимы холостого хода и генераторного хода параллельно с сетью (рекуперативного торможения), так как нет участков характеристик во втором квадранте.

С физической стороны это объясняется тем, что при /-> 0 и М -> 0 магнитный поток Ф -» 0 и скорость в соответствии с (4.7) резко возрастает. Отметим, что из-за наличия в двигателе потока остаточного намагничивания Ф ост практически скорость холостого хода существует и равна со 0 = U/ (/сФ ост).

Остальные режимы работы двигателя аналогичны режимам работы двигателя с независимым возбуждением. Двигательный режим имеет место при 0

Полученные выражения (4.79) и (4.80) могут быть использованы для приближенных инженерных расчетов, поскольку двигатели могут работать и в области насыщения магнитной системы. Для точных практических расчетов используются так называемые универсальные характеристики двигателя, приведенные на рис. 4.39. Они представ-

Рис. 4.38.

возбуждения:

о - электромеханическая; б - механическая

Рис. 4.39. Универсальные характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения:

7 - зависимости скорости от тока; 2 - зависимости момента оттока

ляют собой зависимости относительной скорости со* = со / со ном (кривые 1) и момента М* = М / М (кривая 2) от относительного тока /* = / / / . Для получения характеристик с большей точностью зависимость со*(/*) представлена двумя кривыми: для двигателей до 10 кВт и выше. Рассмотрим использование этих характеристик на конкретном примере.

Задача 4.18*. Рассчитать и построить естественные характеристики двигателя с последовательным возбуждением типа Д31, имеющего следующие данные Р нш = 8 кВт; п иш = 800 об/мин; U = 220 В; / ном = 46,5 А; Л„ ом = °,78.

1. Определяем номинальные скорость со и момент М ном:

2. Задавая вначале относительные значения тока /*, по универсальным характеристикам двигателя (рис. 4.39) находим относительные значения момента М* и скорости со*. Затем, умножая полученные относительные величины переменных на их номинальные значения, получаем точки для построения искомых характеристик двигателя (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1

Расчет характеристик двигателя

Переменная	Численные значения
а > =(й * ю ном-рад/ с
М = М*М Н ом, И м

По полученным данным строим естественные характеристики двигателя: электромеханическую со(/) - кривая 1 и механическую со(М) - кривая 3 на рис. 4.40, а, б.

Рис. 4.40.

а - электромеханические: 7 - естественная; 2 - реостатная; б - механическая: 3 - естественная

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последова­тельно в цепь якоря (рис. 29.9, а ), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I = I a = I в . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитно­го потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. Ф = k ф I a (k ф — коэффициент пропорциональности). В этом случае найдем электромагнитный момент:

Формула частоты вращения примет вид

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики M = F(I) и n= (I) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигате­ля приобретают почти прямолинейный характер. Характери­стика частоты вращения двигателя последовательного возбуж­дения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а - принципиальная схема; б - рабочие характеристики; в - механические характеристики; 1 - естественная характеристика; 2 - искусственная характе­ристика

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного воз­буждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для дви­гателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последова­тельного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механиз­мом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ремен­ной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность ра­боты двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели по­следовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают ис­пытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20% сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50% сверх номинальной.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n=f(M) представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искус­ственная 2 ) обеспечивают двигателю последовательного возбуж­дения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значе­ние, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъем­ных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двига­теля с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя после­довательного возбуждения

где n - частота вращения при нагрузке двигателя, составляю­щей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения U, либо маг­нитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат R рг (рис. 29.10, а ). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вра­щения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощно­сти двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в R рг . Кроме того, реостат R рг , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10, б ). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух дви­гателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей воз­можно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а ). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

Рис. 29.11. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения

Регулировать частоту вращения двигателя изменением маг­нитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом r рг , секционированием обмотки возбужде­ния и шунтированием обмотки якоря реостатом r ш . Включение реостата r рг , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в ), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к сниже­нию тока возбуждения I в = I a — I рг , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а ), применяется чаще и оценива­ется коэффициентом регули­рования

Обычно сопротивление рео­стата r рг принимается таким, чтобы k рг >= 50% .

При секционировании об­мотки возбуждения (рис. 29.10, г ) отключение части витков об­мотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунти­ровании обмотки якоря реоста­том r ш (см. рис. 29.10, в ) увели­чивается ток возбуждения I в = I a +I рг , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последователь­ного возбуждения.

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

М=с м I a Ф=с м кI a 2

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 ().

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.

Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6-15. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменени-. ем нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового

реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

Скоростную характеристику (рис. 6-16) можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:

где - сопротивление обмотки возбуждения.

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения. Значительное уменьшение нагрузки приведет к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.

Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.

Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента (6.13) магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т. е.

На графике (см. рис. 6-16) эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.

Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.

Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно применять в тех случаях,

когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших - параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.