Двигатель последовательного возбуждения

Рис. 11

В двигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря (рис. 11). Ток возбуждения двигателя здесь равен току якоря, что придает этим двигателям особые свойства.

Для двигателей последовательного возбуждения недопустим режим холостого хода. При отсутствии нагрузки на валу ток в якоре и создаваемый им магнитный поток будут небольшими и, как видно из равенства, частота вращения якоря достигает чрезмерно больших значений, что ведет к «разносу» двигателя. Поэтому пуск и работа двигателя без нагрузки или с нагрузкой менее 25% от номинальной недопустимы.

При небольших нагрузках , когда магнитная цепь машины не насыщена ( ), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока якоря.

В силу этого двигатель последовательного возбуждения имеет большой пусковой момент и хорошо справляется с тяжелыми условиями пуска.

С увеличением нагрузки магнитная цепь машины насыщается, и пропорциональность между и нарушается. При насыщении магнитной цепи поток практически постоянен, поэтому момент становится прямо пропорциональным току якоря.

С ростом момента нагрузки на валу ток двигателя и магнитный поток увеличиваются, а частота вращения уменьшается по закону, близкому к гиперболическому, что видно из уравнения (6).

При значительных нагрузках, когда магнитная цепь машины насыщается, магнитный поток практически остается неизменным, и естественная механическая характеристика становится почти прямолинейной (рис.12, кривая 1). Такая механическая характеристика называется мягкой.

При введении пуско-регулировочного реостата в цепь якоря механическая характеристика смещается в область меньших скоростей (рис.12, кривая 2) и называется искусственной реостатной характеристикой.

Рис. 12

Регулирование частоты вращения двигателя последовательного возбуждения возможно тремя способами: изменением напряжения на якоре, сопротивления цепи якоря и магнитного потока. При этом регулирование частоты вращения изменением сопротивления цепи якоря производится так же, как и в двигателе параллельного возбуждения. Для регулирования частоты вращения изменением магнитного потока параллельно обмотке возбуждения подключается реостат (см. рис. 11),

При уменьшении сопротивления реостата его ток увеличивается, а ток возбуждения уменьшается по формуле (8). Это приводит к уменьшению магнитного потока и росту частоты вращения (см. формулу 6).

Уменьшение сопротивления реостата сопровождается уменьшением тока возбуждения, а значит, уменьшением магнитного потока и ростом частоты вращения. Механическая характеристика, соответствующая ослабленному магнитному потоку, изображена на рис. 12, кривая 3.

Рис. 13

На рис. 13 представлены рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения.

Пунктирные части характеристик относятся к тем нагрузкам, при которых не может быть допущена работа двигателя вследствие большой частоты вращения.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением применяются как тяговые на железнодорожном транспорте (электропоезда), в городском электрическом транспорте (трамваи, поезда метро) и в подъемно-транспортных механизмах.

Механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Двигательный режим

Схема включения двигателя приведена на рис. 2.8. Якорь двигателя М и обмотка возбуждения LM включены последовательно и получают питание от одного источника U. Поэтому ток якоря I_я является и током возбуждения I_в. Это обстоятельство определяет единственное отличие в конструкции двигателя с последовательным возбуждением от двигателя с независимым возбуждением: обмотка возбуждения LM ДПТ с последовательным возбуждением выполнена проводником того же сечения, что и обмотка якоря.

Рис. 2.8. Схема включения ДПТ с последовательным возбуждением.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению направления U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

где ω – угловая скорость двигателя; Ф – поток двигателя; — конструктивный коэффициент двигателя данные для расчета, которого приводятся в справочниках. Здесь р – число пар полюсов двигателя; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока I_Я, как и направление Е на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя I_{я доп} ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток I_ян более чем в 2,5 раза I_{я доп} ≤ 2,5 I_ян.

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя уравновешивается падением напряжения в якорной цепи I_яR_яц и наведенной в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

где R_ЯЦ=R_Я+R_ДП+R_КО+R_В+R_П – суммарное сопротивление якорной цепи. Здесь R_Я— сопротивление обмотки якоря; R_ДП – сопротивление обмотки дополнительных полюсов; R_КО – сопротивление компенсационной обмотки; R_В – сопротивление обмотки возбуждения; R_П – сопротивление пускового реостата.

Величина I_Я в установившемся режиме будет равна:

В режиме пуска Е=0, поэтому из-за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток I_{Я П} может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого R_П выбирается таким образом, чтобы I_{Я П}≤ I_{Я ДОП}

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е ее значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя ω от тока якоря I_Я ω=f(I_Я), которая называется электромеханической характеристикой:

Поскольку обмотка возбуждения включена последовательно с якорем двигателя, создаваемый ею магнитный поток Ф является функцией тока якоря I_Я. Зависимость Ф= f(I_Я) называется кривой намагничивания и носит нелинейный характер типа «зона насыщения». Точного аналитического описания этой кривой не существует, поэтому нет и точного аналитического описания механической характеристики ДПТ с последовательным возбуждением. Если, пренебрегая насыщением магнитной системы, предположить линейную зависимость между Ф и I_Я с коэффициентом пропорциональности α, то есть считать Ф=αI_Я, то вращающий момент будет равен:

Отсюда величина тока якоря будет равна:

Подставив в уравнение электромеханической характеристики значение для I_я, получим уравнение механической характеристики:

где А=U/kα; В= R_ЯЦ /(kα) – постоянные величины.

Анализ полученного уравнения показывает, что ось ординат является асимптотой для кривой и что в области малых значений моментов она имеет большую крутизну

При R_П=0 и U=U_н двигатель работает на естественной характеристике. Для построения естественной характеристики используются так называемые универсальные характеристики, приводимые в каталогах для каждой серии двигателей. Они представляют зависимости n=f(I_Я) и М= f(I_Я) в относительных единицах. Зная номинальные данные двигателя, можно построить его характеристику в абсолютных величинах. Такая характеристика приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Особенностью характеристики является резкое увеличение скорости при уменьшении момента сопротивления М_с. По этому двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением нельзя запускать в тех случаях, когда М_с 0 и скорость двигателя начинает увеличиваться. При независимом возбуждении следствием этого будет увеличение э.д.с. вращения и уменьшение тока якоря и вращающего момента . Увеличение скорости и уменьшение момента двигателя будет продолжаться до тех пор, пока момент двигателя М на станет равным М_с2 и М_Д станет равным нулю.

При последовательном возбуждении э.д.с. вращения Е оказывается функцией двух величин – увеличивающейся скорости ω и уменьшающегося потока Ф. В результате этого величина Е, а значит и величины I_Я и М, с ростом скорости существенно изменятся не будет, что приводит к сохранению М_Д>0 и дальнейшему росту скорости. Если сопротивление пускового реостата R_П>0, то статическое падение скорости Δω_с при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике. Поэтому реостатные характеристики будут иметь большой наклон к оси абсцисс.

При последовательном возбуждении вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря и ограничение пускового тока значением I_{Я ДОП}≤2,5I_ЯН позволяет получить гораздо больше чем при независимом возбуждении значение М_ДОП=5 М_Н. Коэффициент перегрузки двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по моменту

K_П= М_ДОП /М_Н равен пяти. Такой перегрузочной способностью не обладает больше не один электрический двигатель. Именно благодаря этому свойству двигатели с последовательным возбуждением используются в электрическом транспорте и подъемных механизмах.

Особенности работы двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения представляет собой электрическую машину постоянного тока, в которой обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Для данного типа двигателей справедливо равенство: ток, протекающий в якорной обмотке, равен току в обмотке возбуждения I=I в =I я , что является его главной отличительной особенностью от остальных типов двигателей .

Рисунок 1 – Схема подключения ДПТ ПВ

Стоит обратить внимание на зависимость магнитного потока от нагрузки Ф=f(I_я). Если двигатель будет работать на 25% своей номинальной мощности или меньше, то магнитный поток будет крайне мал, что приведет к постоянному увеличению скорости вала. Препятствовать разгону будут лишь механические потери, и двигатель пойдет в «разнос» . Это приведет к быстрому выходу машины из строя. Все описанное в соответствии с формулой:

Исходя из вышесказанного, ДПТ ПВ нельзя использовать на холостом ходу , постоянно требуется контроль тока якоря. С этой целью последовательно с обмоткой возбуждения устанавливают минимальное токовое реле, которое замыкает якорную цепь только в том случае, если нагрузка на валу достаточна для поддержания номинальной работы двигателя.

Пуск двигателя производят с пусковым сопротивлением, также включенным последовательно в цепь якоря. После пуска это сопротивление выводят, и машина продолжает работать в номинальном режиме на своей естественной характеристике.

Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ одинаковы и имеют гиперболический вид (рисунок 2).

Рисунок 2 – Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ

Скорость вращения ротора двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением производится регулированием двух параметров:

Для изменения скорости при помощи входного напряжения, в роторную цепь вводят специальное добавочное сопротивление, или же можно использовать пусковой реостат и для этой цели. Но следует заметить, данный способ является крайне неэкономичным и нецелесообразным, так как большое количество энергии будет рассеиваться на реостате.

Регулировка скорости изменением магнитного потока, осуществляется включением реостата параллельно обмотке возбуждения. Изменяя сопротивление – меняем ток, протекающий через обмотку возбуждения. Иногда обмотку возбуждения разбивают на несколько параллельных секций. В некоторых типах двигателей предусмотрена возможность отключения витков обмотки, так добиваются того же эффекта регулирования.

Тормозные режимы

В данном двигателе отсутствует режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть. На рисунке 2 вы можете видеть, что ветка гиперболы естественной характеристики не пересекает ось ординат (отрицательная скорость отсутствует).

Торможение противовключением получают путем переключения выводов якорной обмотки.

ДПТ ПВ нельзя соединять с механизмом при помощи ременной передачи, так как соскакивание или разрыв ремня приведет к разгрузке двигателя, что вызовет мгновенное повышение числа оборотов и последующему выходу из строя.

ДПТ ПВ нашли свое основное применение в качестве тяговых двигателей подвижного состава электровозов общего назначения, электровозов метрополитена и в трамваях.