Электрические машины постоянного тока. Лекция №13 (6.8-6.11)

1. Лекция №13

11.05.21

2. 6. Электрические машины постоянного тока

6.8. Пуск ДПТ
6.9. Свойство саморегулирования ДПТ
6.10. Основные характеристики ДПТ
6.11. Способы регулирования частоты в ДПТ

3. Схема замещения обмотки якоря ДПТ

U
Iя
E
Rя
Уравнение электрического состояния цепи якоря по
второму закону Кирхгофа:
U E I Я RЯ

4. §6.8. Пуск ДПТ

Пуском ДПТ называют процесс разгона якоря
двигателя
от
неподвижного
состояния
до
установившегося значения частоты вращения.
Пусковые качества двигателя характеризуются:
I ПУСК
кратностью пускового тока K I
I НОМ
MПУСК
кратностью пускового момента K M
MНОМ
длительностью пуска tП.
Возможны три различных способа пуска – прямой
пуск, реостатный пуск и пуск при пониженном
напряжении.

5. §6.8. Прямой пуск ДПТ

Прямой пуск осуществляется непосредственным
подключением обмоток якоря к сети постоянного
тока.
В начале пуска (t = 0) якорь двигателя неподвижен:
n 0 EП cE n 0
Уравнение электрического состояния при t = 0:
U E П I ЯП R Я
U I ЯП R Я
Ток якоря при пуске (пусковой ток) IЯп:
I ЯП U / R Я

6. §6.8. Прямой пуск ДПТ

I ЯП U / R Я
Сопротивление якоря мало, значит, пусковой ток
велик – (20÷30)Iном. Такой ток может привести к
выходу двигателя из строя.
MП c M I Я П
M П ~ I Я П ⇒ MП = (20÷30)Mном
Пусковой момент также сильно превышает значение
в номинальном режиме, значит, возникает резкий
ударный рывок на валу, и возможна механическая
поломка двигателя.

7. §6.8. Прямой пуск ДПТ

По мере разгона якоря двигателя (n>0) противо-ЭДС
увеличивается, а ток и электромагнитный момент
уменьшаются.
E↑ ⇒ IЯ↓ ⇒ M↓
E cE n
U E
IЯ
RЯ
M cM I Я
Возрастание частоты вращения (установившийся
режим) прекращается в тот момент, когда
электромагнитный момент станет равным моменту
сопротивления.
MЭМ MН
Прямой пуск применяют в двигателях малой
мощности (в них время пуска мало, а сопротивление
якоря велико).

8. §6.8. Прямой пуск ДПТ

Пусковые характеристики двигателя
IЯ , M
E ,n
M ном
0
tп
t

9. §6.8. Реостатный пуск ДПТ

Заключается во введении в цепь якоря пускового
реостата, который включается последовательно с
сопротивлением якоря.
U
IЯ
EЯ
RЯ
RП
Уравнение электрического состояния при этом:

10. §6.8. Реостатный пуск ДПТ

В начале пуска частота вращения якоря n = 0.
ЭДС якоря в начале пуска: E П cE n 0
Пусковой ток якоря
U
I ЯП
R Я RП
Подключение пускового реостата ограничивает ток
якоря двигателя.
Реостат подбирают так, чтобы IП = (2÷3)Iном.
I ЯП
MП
MП 2 3 MНОМ

11. §6.8. Реостатный пуск ДПТ

При увеличении частоты вращения якоря ток
уменьшается, и в номинальном режиме пусковой
реостат не нужен.
Его постепенно выводят (как правило, отключая по
очереди отдельные секции).
Пуск проводят при максимальном магнитном потоке
для увеличения электромагнитного момента.
Такой способ применяют в двигателях средней
мощности.
Недостаток реостатного пуска – увеличение потерь изза добавления реостата, а значит, снижение КПД при
пуске.

12. §6.8. Пуск при пониженном напряжении

Применяется в ДПТ большой мощности.
Для
осуществления пуска при пониженном
напряжении
необходимо
иметь
источник
регулируемого напряжения, подводимого к якорю
двигателя.

13. §6.8. Пуск при пониженном напряжении

Уменьшение подводимого к якорю напряжения
приводит к уменьшению пускового тока и пускового
момента.
U
I ЯП
RЯ
MП c M I Я П
U I ЯП MП
По мере разгона якоря двигателя напряжение плавно
увеличивается до номинального значения.

14. §6.8. Реверс – изменение направления вращения

Направление вращения якоря ДПТ можно изменить
на
противоположное,
изменив
направление
вращающего (электромагнитного) момента.
M ЭМ cM I Я
Это можно осуществить изменением направления
тока якоря двигателя или изменением направления
магнитного поля.
Направление
тока
якоря
можно
изменить
переключением концов обмотки якоря (меняется
полярность подводимого к якорю напряжения).
Направление магнитного поля можно изменить
изменением полярности источника напряжения в
обмотке возбуждения.

15. §6.9. Свойство саморегулирования ДПТ

Свойство
саморегулирования
заключается
в
способности
двигателей постоянного тока
автоматически
создавать
вращающий момент, равный
моменту сопротивления на валу.
В
установившемся
режиме
работы двигателя
электромагнитный
момент ДПТ
M ВР MС
d
MВР MС J
dt
MВР 1 MС 1
n n1
Если
изменился
сопротивления:
d
0
dt
MВР1 MС 2 0
n
E cE n
U E
IЯ
RЯ
механический
момент нагрузки
частота вращения постоянна - n .
Из уравнения механики известно:
Пусть дано:
MС 2 MС 1
MВР cM I Я
M ВР 2 MВР 1
момент инерции
момент
Новый
установившийся
режим
M ВР 2 MС 2
n n2 n1

16. §6.10. Основные характеристики ДПТ

Основной
характеристикой
ДПТ
является
механическая характеристика – зависимость частоты
вращения от величины электромагнитного момента
при постоянном напряжении, сопротивлениях цепи
якоря и цепи возбуждения.
U = const, Rя = const, Rв = const.
Различают
естественную
и
искусственные
характеристики.
Естественной называют характеристику, которая
получена
при
номинальном
напряжении
и
номинальном магнитном потоке, при отсутствии
пусковых и регулировочных реостатов.
U = Uном, = ном, Rп.я. = 0, Rр.в. = 0, Rр.я. = 0.
Механическая
характеристика зависит от типа
возбуждения двигателя.

17. §6.10. ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

ДПТ с независимым возбуждением
ДПТ с параллельным возбуждением

18. §6.10. ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

U E I Я RЯ
M cM I Я
E c E n
E
U I Я RЯ
U
I Я RЯ
n
1
cE
cE
cE
U
U
RЯ M
M
n0 n
1
n0 1
cE
U cM
MП
n0 – частота вращения при идеальном холостом ходе, n0 U
когда нет нагрузки на валу.
MП – начальный пусковой момент
при пусковом токе якоря I
U
ЯП
RЯ
cE
M П c M I Я П

19. §6.10. ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

U
RЯ M
M
n0 1
n0 n
n
1
cE
U cM
MП
n
n0
nном
0
Mном
M
Такую характеристику называют жесткой, так как изменение
момента нагрузки приводит к незначительным изменениям
частоты вращения якоря.

20. §6.10. ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

U RЯ M
M
n0 1
n0 n
n
1
cE
U cM
MП
Частота вращения якоря зависит:
от напряжения питающей сети U,
от величины магнитного потока ,
от величины сопротивления в обмотке якоря RЯ.
Выделяют три способа регулирования частоты вращения
ДПТ:
якорное,
полюсное,
реостатное.

21. §6.10. ДПТ с последовательным возбуждением

22. §6.10. ДПТ с последовательным возбуждением

E cE n U E I Я RЯ RВ M c M I Я
Ток якоря равен току возбуждения I Я I В
Магнитный поток k I k I
В
Я
Тогда электромагнитный момент
M cM I Я cM k I 2Я
Уравнение механической характеристики
R Я RВ M П
n
1
c E k M
Такая характеристика называется мягкой, так как
частота вращения сильно зависит от момента.

23. §6.11. ДПТ с последовательным возбуждением

§6.11. ДПТ с последовательным
Ток якоря в таких двигателях
возбуждением
меньше зависит от нагрузки. При
n
естественная
характеристика
пусковая
характеристика
nном
0
M
Mном
M’п
нагрузках,
близких
к
номинальным, магнитная система
машины приходит в насыщение,
поток
больше
почти
не
изменяется.
При прямом пуске пусковой
момент очень велик, поэтому
вводят пусковой реостат для
ограничения тока и момента до
допустимых значений.
Особенности: невозможен пуск
двигателя без нагрузки, потому
что
может
произойти
механическая
поломка
из-за
увеличения частоты вращения.
Регулирование частоты вращения
осуществляется тремя способами:
реостатное регулирование;
изменение напряжения;
полюсное регулирование.

24. §6.11. ДПТ со смешанным возбуждением

В двигателях смешанного возбуждения магнитный поток создается
действием двух обмоток возбуждения – параллельной и
последовательной. Обычно их включают согласно.
За счет последовательной обмотки магнитный поток увеличивается с
ростом тока якоря.
Двигатель со смешанным возбуждением имеет более жесткую
механическую характеристику по сравнению с двигателем
последовательного возбуждения, но более мягкую по сравнению с
двигателем параллельного возбуждения.
При слабом влиянии потока последовательной обмотки она будет
приближаться
к
характеристике
двигателя
параллельного
возбуждения, а при сильном – к характеристике двигателя
последовательного возбуждения.
Частота вращения в таких двигателях регулируется так же, как и в
двигателях параллельного возбуждения.
Достоинство этих двигателей – наличие большого пускового момента
и возможность работать при холостом ходе.

25. §6.11. ДПТ со смешанным возбуждением

n
параллельное возбуждение
смешанное возбуждение
последовательное возб.
M

26. §6.11. Регулирование частоты вращения в ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

U RЯ M
M
n0 1
n0 n
n
1
cE
U cM
MП
Частота вращения якоря зависит:
от напряжения питающей сети,
от величины магнитного потока,
от величины сопротивления в обмотке якоря.
Выделяют три способа регулирования частоты вращения ДПТ:
якорное,
полюсное,
реостатное.

27. §6.11 Реостатное регулирование

Заключается
в
добавлении
добавочного
регулировочного реостата в цепь якоря.
Частный случай – реостатный пуск двигателя.
n
U
R
M
M
n0 1
n0 n
1 Я
cE
U cM
MП
При этом меняется общее сопротивление в цепи якоря,
и
меняется
угол
наклона
характеристики
(уменьшается MП).
Достоинство – простой способ регулирования.
Недостаток
– неэкономичный: КПД двигателя
уменьшается за счет увеличения потерь в якоре.

28. §6.11 Реостатное регулирование

n
E
U
R
M
n0 n
1 Я
cE cE
U cM
RР .Я .
M cM I Я
U E
IЯ
RЯ
n
n0
внутреннее
сопротивление
якоря
nном
Rя0
свойство
саморегулирования
n
IЯ
Rя1>Rя0
E cE n
U E
RЯ
M ЭМ MН
n2 n1
M cM I Я
Новый
установившийся
режим
Rя2>Rя1
0
Mном
M

29. §6.11 Полюсное регулирование

Осуществляется за счет добавления регулировочного
реостата в цепь возбуждения для регулирования величины
магнитного потока.
U
RЯ M
M
n0 n
n
1
n0 1
cE
U cM
MП
При этом меняется частота холостого хода n0 и пусковой
момент MП.
Такой способ нельзя применять при номинальной нагрузке,
так как с уменьшением магнитного потока ток якоря
превысит номинальный, а это аварийный режим. Также
при этом возрастает частота вращения ненагруженного
двигателя, что может привести к поломке.
Достоинство – экономичность.
Недостаток – малый диапазон регулирования частоты.

30. §6.11 Полюсное регулирование

n
E
U
R
M
n0 n
1 Я
cE cE
U cM
RР .В .
IВ
U
Rв RВрег
IЯ
E cE n
M cM I Я
n
U E
RЯ
n0
ном
nном
1< ном
свойство
саморегулирования
n
U E
IЯ
RЯ
2< 1
E cE n
M cM I Я
0
M’
Новый установившийся
режим
Mном
M