Принцип обратимости электрических машин. Двигатели постоянного тока по конструкции не отличаются от генераторов и, как отмечалось, электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. являются обратимыми. Допустим, что машина работает в режиме генератора на сеть с постоянным напряжением U=const и развивает тормозной (по отношению к первичному двигателю) момент Mт (рис.1).
Для этого режима справедливы соотношения
где ∑r- полное сопротивление цепи якоря.
Рис. 1 — Генераторный и двигательный режимы машины постоянного тока
Если уменьшать ЭДС Еагенератора, уменьшая его частоту вращения или магнитный поток Ф, то будет уменьшаться и ток Ia. Когда Еа станет меньше напряжения U, ток Ia изменит свое направление, однако, поскольку U=const, направление тока Ia в обмотке возбуждения, а следовательно и полярность основных полюсов останутся без изменения. При этих условиях изменяется знак электромагнитного момента Мг и машина переходит в двигательный режим, т.е. если прежде она работала генератором, преобразовывая механическую мощность в электрическую, то теперь она потребляет электрическую мощность, преобразовывая эту мощность в механическую и развивая на валу вращающий момент Мд. При этом машина продолжает вращаться в прежнем направлении. Если отсоединить первичный двигатель и приложить к валу машины момент сопротивления механизма Мс, то он будет преодолеваться электромагнитным моментом Мэм.
Классификация двигателей постоянного тока.
Аналогично генераторам, двигатели постоянного тока классифицируются по способу включения обмотки возбуждения по отношению к обмотке якоря — независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Схемы двигателей и генераторов с перечисленными способами возбуждения одинаковы и приведены на (рис. 1.). Все типы двигателей в зависимости от вида возбуждения имеют различные характеристики, но в основе их работы лежит один и тот же энергетический процесс, характеризуемый уравнениями равновесия ЭДС и моментов.
Уравнение ЭДС двигателя в установившемся режиме работы имеет вид
ЭДС Еа в обмотке якоря направлена встречно приложенному напряжению, поэтому ее называют противо ЭДС.
Энергетическая диаграмма.
Энергетический процесс рассмотрим на примере двигателя параллельного возбуждения с помощью энергетической диаграммы (рис.2). Двигатель потребляет из сети мощность P1=U(Ia+Iв). Часть этой мощности тратится на покрытие потерь на возбуждение ΔPв=UIв и потери в цепи якоря ΔРэ=Ia2Σr.
Рис. 2 — Энергетическая диаграмма
Оставшаяся часть мощности представляет собой электромагнитную мощность якоря Pэм, которая преобразовывается в полную механическую мощность
Pэм= U(Ia+Iв) — UIв — Ia2
Полезная механическая мощность P2, отдаваемая двигателем рабочему механизму, меньше мощности Pэм на величину потерь холостого хода ΔPо, включающих потери в стали якоря ΔPст и механические потери Pмех (трение в подшипниках, вентиляционные и т.д.)
P2= Pэм— ΔPo = Pэм — (ΔPc — ΔPмех)
Полезная мощность P2 обозначается на заводском щитке машины.
Аналогично происходит энергетический процесс в двигателях других типов.
Уравнение равновесия моментов.
Уравнение вращающих моментов в установившемся режиме можно получить, разделив все члены равенства на W (угловую скорость вращения двигателя)
где М2 — момент сопротивления рабочего механизма; Мо-момент холостого хода.
Вращающий электромагнитный момент равен
Таким образом, вращающий электромагнитный момент расходуется на уравновешивание двух тормозящих моментов:
— момента сопротивления рабочего механизма М2 ;
— момента холостого хода Мо, соответствующего потерям Ро=Рс+Рмх.
Момент М2 называется полезным моментом, т.к. он соответствует полезной мощности двигателя Р2. В неустановившемся режиме скорость двигателя изменяется и на его валу возникает динамический момент. Уравнение равновесия моментов в таких режимах приобретает вид
где Мст =М2 +Мо -статический момент сопротивления;
— динамический момент.
В зависимости от того, уменьшается или увеличивается частота вращения двигателя, динамический момент может быть отрицательным или положительным, т.е. в переходных режимах на валу двигателя создается момент Мj, который препятствует изменению скорости вращения двигателя и механизма. В установившемся режиме динамический момент Мj=0.
Характеристики двигателей постоянного тока.
Рабочие свойства электродвигателей постоянного тока оцениваются следующими характеристиками:
1. Пусковые характеристики, которые оценивают пусковые свойства электродвигателя. К ним относятся:
— кратность пускового тока; где Iап — пусковой ток ; Iан— номинальный ток нагрузки;
— кратность пускового момента; где Мп=смIапФп;
— tп -время пуска;
— экономичность пуска (стоимость пусковой аппаратуры, пусковые потери).
2. Рабочие характеристики, под которыми понимают зависимости n, M и h от полезной мощности P2 или тока якоря Ia при постоянных значениях напряжения Uс, сопротивления цепи якоря ∑rи сопротивления цепи возбуждения rв. Зависимость n=f(P2) называют скоростной характеристикой, зависимость М=f(P2)- моментной характеристикой.
3. Механическая характеристика, представляющая собой зависимость n=f(M) при постоянных значениях Uн, rа, rв.
4. Регулировочные характеристики, к которым относятся:
— диапазон регулирования скорости nmax/nmin;
— экономичность регулирования (потери, стоимость аппаратуры);
— характер регулирования (плавность);
— простота, надежность и компактность регулировочной аппаратуры.
