Stejnosměrné elektrické obvody a jejich charakteristiky

Vlastnosti DC motory jsou určeny především způsobem zapnutí budicí cívky. V závislosti na tom se rozlišují elektromotory:

1. nezávisle buzeno: budicí cívka je napájena z externího stejnosměrného zdroje (budič nebo usměrňovač),

2. paralelní buzení: budicí vinutí je zapojeno paralelně s vinutím kotvy,

3. sériové buzení: budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy,

4. se smíšeným buzením: existují dvě budicí vinutí, jedno zapojeno paralelně s vinutím kotvy a druhé s ním sériově.

Všechny tyto elektromotory mají stejné zařízení a liší se pouze konstrukcí budicí cívky. Budicí vinutí těchto elektromotorů se provádí stejným způsobem jako v příslušné generátory.

Nezávisle buzený stejnosměrný elektromotor

U tohoto elektromotoru (obr.1, a) vinutí kotvy je připojeno k hlavnímu zdroji stejnosměrného proudu (stejnosměrné síti, generátoru nebo usměrňovači) s napětím U a budicí vinutí je připojeno k pomocnému zdroji s napětím UB. V obvodu budicí cívky je zařazen regulační reostat Rp a v obvodu cívky kotvy spouštěcí reostat Rn.

Regulační reostat slouží k regulaci otáček kotvy motoru a spouštěcí reostat slouží k omezení proudu ve vinutí kotvy při spouštění. Charakteristickým znakem elektromotoru je, že jeho budicí proud Iv nezávisí na proudu Ii ve vinutí kotvy (zatěžovací proud). Pokud tedy zanedbáme demagnetizační účinek reakce kotvy, můžeme přibližně předpokládat, že tok motoru F je nezávislý na zatížení. Závislosti elektromagnetického momentu M a rychlosti n na proudu I budou lineární (obr. 2, a). Mechanická charakteristika motoru tedy bude také lineární — závislost n (M) (obr. 2, b).

Při absenci reostatu s odporem Rn v obvodu kotvy budou rychlostní a mechanické charakteristiky tuhé, to znamená s malým úhlem sklonu k vodorovné ose, protože pokles napětí IяΣRя ve vinutí stroje zahrnutý v obvod kotvy při jmenovité zátěži je pouze 3-5% Unom. Tyto charakteristiky (přímky 1 na obr. 2, a a b) se nazývají přirozené. Když je v obvodu kotvy zahrnut reostat s odporem Rn, úhel sklonu těchto charakteristik se zvyšuje, v důsledku čehož lze získat rodinu charakteristik reostatu 2, 3 a 4, odpovídající různým hodnotám Rn1, Rn2 a Rn3.

Rýže. 1.Schémata stejnosměrných motorů s nezávislým (a) a paralelním (b) buzením

Rýže. 2. Charakteristika elektromotorů stejnosměrný proud s nezávislým a paralelním buzením: a — otáčky a moment, b — mechanické, c — pracovní Čím větší odpor Rn, tím větší úhel sklonu charakteristiky reostatu, tzn. je měkčí.

Regulační reostat Rpv umožňuje měnit budicí proud motoru Iv a jeho magnetický tok F. V tomto případě se změní i frekvence otáčení n.

V obvodu budicí cívky nejsou instalovány žádné spínače a pojistky, protože při přerušení tohoto obvodu magnetický tok elektromotoru prudce klesá (zůstává v něm pouze tok zbytkového magnetismu) a nastává nouzový režim. motor běží na volnoběh nebo na malé zatížení hřídele, pak se otáčky prudce zvyšují (motor se pohybuje). V tomto případě se proud ve vinutí kotvy Iya výrazně zvýší a může dojít ke komplexnímu požáru. Aby se tomu zabránilo, musí ochrana odpojit elektromotor od zdroje energie.

Prudký nárůst rychlosti otáčení při přerušení obvodu budicí cívky se vysvětluje tím, že v tomto případě je magnetický tok Ф (až do hodnoty Fostova toku od zbytkového magnetismu) a e. atd. v. E a aktuální Iya se zvyšuje. A protože přiložené napětí U zůstává nezměněno, frekvence otáčení n se zvýší na e. atd. c. E nedosáhne hodnoty přibližně rovné U (což je nutné pro rovnovážný stav obvodu kotvy, kde E = U — IяΣRя.

Když se zatížení hřídele blíží jmenovitému, elektromotor se zastaví v případě přerušení budícího obvodu, protože elektromagnetický moment, který může motor vyvinout při výrazném snížení magnetického toku, klesá a je menší než točivý moment. zatížení hřídele. V tomto případě se prudce zvýší i proud Iya a stroj musí být odpojen od zdroje energie.

Je třeba poznamenat, že otáčky n0 odpovídají ideálním otáčkám naprázdno, kdy motor nespotřebovává elektrickou energii ze sítě a jeho elektromagnetický moment je nulový. V reálných podmínkách v režimu naprázdno odebírá motor ze sítě volnoběžný proud I0, který je nutný pro kompenzaci vnitřních ztrát výkonu, a vyvine určitý točivý moment M0, nutný k překonání třecích sil ve stroji. Proto jsou ve skutečnosti otáčky naprázdno menší než n0.

Závislost rychlosti otáčení n a elektromagnetického momentu M na výkonu P2 (obr. 2, c) od hřídele motoru, jak vyplývá z uvažovaných vztahů, je lineární. Závislosti proudu Iya vinutím kotvy a výkonu P1 na P2 jsou také prakticky lineární. Proud I a výkon P1 při P2 = 0 představují klidový proud I0 a výkon P0 spotřebovaný při volnoběhu. Křivka účinnosti je charakteristická pro všechny elektrické stroje.

Elektromotor stejnosměrné paralelní buzení

U tohoto elektromotoru (viz obr. 1, b) jsou budicí vinutí a kotvy napájeny ze stejného zdroje elektrické energie o napětí U. V obvodu budícího vinutí je zařazen regulační reostat Rpv a spouštěcí reostat Rp. je součástí obvodu vinutí na kotvě.

V uvažovaném elektromotoru je v podstatě oddělené napájení obvodů kotvy a budicího vinutí, v důsledku čehož budicí proud Iv nezávisí na proudu vinutí kotvy Iv. Proto bude mít motor s paralelním buzením stejné vlastnosti jako motor s nezávislým buzením. Motor s paralelním buzením však bude normálně fungovat pouze tehdy, je-li napájen stejnosměrným zdrojem konstantního napětí.

Při napájení elektromotoru ze zdroje s jiným napětím (generátor nebo řízený usměrňovač) způsobí pokles napájecího napětí U odpovídající pokles budícího proudu Ic a magnetického toku Ф, což vede ke zvýšení kotvy. vinutý proud Iya. Tím se omezuje možnost úpravy otáček kotvy změnou napájecího napětí U. Proto elektromotory určené k napájení generátorem nebo řízeným usměrňovačem musí mít nezávislé buzení.

Sériové buzení elektromotoru stejnosměrným proudem

Pro omezení startovacího proudu je do obvodu vinutí kotvy (obr. 3, a) zařazen rozběhový reostat Rp (obr. 3, a) a pro regulaci rychlosti otáčení paralelně s budícím vinutím seřízením reostatu Rpv lze zahrnout.

Rýže. 3. Schéma stejnosměrného motoru se sériovým buzením (a) a závislost jeho magnetického toku Ф na proudu I ve vinutí kotvy (b) Obr.

Rýže. 4. Charakteristika stejnosměrného motoru se sekvenčním buzením: a — vysoká rychlost a kroutící moment, b — mechanická, c — pracovní.

Charakteristickým rysem tohoto elektromotoru je, že jeho budicí proud Iv je stejný nebo úměrný (při zapnutém reostatu Rpv) proudu vinutí kotvy Iya, proto magnetický tok F závisí na zatížení motoru (obr. 3, Obr. b) .

Když je proud vinutím kotvy Iya menší než (0,8-0,9) jmenovitého proudu Inom, magnetický systém stroje není nasycen a lze předpokládat, že magnetický tok Ф se mění přímo úměrně proudu Iia. Proto bude rychlostní charakteristika elektromotoru měkká — s rostoucím proudem I se rychlost otáčení n prudce sníží (obr. 4, a). Snížení rychlosti otáčení n je způsobeno zvýšením poklesu napětí IjaΣRja. ve vnitřním odporu Rα. obvody vinutí kotvy, stejně jako v důsledku zvýšení magnetického toku F.

Elektromagnetický moment M se zvýšením proudu Ija prudce vzroste, protože v tomto případě se zvýší i magnetický tok Ф, to znamená, že moment M bude úměrný proudu Ija. Proto, když je proud Iya menší než (0,8 N-0,9) Inom, rychlostní charakteristika má tvar hyperboly a momentová charakteristika má tvar paraboly.

Při proudech Ia> Ia jsou závislosti M a n na Ia lineární, protože v tomto režimu bude magnetický obvod nasycen a magnetický tok Ф se při změně proudu Ia nezmění.

Mechanickou charakteristiku, tedy závislost n na M (obr. 4, b), lze sestrojit na základě závislostí n a M na Iya. Kromě přirozené charakteristiky 1 je možné získat skupinu charakteristik reostatu 2, 3 a 4. zařazením reostatu s odporem Rp do obvodu vinutí kotvy.Tyto charakteristiky odpovídají různým hodnotám Rn1, Rn2 a Rn3, přičemž čím vyšší Rn, tím nižší charakteristika.

Mechanická charakteristika uvažovaného motoru je měkká a hyperbolická. Při nízkém zatížení výrazně klesá magnetický tok Ф, rychlost otáčení n prudce stoupá a může překročit maximální přípustnou hodnotu (motor běží divoce). Takové motory tedy nelze použít k pohonu mechanismů pracujících v klidovém režimu a při nízké zátěži (různé stroje, dopravníky apod.).

Obvykle je minimální přípustné zatížení pro motory s vysokým a středním výkonem (0,2… 0,25) Inom. Aby motor neběžel bez zátěže, je pevně spojen s hnacím mechanismem (ozubená nebo slepá spojka); použití řemenového pohonu nebo třecí spojky je nepřijatelné.

Navzdory této nevýhodě jsou motory se sekvenčním buzením široce používány, zejména pokud existují velké rozdíly v zatěžovacím momentu a těžkých startovacích podmínkách: ve všech trakčních pohonech (elektrické lokomotivy, dieselové lokomotivy, elektrické vlaky, elektrická auta, elektrické vysokozdvižné vozíky atd. ), i v pohonech zdvihacích mechanismů (jeřáby, výtahy atd.).

To je vysvětleno skutečností, že s měkkou charakteristikou vede zvýšení zatěžovacího momentu k nižšímu nárůstu proudu a spotřeby energie než u motorů s nezávislým a paralelním buzením, díky čemuž sériově buzené motory snesou lépe přetížení.Kromě toho mají tyto motory vyšší rozběhový moment než paralelní a nezávisle buzené motory, protože s rostoucím proudem vinutím kotvy při rozběhu se odpovídajícím způsobem zvyšuje i magnetický tok.

Předpokládáme-li např., že krátkodobý zapínací proud může být 2násobek jmenovitého pracovního proudu stroje a zanedbáme vlivy saturace, reakce kotvy a úbytku napětí v jeho vinutí, pak u sériově buzeného motoru startovací moment bude 4krát vyšší než jmenovitý (jak v proudu, tak v magnetickém toku se zvyšuje 2krát) a u motorů s nezávislým a paralelním buzením — pouze 2krát více.

Ve skutečnosti se v důsledku nasycení magnetického obvodu magnetický tok nezvyšuje úměrně proudu, ale přesto bude počáteční točivý moment sériově buzeného motoru, pokud jsou ostatní věci stejné, mnohem větší než počáteční točivý moment. stejného motoru s nezávislým nebo paralelním buzením.

Závislosti n a M na výkonu P2 hřídele motoru (obr. 4, c), jak vyplývá z výše diskutovaných poloh, jsou nelineární, závislosti P1, Ith a η na P2 mají stejný tvar jako pro motory s paralelním buzením.

Stejnosměrný elektromotor se smíšeným buzením

V tomto elektromotoru (obr. 5, a) vzniká magnetický tok Ф jako výsledek společného působení dvou budicích cívek - paralelní (nebo nezávislé) a sériové, kterými procházejí budicí proudy Iв1 a Iв2 = Iя

proto

kde Fposl — magnetický tok sériové cívky v závislosti na proudu Ia, Fpar — magnetický tok paralelní cívky, který nezávisí na zátěži (určuje se budicím proudem Ic1).

Mechanická charakteristika elektromotoru se smíšeným buzením (obr. 5, b) leží mezi charakteristikami motorů s paralelním (přímka 1) a sériovým (křivka 2) buzením. V závislosti na poměru magnetomotorických sil paralelního a sériového vinutí při jmenovitém režimu lze charakteristiky motoru se smíšeným buzením přiblížit k charakteristice 1 (křivka 3 při nízkých ppm sériového vinutí) nebo k charakteristice 2 (křivka 4 při nízké ppm. v. paralelní vinutí).

Rýže. 5. Schematické schéma elektromotoru se smíšeným buzením (a) a jeho mechanické charakteristiky (b)

Výhodou stejnosměrného motoru se smíšeným buzením je, že s měkkou mechanickou charakteristikou může pracovat naprázdno, když Fposl = 0. V tomto režimu je frekvence otáčení jeho kotvy určena magnetickým tokem Fpar a má omezenou hodnotu (motor neběží).