Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока.

Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависимости числа оборотов n, вращающего момента М_э, потребляемого тока I₁, мощности P₁ и к. п. д. η от полезной мощности на валу Р₂, т. е.

n; М_э; I₁; P₁; η = f (Р₂)

Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы двигателя, т. е. машина не регулируется и напряжение сети остается постоянным. Так как при изменении полезной мощности Р₂ (т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины, то рабочие характеристики часто строятся в зависимости от тока в якоре. Мы рассмотрим зависимость вращающего момента и скорости вращения от тока в якоре для двигателей с различным возбуждением.

Число оборотов двигателя определяется следующим выражением:

С увеличением нагрузки на валу двигателя повышается также и ток в якоре. Это вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах (I_я r_я).

Как ток возбуждения, так и магнитный поток остаются неизменными. Однако при увеличении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Φ несколько уменьшится. Увеличение I_я r_я вызывает уменьшение скорости двигателя, а уменьшение Φ увеличивает его скорость. Обычно падение напряжения влияет на изменение скорости в несколько большей степени, чем реакция якоря, так что с увеличением тока в якоре скорость уменьшается. Изменение скорости у двигателя этого типа незначительно и не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до номинальной, т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют жесткую скоростную характеристику.

Вращающий момент двигателя равен:

М_э = kΦI_я

При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в якоре представится прямой линией. Но под воздействием реакции якоря с увеличением нагрузки происходит некоторое уменьшение магнитного потока и зависимость момента пойдет несколько ниже прямой линии.

Число оборотов двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением:

где rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки, что вызывает значительное изменение скорости. Так как падение напряжения в сопротивлении якоря и обмотки возбуждения очень мало в сравнении с приложенным напряжением, то число оборотов можно приближенно определить следующим выражением:

Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который равен току в якоре. Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения скорость вращения обратно пропорциональна току в якоре и число оборотов резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристику. С уменьшением нагрузки скорость вращения двигателя увеличивается. При холостом ходе (I_я ≈ 0) скорость двигателя беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в разнос.

Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет минимально допустимую нагрузку, составляющую 25 — 30% номинальной. При нагрузке меньше минимально допустимой скорость двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разрушение. Поэтому в случаях, когда возможны сбросы или резкие уменьшения нагрузок, использовать двигатели последовательного возбуждения нельзя.

В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает разноса, так как механические потери двигателя будут являться для него достаточно большой механической нагрузкой.

Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре (Φ = с′I_я), можно определить следующим выражением:

М_э = kΦI_я = k′I2_я

где с′ и k′ — некоторые постоянные величины; k′ = k · c′, т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии. Таким образом двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты при малых оборотах, что имеет существенное значение при пуске больших инерционных масс и при перегрузках. Эти двигатели широко используются в транспортных и подъемных устройствах.

При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и встречное включение обмоток возбуждения.

Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого применения, так как они обладают плохими пусковыми свойствами и работают неустойчиво.

Скоростные характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. С увеличением тока в якоре число оборотов якоря уменьшается в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, за счет увеличения магнитного потока, вызываемого увеличением тока в последовательной обмотке возбуждения. При холостом ходе двигатель смешанного возбуждения не идет в разнос, так как магнитный поток не уменьшается до нуля в результате наличия параллельной обмотки возбуждения.

При увеличении нагрузки в двигателях смешанного возбуждения происходит увеличение магнитного потока и вращающий момент возрастает в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, но в меньшей степени, чем в двигателях последовательного возбуждения.