Что такое электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока

Электромеханическая характеристика двигателей постоянного тока

Электромеханическая характеристика двигателей постоянного тока – это графическая зависимость частоты вращения и вращающего момента от тока двигателя, при условии, что напряжение подаваемое на двигатель постоянное.

Изменение тока двигателя при снятии таких характеристик осуществляется за счет изменения механической нагрузки на валу якоря.

Характеристики двигателя с параллельным возбуждением (шунтовой).

Так как напряжение – величина постоянная, то ток возбуждения Iв и основной магнитный поток Ф у данного двигателя при снятии характеристики изменяться не будут и поэтому вращающий момент Мвр будет прямо пропорционален зависеть от тока якоря. Частота вращения n при изменении механической нагрузки на валу меняется незначительно, только за счет изменения падения напряжения в обмотке якоря. Такая характеристика называется «жесткой» или мало изменяющейся. При частоте вращения nкр ток якоря равен 0, то есть U = Е. Если частота вращения будет больше nкр, то двигатель автоматически перейдет в генераторный режим.

Iя = (U – Е) / Rя, n = (U – IяRя) / СФ, Мвр = СФIя

Характеристики двигателя с последовательным возбуждением (сериестный).

У данного двигателя ток якоря равен току возбуждения, поэтому Мвр данного двигателя зависит от квадрата тока якоря. При увеличении механической нагрузки на валу частота вращения данного двигателя уменьшается значительно по следующим причинам:

ü Из-за увеличения, в основном, магнитного потока полюсов Ф.

ü За счет увеличения падения напряжения в обмотке якоря.

Такая характеристика является «мягкой» и двигатель не может автоматически переходить в генераторный режим, поэтому, при малых механических нагрузках на валу, двигатель идет в разнос – n резко увеличивается. Двигатели с последовательным возбуждением запрещается запускать без механической нагрузке на валу якоря.

Сравнение двигателей с различными типами возбуждения для их применения

В качестве тяговых

Сравнение по пусковому и вращающему моменту. Так как у сериесного двигателя Мвр зависит от квадрата тока якоря, поэтому, при одном и том же токе якоря сериесный двигатель будет развивать больший Мвр и пусковой момент, чем шунтовой.
Сравнение по перегрузочной способности. При одном и том же пусковом и вращающем моментах, сериесный двигатель потребляет меньший ток чем шунтовой, поэтому меньший нагрев обмоток двигателя и он обладает большей перегрузочной способностью.
Сравнение по разнице диаметров бандажей колесных пар. Так как допускается разница диаметров бандажей, то двигатели будут вращаться с разной частотой. Даже если двигатели имеют одинаковые характеристики, то они будут потреблять разные токи и соответственно, разница токов у сериесных двигателей значительно меньше из-за мягкости характеристик.
Сравнение по разнице характеристик ТЭД.Из-за технологических допусков двигатели имеют различные характеристики. Допускается отклонение частоты вращения при номинальных условиях до 4%, поэтому, даже при одинаковых диаметрах бандажей колесных пар ТЭД потребляют разные токи и у сериесных двигателей эта разница токов меньше чем у шунтовых.
Сравнение по броскам напряжения в контактной сети.Броски напряжения в контактной сети возникают, например, при отключении ГВ одной из секций в режиме тяги, при этом к остальным ТЭД прикладывается большее напряжение, то есть они переходят на более высокоскоростную характеристику. Так как частота вращения ТЭД мгновенно измениться не может, то в двигателях происходит бросок тока и у сериесных ТЭД эти броски тока значительно меньше чем у шунтовых.
Сравнение по механической прочности катушек полюсов. У сериесных двигателей по катушкам полюсов проходит значительный электрический ток, поэтому для создания основного Ф большого количества витков не требуется. Катушки полюсов выполняют из шинной меди большего сечения. Такие катушки более механически прочные, что имеет преимущества при ремонте машины.
По способности ТЭД автоматически переходить в генераторный режим. Шунтовой двигатель может автоматически переходить в генераторный режим, сериесный двигатель не может перейти в генераторный режим, а при малых нагрузках идет в разнос.
По склонности к буксованию.В начале буксования у шунтовых двигателей n увеличивается незначительно, а кроме того, при частоте вращения якоря более nкр шунтовой двигатель переходит в генераторный режим – тормозной. Этот двигатель менее склонен к буксованию.

Обмотка якоря

Вся обмотка якоря состоит из секций. Все секции между собой соединены последовательно, и конец последней секции соединен с началом первой. Секции бывают одновитковые и многовитковые.

Активные части витка.
Лобовая часть витка.
Лобовые изгибы.
Коллекторные пластины.
Изоляция (миканит).

Читать еще: Что такое зеркало двигателя

В тяговых двигателях секции делают одновитковые, поэтому, будем считать секцию и виток одним и тем же. Активные части укладываются под разноименными полюсами машины.

Типы обмоток якоря

Простая петлевая обмотка. При данном типе обмотки у электрической машины количество параллельных ветвей в обмотке якоря равно количеству полюсов и количеству щеток. Применяется в электрических машинах рассчитанных на относительно большой ток, создают и выдерживают относительно не высокое напряжение.

Простая волновая обмотка. У данной обмотки количество параллельных ветвей всегда равно двум, независимо от количества полюсов. Машины с таким типом обмотки рассчитаны на относительно небольшой ток и высокое напряжение.

Петлевая

Волновая

Реакция якоря

Для характеристики магнитного поля электрической машины существует понятия:

Геометрическая нейтраль – это линия, перпендикулярная оси полюсов и проходящая через середину расстояния между ними.

Физическая нейтраль – это линия перпендикулярная основному магнитному потоку и проходящая через середину расстояния между полюсами.

Реакция якоря – это воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле полюсов машины.

Из-за реакции якоря основное магнитное поле полюсов искажается, то есть, под одним краем полюса магнитное поле усиливается, а под другим краем – ослабляется, соответственно происходит поворот физической нейтрали относительно геометрической.

Вредные последствия реакции якоря

1. Размагничивающее действие – при усилении магнитного поля под одним краем полюса, этот край полюса доходит до магнитного насыщения, поэтому из-за реакции якоря магнитное поле ослабляется в большей степени под одним краем, чем усиливается под другим. Соответственно, основной магнитный поток Ф уменьшится, что приводит и к уменьшению Мвр и Ег.

2. Ухудшение коммутации из-за поворота физической нейтрали относительно геометрической. Коммутируемая секция на геометрической нейтрали пересекает магнитные силовые линии, при вращении якоря, и в секции индуктируется ЭДС вращения, которая способствует увеличению искрения под щетками.

3. Увеличение вероятности возникновения кругового огня по коллектору. При вращении якоря витки проходят через сгущение магнитных силовых линий, поэтому под одним краем полюса индуктируется большая ЭДС, а значит, увеличивается напряжение между двумя соседними коллекторными пластинами, что может привести к пробою воздушной изоляции между пластинами коллектора и как следствие – к круговому огню по коллектору (переброс). Круговой огонь – это мощная электрическая дуга по коллектору, которая замыкает две разноименные щетки между собой.

Электромеханические и механические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения (дпт нв)

Электромеханические и электромагнитные процессы в ДПТ НВ (рисунок 1) описываются уравнениями электрического равновесия (Кирхгофа) цепей якоря и обмотки возбуждения, а также уравнением электромагнитного момента:

(2.1)

Из совместного решения системы уравнений (2.1) получаем уравнение электромеханической характеристики ω = f(I)

(2.2)

и уравнение механической характеристики ω = f(M)

. (2.3)

В установившемся режиме работы привода

и уравнения 2, 3 приобретают вид

(2.4)

(2.5)

Характеристики, построенные при номинальных значениях напряжения и потока и R_доб =0, называются естественными, при U_Я ≠ U_Н, Ф ≠ Ф_Н или R_доб ≠ 0 – искусственными электромеханическими или механическими характеристиками. Характерными точками электромеханической характеристики (рисунок 2) являются точки идеального холостого хода (I = 0, ω = ω₀ = U_Н/kФ_Н), короткого замыкания (I = I_К = U_Н/R_ЯΣ, ω = 0) и номинального режима (I_Я = I_Н, ω = ω_Н). По любой паре из этих координат можно построить характеристику.

Используя введенные значения жесткости характеристик

; (2.6)

можно записать следующие выражения для электромеханических и механических характеристик:

; ; (2.7)

Режимы работы привода, приведенные на рисунке 2, поясняются ниже.

В двигательном режиме работы (рисунок 3) ЭД потребляет энергию из электрической сети и передает на вал механическую энергию. В режимепротивовключения (рисунок 4) ЭД потребляет энергию, накопленную механизмом, и рассеивает в элементах двигателя и добавочных сопротивлениях. В режиме рекуперативного (генераторного) торможения (рисунок 5) ЭД потребляет энергию, накопленную механизмом, и передает ее в электрическую сеть.

Лекция 3Искусственные электромеханические и механические характеристики дпт нв. Режимы торможения дпт нв

Цель: изучить влияние на механические характеристики и режимы работы ЭП различных параметров

ПриR_доб ≠0 получаем искусственные реостатные электромеханичеcкие характеристики. Увеличение в (2.4, 2.5) R_ЯΣ приводит к уменьшению величины тока короткого замыкания (I_К = U_Н/R_ЯΣ) при неизменной скорости холостого хода ω₀ = U_Н/kФ_Н (рисунок 3.1). При неизменном магнитном потоке Ф = Ф_Н, механические характеристики будут аналогичны эл.механическим.

Читать еще: Двигатель r20а технические характеристики

Магнитный поток машины можно изменять только в сторону уменьшения. При этом скорость холостого хода ω₀ = U_Н/kФ_Н возрастает при неизменном значении тока короткого замыкания I_К = U_Н/R_ЯΣ (рисунок 3.2 – электромеханическая характеристика при Ф — var). Момент короткого замыкания М_К =kФI_К при Ф — var снижается. Механическая характеристика изображена на рисунке 3.3.

Напряжение, подаваемое на якорьмашины, можно изменять только в сторону уменьшения от номинального значения. При этом пропорционально напряжению снижаются и скорость холостого хода ω₀ = U_Н/kФ_Н , и значение тока короткого замыкания I_К = U_Н/R_ЯΣ (рисунок 3.4 – электромеханическая характеристика при U — var). Момент машины М = kФI при Ф — const пропорционален току якоря и механическая характеристика имеет аналогичный вид.

В соответствии с рассмотренными режимами работы электропривода, следует выделить следующие способы торможения ДПТ НВ:

Расчет естественной электромеханической и механической характеристик двигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения

Страницы работы

Содержание работы

Для двигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения, параметры которого представлены в таблице 4, получающего питание от источника напряжения, необходимо решить 11 заданий.

Таблица 4 – Технические данные двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

1). Рассчитать и построить естественную электромеханическую и механическую характеристики.

Номинальная угловая скорость определена как

Так как в рассматриваемом примере конструктивные параметры двигателя не заданы, поэтому определяем сразу произведение с∙Ф_н:

Здесь в R_я учтены сопротивления собственно обмотки якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки, щеточных контактов.

Скорость идеального холостого хода определяется из выражения:

Номинальный электромагнитный момент равен:

Уравнение естественной механической характеристики

Уравнение естественной электромеханической характеристики

На рисунке 4 приведена естественная механическая характеристика, а на рисунке 5 электромеханическая характеристика двигателя.

Рисунок 4 – Естественная механическая характеристика

Рисунок 5 – Естественная электромеханическая характеристика

2). Рассчитать и построить пусковые характеристики при статическом моменте М_с=0.8∙М_н и определить величины пусковых резисторов. Число пусковых ступеней принять m=4.

Зададимся пусковым током

Рассчитаем статический ток, соответствующий М_с = 0,8∙М_н

Суммарное сопротивление якорной цепи двигателя при пуске

При заданном числе ступеней пуска m кратность токов переключений при пуске λ =I₁/I₂ определяется, как

Ток переключения при этом составит

Вычисляем сопротивления секций пускового реостата:

Пусковые характеристики представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Пусковые характеристики

3). Определить скорость двигателя при введении в цепь якоря дополнительного сопротивления R_доп=2∙R_я и при статическом моменте М_с=0.5∙М_н.

Чтобы определить скорость двигателя при введении в цепь якоря дополнительного сопротивления R_доп=2∙R_я и при статическом моменте М_с=0.5∙М_н, необходимо подставить эти значения в уравнение механической характеристики.

4). Определить значение дополнительного сопротивления, которое следует включить в цепь якоря, чтобы при изменении полярности напряжения на зажимах якоря ток был бы равен 2.2∙I_н, при начальной скорости равной номинальной. Построить соответствующую искусственную характеристику.

Рассчитаем начальный тормозной момент

Значение дополнительного сопротивления, которое следует включить в цепь якоря, чтобы при изменении полярности напряжения на зажимах якоря ток был бы равен 2.2∙I_н найдем по формуле

Величина тормозного момента при нулевой скорости

Соответствующая искусственная характеристика режима противовключения с подключением добавочного сопротивления представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Рассчитанная характеристика

5). Рассчитать и построить электромеханические и механические характеристики для двух значений магнитного потока: Ф₁=0.8∙Ф_н и Ф₂=0.5∙Ф_н.

Определяем коэффициенты при ослабленном потоке

Скорость идеального холостого хода при ослабленном потоке

Модуль жесткости механической характеристики

Уравнения механической и электромеханической характеристик при Ф₁ = 0.8∙Ф_н.

Уравнения механической и электромеханической характеристик при Ф₂ = 0.5∙Ф_н.

Построенные механические характеристики для двух значений магнитного потока и естественная характеристика двигателя представлены на рисунке 8.

Построенные электромеханические характеристики для двух значений магнитного потока и естественная характеристика двигателя представлены на рисунке 9.

Рисунок 8 – Рассчитанные механические характеристики

Рисунок 9 – Рассчитанные электромеханические характеристики

6). Определить скорость двигателя при одновременном снижении на 30% напряжения на якоре и на обмотке возбуждения, если М_с=0.5∙М_н.

Так как напряжение на обмотке возбуждения снижается, следовательно, коэффициент ЭДС сФ=0.7∙сФ_н. Тогда скорость идеального холостого хода будет равна

Читать еще: 405 двигатель сколько пробегом

Скорость двигателя, при этом режиме работы, рассчитывается с помощью уравнения механической характеристики

7). Определить дополнительное сопротивление, обеспечивающее в режиме динамического торможения ток якоря -2.2∙I_н при начальной скорости, равной номинальной. Построить соответствующую характеристику.

Рассчитаем величину начального тормозного момента при токе якоря равного -2∙I_н

Дополнительное тормозное сопротивление определим по формуле

На рисунке 10 представлена работа двигателя в режиме динамического торможения.

Рисунок 10 – Режим динамического торможения

8). Построить две искусственные механические характеристики при снижении напряжения на якоре: U₁=0.7∙U_н и U₂=0.4∙U_н.

Рассчитаем скорость идеального холостого хода при пониженном напряжении

Уравнения механической характеристики при различных напряжениях двигателя примут вид

Механические характеристики при различных напряжениях двигателя представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 – Рассчитанные механические характеристики

9). Рассчитать и построить электромеханическую и механическую характеристики двигателя в схеме шунтирования якоря при R_ш=4∙R_я и R_п=5∙R_я.

Рассмотрим на практике.

10). Рассчитать и построить естественную электромеханическую и механическую характеристики двигателя при питании от источника тока.

При питании двигателя от источника тока ток якоря постоянен I_я=const, следовательно, момент двигателя постоянен М_дв= const, а значит естественная электромеханическая и механическая характеристики двигателя будут прямыми линиями, параллельными оси скорости.

Рисунок 12 – Естественная механическая характеристика

Рисунок 13 – Естественная электромеханическая характеристика

11). Описать все энергетические режимы двигателя при питании от источника напряжения и источника тока и перечислить основные различия.

См. книгу Москаленко В.В. — Электрический привод (1991).djvu стр.50.

12). Перечислить все возможные способы регулирования скорости двигателя.

1. Реостатное регулирование скорости.

2. Параметрическое регулирование скорости изменением напряжения на якоре.

3. Автоматическое регулирование скорости при питании двигателя от источника тока.

4. Регулирование скорости изменение потока двигателя.

5. Импульсное параметрическое регулирование скорости.

Что такое электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока

Как уже говорилось ранее в моей предыдущей статье, двигатели постоянного тока применяются в различных промышленных, транспортных системах, в которых необходимо осуществлять плавное регулирование скорости вращения или выдерживать постоянство момента (прокатные станы, лифты, металлорежущие станки).

Рисунок 1 — Схема ДПТ НВ

Частота вращения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением описывается формулой ниже. Это выражение является электромеханической характеристикой ДПТ:

U – питающее напряжение сети;

I_я – ток протекающий в якорной обмотке;

R_я – сопротивление якорной цепи;

k – конструктивный коэффициент;

Ф – магнитный поток.

Если подставить формулу момента в выражение частоты вращения, то мы получим электромеханическую характеристику, выраженную через момент:

Данное уравнение механической характеристики определяет зависимость скорости вращения двигателя к моменту на его валу. Если рассматривать момент в статике, то он будет равен моменту сопротивления М_с. Соответственно, уравнение определяет зависимость скорости вращения двигателя от момента сопротивления М_с.

При прямом пуске двигателя, пусковой ток значительно больше номинального I_п>>I_н, поэтому якорная обмотка начинает сильно греться и может выйти из строя. Кроме того, большие пусковые токи крайне негативно влияют на щеточно-коллекторный узел. Поэтому, начальный ток обычно ограничивают введением добавочного сопротивления в якорную цепь двигателя. Величина максимального превышения пускового тока от номинального может достигать от 2 до 5 раз I_п=(2-5)*I_н, в зависимости от конструкции и типа ДПТ.

Рисунок 2 – Реостатный пуск ДПТ

Как Вы могли заметить, пуск происходит в несколько ступеней – это необходимо для более плавного разгона. Наклон механической характеристики зависит от величины добавочного сопротивления, и чем оно больше, тем наклон круче. То есть характеристика становится более жесткой.

Рисунок 3 – Зависимость наклона мех. характеристики ДПТ от добавочного сопротивления

Так же регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться понижением питающего напряжения:

Рисунок 4 – Зависимость частоты вращения ДПТ от питающего напряжения

Отличительная особенностью двигателей постоянного тока от АД — это возможность регулирования скорости вверх от основной, изменением магнитного потока. Однако экономически выгодно регулировать частоту вращения тогда, когда ток якоря является номинальным. Значения моментов будут различными для разных величин магнитного потока Ф. Такие точки значений номинальных моментов будут располагаться на пунктирной гиперболической кривой (рисунок 6).