Circuite electrice de curent continuu și caracteristicile acestora

Proprietăți motoare de curent continuu sunt determinate în principal de modul în care este pornită bobina de excitație. În funcție de aceasta, motoarele electrice se disting:

1. excitat independent: bobina de excitare este alimentată de o sursă de curent continuu externă (excitator sau redresor),

2. excitație paralelă: înfășurarea câmpului este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii,

3. excitație în serie: înfășurarea de excitație este conectată în serie cu înfășurarea armăturii,

4. cu excitație mixtă: există două înfășurări de câmp, una conectată în paralel cu înfășurarea armăturii și cealaltă în serie cu aceasta.

Toate aceste motoare electrice au același dispozitiv și diferă doar prin construcția bobinei de excitație. Înfășurările de excitație ale acestor motoare electrice sunt realizate în același mod ca în generatoarele respective.

Motor electric DC excitat independent

În acest motor electric (Fig.1, a) înfășurarea armăturii este conectată la sursa principală de curent continuu (rețea de curent continuu, generator sau redresor) cu o tensiune U, iar înfășurarea de excitație este conectată la o sursă auxiliară cu o tensiune UB. Un reostat de reglare Rp este inclus în circuitul bobinei de excitație, iar un reostat de pornire Rn este inclus în circuitul bobinei armăturii.

Reostatul de reglare este folosit pentru a regla viteza armăturii motorului, iar reostatul de pornire este utilizat pentru a limita curentul din înfășurarea armăturii la pornire. O trăsătură caracteristică a motorului electric este că curentul său de excitație Iv nu depinde de curentul Ii din înfășurarea armăturii (curent de sarcină). Prin urmare, neglijând efectul de demagnetizare al reacției armăturii, putem presupune aproximativ că fluxul motorului F este independent de sarcină. Dependențele momentului electromagnetic M și ale vitezei n de curentul I vor fi liniare (Fig. 2, a). Prin urmare, caracteristicile mecanice ale motorului vor fi, de asemenea, liniare - dependența n (M) (Fig. 2, b).

În absența unui reostat cu rezistență Rn în circuitul armăturii, viteza și caracteristicile mecanice vor fi rigide, adică cu un mic unghi de înclinare față de axa orizontală, deoarece căderea de tensiune IяΣRя în înfășurările mașinii incluse în circuitul armăturii la sarcina nominală este de numai 3-5% din Unom. Aceste caracteristici (liniile drepte 1 din Fig. 2, a și b) se numesc naturale. Atunci când în circuitul armăturii este inclus un reostat cu rezistență Rn, unghiul de înclinare al acestor caracteristici crește, drept urmare se poate obține o familie de caracteristici de reostat 2, 3 și 4, corespunzătoare diferitelor valori ale Rn1, Rn2 și Rn3.

Orez. 1.Scheme schematice ale motoarelor de curent continuu cu excitație independentă (a) și paralelă (b).

Orez. 2. Caracteristicile motoarelor electrice curent continuu cu excitație independentă și paralelă: a — turație și cuplu, b — mecanic, c — de lucru Cu cât rezistența Rn este mai mare, cu atât este mai mare unghiul de înclinare a caracteristicii reostatului, adică acesta este mai moale.

Reostatul de reglare Rpv vă permite să modificați curentul de excitație al motorului Iv și fluxul său magnetic F. În acest caz, se va modifica și frecvența de rotație n.

Nu sunt instalate întrerupătoare și siguranțe în circuitul bobinei de excitație, deoarece atunci când acest circuit este întrerupt, fluxul magnetic al motorului electric scade brusc (în el rămâne doar fluxul de magnetism rezidual) și apare un mod de urgență. motorul funcționează la ralanti sau la sarcină ușoară pe arbore, apoi viteza crește brusc (motorul se mișcă). În acest caz, curentul din înfășurarea armăturii Iya crește semnificativ și poate apărea un incendiu cuprinzător. Pentru a evita acest lucru, protecția trebuie să deconecteze motorul electric de la sursa de alimentare.

Creșterea bruscă a vitezei de rotație atunci când circuitul bobinei de excitație este întrerupt se explică prin faptul că în acest caz fluxul magnetic Ф (până la valoarea fluxului Fost din magnetismul rezidual) și e. etc. v. E și Iya actuală crește. Și deoarece tensiunea aplicată U rămâne neschimbată, frecvența de rotație n va crește la e. etc. c. E nu va atinge o valoare aproximativ egală cu U (care este necesară pentru starea de echilibru a circuitului de armătură, unde E = U — IяΣRя.

Când sarcina pe arbore este apropiată de cea nominală, motorul electric se va opri în cazul unei întreruperi a circuitului de excitație, deoarece momentul electromagnetic pe care îl poate dezvolta motorul cu o reducere semnificativă a fluxului magnetic scade și devine mai mic decât cuplul. a sarcinii arborelui. În acest caz, curentul Iya crește, de asemenea, brusc și mașina trebuie deconectată de la sursa de alimentare.

De remarcat că viteza de rotație n0 corespunde unei turații de ralanti ideală atunci când motorul nu consumă energie electrică din rețea și momentul său electromagnetic este zero. În condiții reale, în regim de ralanti, motorul consumă din rețea curentul de ralanti I0, care este necesar pentru a compensa pierderile interne de putere, și dezvoltă un anumit cuplu M0, necesar pentru a depăși forțele de frecare din mașină. Prin urmare, în realitate turația în gol este mai mică decât n0.

Dependența vitezei de rotație n și a momentului electromagnetic M de puterea P2 (Fig. 2, c) de la arborele motorului, după cum reiese din relațiile considerate, este liniară. Dependența curentului de înfășurare a armăturii Iya și puterea P1 de P2 sunt, de asemenea, practic liniare. Curentul I și puterea P1 la P2 = 0 reprezintă curentul de repaus I0 și puterea P0 consumată la ralanti. Curba eficienței este caracteristică tuturor mașinilor electrice.

Motor electric cu excitație paralelă în curent continuu

În acest motor electric (vezi Fig. 1, b) înfășurările de excitație și armăturile sunt alimentate din aceeași sursă de energie electrică cu o tensiune U. În circuitul înfășurării de excitație este inclus un reostat de reglare Rpv și un reostat de pornire Rp. este inclus în circuitul de înfăşurare de pe ancoră.

În motorul electric luat în considerare, există în esență o alimentare separată a circuitelor de înfășurare a armăturii și excitație, drept urmare curentul de excitație Iv nu depinde de curentul de înfășurare a armăturii Iv. Prin urmare, motorul cu excitație paralelă va avea aceleași caracteristici ca și motorul cu excitație independent. Cu toate acestea, un motor cu excitație paralelă va funcționa normal numai atunci când este alimentat de o sursă de curent continuu cu tensiune constantă.

Când motorul electric este alimentat de o sursă cu o tensiune diferită (generator sau redresor controlat), o scădere a tensiunii de alimentare U determină o scădere corespunzătoare a curentului de excitație Ic și a fluxului magnetic Ф, ceea ce duce la o creștere a armăturii. curent de înfăşurare Iya. Aceasta limitează posibilitatea de reglare a vitezei armăturii prin modificarea tensiunii de alimentare U. Prin urmare, motoarele electrice proiectate pentru a fi alimentate de un generator sau redresor controlat trebuie să aibă excitație independentă.

Motor electric cu excitație în serie de curent continuu

Pentru a limita curentul de pornire, reostatul de pornire Rp (Fig. 3, a) este inclus în circuitul înfășurării armăturii (Fig. 3, a) și pentru a regla viteza de rotație în paralel cu înfășurarea de excitație prin reglarea reostatului Rpv poate fi inclus.

Orez. 3. Schema schematică a motorului de curent continuu cu excitație în serie (a) și dependența fluxului său magnetic Ф de curentul I din înfășurarea armăturii (b)

Orez. 4. Caracteristicile motorului de curent continuu cu excitație secvențială: a — turație și cuplu mare, b — mecanic, c — muncitori.

O caracteristică caracteristică a acestui motor electric este că curentul său de excitație Iv este egal sau proporțional (când reostatul Rpv este pornit) cu curentul înfășurării armăturii Iya, prin urmare fluxul magnetic F depinde de sarcina motorului (Fig. 3, b) .

Când curentul de înfășurare a armăturii Iya este mai mic decât (0,8-0,9) din curentul nominal Inom, sistemul magnetic al mașinii nu este saturat și se poate presupune că fluxul magnetic Ф se modifică direct proporțional cu curentul Iia. Prin urmare, caracteristica de turație a motorului electric va fi moale — pe măsură ce curentul I crește, viteza de rotație n va scădea brusc (Fig. 4, a). O scădere a vitezei de rotație n se datorează creșterii căderii de tensiune IjaΣRja. în rezistenţa internă Rα. circuitele de înfășurare a armăturii, precum și datorită creșterii fluxului magnetic F.

Momentul electromagnetic M cu o creștere a curentului Ija va crește brusc, deoarece în acest caz crește și fluxul magnetic Ф, adică momentul M va fi proporțional cu curentul Ija. Prin urmare, când curentul Iya este mai mic decât (0,8 N-0,9) Inom, caracteristica viteză are forma unei hiperbole, iar caracteristica moment are forma unei parabole.

La curenții Ia> Ia, dependențele lui M și n față de Ia sunt liniare, deoarece în acest mod circuitul magnetic va fi saturat și fluxul magnetic Ф nu se va modifica la modificarea curentului Ia.

Caracteristica mecanică, adică dependența lui n de M (Fig. 4, b), poate fi construită pe baza dependențelor lui n și M de Iya. Pe lângă caracteristica naturală 1, se poate obține o familie de caracteristici de reostat 2, 3 și 4. prin includerea unui reostat cu rezistență Rp în circuitul de înfășurare a armăturii.Aceste caracteristici corespund unor valori diferite ale Rn1, Rn2 și Rn3, în timp ce cu cât este mai mare Rn, cu atât este mai mică caracteristica.

Caracteristica mecanică a motorului considerat este moale și hiperbolică. La sarcini mici, fluxul magnetic Ф scade semnificativ, viteza de rotație n crește brusc și poate depăși valoarea maximă admisă (motorul funcționează liber). Prin urmare, astfel de motoare nu pot fi utilizate pentru a antrena mecanisme care funcționează în regim de ralanti și sub sarcină redusă (diverse mașini, transportoare etc.).

De obicei, sarcina minimă admisă pentru motoarele de putere mare și medie este (0,2… 0,25) Inom. Pentru a preveni funcționarea motorului fără sarcină, acesta este conectat ferm la mecanismul de antrenare (cuplaj dințat sau oarbă); utilizarea unei transmisii prin curea sau a unui ambreiaj cu frecare este inacceptabilă.

În ciuda acestui dezavantaj, motoarele cu excitație secvențială sunt utilizate pe scară largă, mai ales atunci când există diferențe mari de cuplu de sarcină și condiții severe de pornire: în toate mecanismele de tracțiune (locomotive electrice, locomotive diesel, trenuri electrice, mașini electrice, stivuitoare electrice etc. ), precum şi în acţionarea mecanismelor de ridicare (macarale, ascensoare etc.).

Acest lucru se explică prin faptul că, cu o caracteristică moale, o creștere a cuplului de sarcină duce la o creștere mai mică a consumului de curent și putere decât la motoarele excitate independent și paralel, datorită cărora motoarele excitate în serie pot rezista mai bine la suprasarcină.În plus, aceste motoare au un cuplu de pornire mai mare decât motoarele paralele și excitate independent, deoarece pe măsură ce curentul înfășurării armăturii crește în timpul pornirii, și fluxul magnetic crește în mod corespunzător.

Dacă presupunem, de exemplu, că curentul de pornire pe termen scurt poate fi de 2 ori curentul nominal de funcționare al mașinii și neglijăm efectele saturației, reacției armăturii și căderii de tensiune în înfășurarea sa, atunci într-un motor excitat în serie, cuplul de pornire va fi de 4 ori mai mare decât cel nominal (atât în ​​curent, cât și în fluxul magnetic crește de 2 ori), iar la motoarele cu excitație independentă și paralelă - doar de 2 ori mai mult.

De fapt, din cauza saturației circuitului magnetic, fluxul magnetic nu crește proporțional cu curentul, dar cu toate acestea, cuplul de pornire al unui motor excitat în serie, celelalte lucruri fiind egale, va fi mult mai mare decât cuplul de pornire. a aceluiaşi motor cu excitaţie independentă sau paralelă.

Dependența lui n și M de puterea P2 a arborelui motor (Fig. 4, c), după cum reiese din pozițiile discutate mai sus, sunt neliniare, dependențele lui P1, Ith și η de P2 au aceeași formă ca și pentru motoarele cu excitare paralelă.

Motor electric de curent continuu cu excitație mixtă

În acest motor electric (Fig. 5, a) fluxul magnetic Ф este creat ca urmare a acțiunii comune a două bobine de excitație - paralele (sau independente) și serie, prin care curenții de excitație Iв1 și Iв2 = Iя

De aceea

unde Fposl — fluxul magnetic al bobinei serie, în funcție de curentul Ia, Fpar — fluxul magnetic al bobinei paralele, care nu depinde de sarcină (este determinat de curentul de excitație Ic1).

Caracteristica mecanică a unui motor electric cu excitație mixtă (Fig. 5, b) se află între caracteristicile motoarelor cu excitație paralelă (linie dreaptă 1) și serie (curba 2). În funcție de raportul forțelor magnetomotoare ale înfășurărilor paralele și serie la modul nominal, caracteristicile motorului cu excitație mixtă pot fi aproximate la caracteristica 1 (curba 3 la ppm scăzut a înfășurării în serie) sau la caracteristica 2 (curba 4 la ppm scăzut. v. înfăşurare paralelă).

Orez. 5. Schema schematică a unui motor electric cu excitație mixtă (a) și caracteristicile sale mecanice (b)

Avantajul motorului de curent continuu cu excitație mixtă este că acesta, având o caracteristică mecanică moale, poate funcționa la ralanti când Fposl = 0. În acest mod, frecvența de rotație a armăturii sale este determinată de fluxul magnetic Fpar și are o limită limitată. valoare (motorul nu funcționează).