4.3.6.2 Характеристики двигунів постійного струму

Властивості ДПС, як і всіх інших видів електричних двигунів визначаються сукупністю трьох видів характеристик: пускових, робочих і регулювальних.

Пускові характеристики визначають властивості двигуна від моменту пуску до моменту переходу його до усталеного режиму роботи. Сюди відносяться пусковий струм, пусковий момент, час пуску та інші.

Робочі характеристики визначають властивості ДПС при усталеному режимі роботи. До них належать залежності n_я, M_ем, _я і  від потужності на валу двигуна Р₂, які отримують при U = U_н = const і незмінному опорі кола обмотки збудження R_зб = const. До робочих характеристик належить і механічна характеристика двигуна: n_я = f(M_ем) при U = const і _зб = const.

Регулювальні характеристики визначають властивості ДПС при регулюванні їх швидкості обертання. До них належать: межі і характер (плавно або стрибкоподібно) регулювання, а також простота і надійність регулювальної апаратури.

Якісний вигляд робочих характеристик і механічної характеристики двигуна з паралельним збудженням показаний на рис. 4.70.

Рис. 4.70. Робочі (а) та механічна (б) характеристики двигуна з паралельним збудженням

Залежність n_я = f(Р₂) називають швидкісною, або зовнішньою характеристикою ДПС. За умовою, що U = U_н = const і R_зб = const на частоту обертання якоря впливають два фактори, які компенсують один одного – це спад напруги в обмотці якоря R_я_я і явище реакції якоря. Оскільки із збільшенням потужності на валу двигуна збільшується струм _я, то, відповідно, збільшується спад напруги в обмотці якоря R_я_я, і отже, зменшуються оберти якоря. З іншого боку, із збільшенням _я, внаслідок явища реакції якоря зменшується магнітний потік Ф статора і тому збільшується n_я. Таким чином, зовнішня характеристика шунтового двигуна являє собою практично пряму лінію з невеликим нахилом до вісі абсцис. Враховуючі те, що при збільшенні потужності на валу двигуна від Р₂ = 0 до Р₂ = Р_2н оберти двигуна зменшуються всього на (2...8)%, то зовнішню і механічну характеристики ДПС із паралельним збудженням можна вважати жорсткими.

Тут потрібно зазначити, що при роботі двигуна з невеликими навантаженнями на валу фактор реакції якоря переважає фактор R_я_я. Тому для забезпечення стійкої роботи двигуна при малих навантаженнях зменшення магнітного потоку статора компенсують включенням додаткових полюсів.

Раніше було зазначено, що обертовий момент ДПС, у тому числі і шунтового двигуна збільшується пропорційно струму якоря. Відхилення же залежності М_ем(_я) від прямої пояснюється реакцією якоря.

З регулювальних характеристик шунтового двигуна виділимо залежність n_я від _зб, при U = U_н = const і відсутності навантаження на валу двигуна з боку робочої машини , а також залежність _зб від _я, при U = U_н = const і n_я = const (рис. 4.71).

Рис. 4.71. Характеристика холостого ходу (а) та регулювальна характеристика (б) двигуна з паралельним збудженням.

Залежність n_я(_зб) інакше називають характеристикою холостого ходу двигуна. З графіка n_я = f(_зб) видно, що при малих значеннях _зб оберти якоря необмежено збільшуються. Оскільки таке збільшення n_я може призвести до руйнування машини, то для запобігання цьому в шунтових двигунах штучно обмежують мінімально можливе значення _зб (не менше як (25...30)% від номінального значення) і вживають спеціальні заходи із захисту кола обмотки збудження від пошкоджень (обриву). З результатів аналізу характеристики _зб(_я) випливає, що для підтримання сталих обертів якоря одночасно із зміною навантаження на валу двигуна необхідно змінювати струм в обмотці збудження.

Якісний вигляд робочих характеристик і механічної характеристики двигуна з послідовним збудженням показаний на рис. 4.72.

Рис. 4.72. Робочі (а) та механічна (б) характеристики двигуна з послідовним збудженням

Оскільки у ДПС цього типу струм якоря є водночас і струмом збудження, то магнітний потік статора є функцією потужності на валу двигуна. Цім власно кажучи і обумовлена якісна відміна залежностей наведених на рис. 4.72 від відповідних залежностей, наведених на рис. 4.70.

Так, при Р₂ << Р_2н, тобто коли _я << _ян, магнітна система двигуна є ненасиченою. При ненасиченій магнітній системі можна вважати, що магнітний потік прямо пропорційний струму Ф  _я і тому, рівняння розрахунку обертового електромагнітного моменту може бути зведено до вигляду:

.

Оскільки момент двигуна змінюється пропорційно квадрату струму, то спочатку крива М_ем = f(P₂) має вигляд параболи. В міру збільшення навантаження і, отже, струму якоря, настає насичення магнітної системи двигуна. При цьому Ф  const і крива обертального моменту наближається до прямої лінії.

Подібне пояснення має вигляд швидкісної n_я(P₂) і механічної n_я(M_ем) характеристик двигуна. Якщо нехтувати спадом напруги в колі якоря та реакцією якоря і вважати, що магнітна система двигуна є ненасиченою, то Ф  _я  Р₂. За таких умов частоту обертання якоря можна відобразити співвідношеннями:

.

Звідси випливає, що із збільшенням навантаження частота обертання якоря серієсного двмгуна змінюється за гіперболою. Враховуючи, що в діапазоні 0  P₂  P_2н оберти двигуна суттєво змінюються, швидкісну і механічну характеристики двигуна з послідовним збудженням вважають м’якими.

З графіків n_я = f(P₂) і n_я = f(M_eм) видно, що при зменшенні навантаження до нуля частота обертання якоря безмежно збільшується. Насправді це не так, бо при холостому ході струм якоря не дорівнюватиме нулю. Тому швидкість обертання двигуна при холостому ході хоч і не дорівнюватиме безмежності, проте у 4–6 раз може перебільшувати номінальну. Оскільки таки великі оберти можуть призвести до руйнування машини, то серієсний двигун використовують при умовах, де абсолютно виключається можливість роботи у режимі холостого ходу.

Рис. 4.73. Механічна характеристика двигуна із мішаним збудженням

Двигун з мішаним збудженням має паралельну і послідовну обмотки збудження, які можуть бути включені між собою узгоджено (так, що їх магнітні потоки додаються) і зустрічно (потоки віднімаються). При узгодженому вмиканні обмоток механічна характеристика (рис. 4.73 крива 1) компаундного двигуна є проміжною між характеристиками шунтового і серієсного двигунів. Зустрічне включення обмоток збудження дозволяє отримати більш жорстку механічну характеристику (крива 2).

Важливою перевагою компаундного двигуна у порівнянні із серієсним є те, що цей двигун при малих навантаженнях і навіть при холостому ході має обмежену частоту обертання.