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.

n = f(Iя),

Мвр = f(Iя).

U = const.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.

1. Активные части витка.
2. Лобовая часть витка.
3. Лобовые изгибы.
4. Коллекторные пластины.
5. Изоляция (миканит).

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.

n

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.