Ηλεκτρικά κυκλώματα συνεχούς ρεύματος και τα χαρακτηριστικά τους

Ιδιότητες κινητήρες συνεχούς ρεύματος καθορίζονται κυρίως από τον τρόπο ενεργοποίησης του πηνίου διέγερσης. Ανάλογα με αυτό, οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται:

1. ανεξάρτητα διεγερμένο: το πηνίο διέγερσης τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύματος (διεγέρτης ή ανορθωτής),

2. παράλληλη διέγερση: η περιέλιξη πεδίου συνδέεται παράλληλα με την περιέλιξη του οπλισμού,

3. διέγερση σειράς: η περιέλιξη διέγερσης συνδέεται σε σειρά με την περιέλιξη του οπλισμού,

4. με μικτή διέγερση: υπάρχουν δύο περιελίξεις πεδίου, το ένα συνδεδεμένο παράλληλα με το τύλιγμα του οπλισμού και το άλλο σε σειρά με αυτό.

Όλοι αυτοί οι ηλεκτροκινητήρες έχουν την ίδια συσκευή και διαφέρουν μόνο στην κατασκευή του πηνίου διέγερσης. Οι περιελίξεις διέγερσης αυτών των ηλεκτροκινητήρων εκτελούνται με τον ίδιο τρόπο όπως στο αντίστοιχες γεννήτριες.

Ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος με ανεξάρτητη διέγερση

Σε αυτόν τον ηλεκτροκινητήρα (Εικ.1, α) η περιέλιξη του οπλισμού συνδέεται με την κύρια πηγή συνεχούς ρεύματος (δίκτυο συνεχούς ρεύματος, γεννήτρια ή ανορθωτή) με τάση U και η περιέλιξη διέγερσης συνδέεται με μια βοηθητική πηγή με τάση UB. Ένας ρυθμιστικός ρεοστάτης Rp περιλαμβάνεται στο κύκλωμα του πηνίου διέγερσης και ένας ρεοστάτης εκκίνησης Rn περιλαμβάνεται στο κύκλωμα του πηνίου οπλισμού.

Ο ρυθμιστικός ρεοστάτης χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της ταχύτητας οπλισμού του κινητήρα και ο ρεοστάτης εκκίνησης χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος στην περιέλιξη του οπλισμού κατά την εκκίνηση. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του ηλεκτροκινητήρα είναι ότι το ρεύμα διέγερσής του Iv δεν εξαρτάται από το ρεύμα Ii στην περιέλιξη του οπλισμού (ρεύμα φορτίου). Επομένως, παραβλέποντας το αποτέλεσμα απομαγνητισμού της αντίδρασης οπλισμού, μπορούμε περίπου να υποθέσουμε ότι η ροή του κινητήρα F είναι ανεξάρτητη από το φορτίο. Οι εξαρτήσεις της ηλεκτρομαγνητικής ροπής M και της ταχύτητας n από το ρεύμα I θα είναι γραμμικές (Εικ. 2, α). Επομένως, τα μηχανικά χαρακτηριστικά του κινητήρα θα είναι επίσης γραμμικά — η εξάρτηση n (M) (Εικ. 2, β).

Ελλείψει ρεοστάτη με αντίσταση Rn στο κύκλωμα οπλισμού, η ταχύτητα και τα μηχανικά χαρακτηριστικά θα είναι άκαμπτα, δηλαδή με μικρή γωνία κλίσης προς τον οριζόντιο άξονα, καθώς η πτώση τάσης IяΣRя στις περιελίξεις του μηχανήματος που περιλαμβάνονται στο το κύκλωμα οπλισμού στο ονομαστικό φορτίο είναι μόνο 3-5% του Unom. Αυτά τα χαρακτηριστικά (ευθείες γραμμές 1 στο Σχ. 2, α και β) ονομάζονται φυσικά. Όταν ένας ρεοστάτης με αντίσταση Rn περιλαμβάνεται στο κύκλωμα οπλισμού, η γωνία κλίσης αυτών των χαρακτηριστικών αυξάνεται, ως αποτέλεσμα του οποίου μπορεί να ληφθεί μια οικογένεια χαρακτηριστικών ρεοστάτη 2, 3 και 4, που αντιστοιχεί σε διαφορετικές τιμές Rn1, Rn2 και Rn3.

Ρύζι. 1.Σχηματικά διαγράμματα κινητήρων συνεχούς ρεύματος με ανεξάρτητη (α) και παράλληλη (β) διέγερση

Ρύζι. 2. Χαρακτηριστικά ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος με ανεξάρτητη και παράλληλη διέγερση: α — ταχύτητα και ροπή, β — μηχανική, γ — εργασία Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση Rn, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία κλίσης του χαρακτηριστικού του ρεοστάτη, δηλαδή, είναι πιο μαλακό.

Ο ρυθμιστικός ρεοστάτης Rpv σας επιτρέπει να αλλάξετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα Iv και τη μαγνητική του ροή F. Σε αυτήν την περίπτωση, η συχνότητα περιστροφής n θα αλλάξει επίσης.

Δεν είναι εγκατεστημένοι διακόπτες και ασφάλειες στο κύκλωμα του πηνίου διέγερσης, επειδή όταν διακόπτεται αυτό το κύκλωμα, η μαγνητική ροή του ηλεκτροκινητήρα μειώνεται απότομα (μόνο η ροή του υπολειπόμενου μαγνητισμού παραμένει σε αυτό) και εμφανίζεται μια κατάσταση έκτακτης ανάγκης. Ο κινητήρας λειτουργεί με ταχύτητα ρελαντί ή ελαφρύ φορτίο στον άξονα, τότε η ταχύτητα αυξάνεται απότομα (ο κινητήρας κινείται). Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα στην περιέλιξη του οπλισμού Iya αυξάνεται σημαντικά και μπορεί να προκληθεί εκτεταμένη πυρκαγιά. Για να αποφευχθεί αυτό, η προστασία πρέπει να αποσυνδέει τον ηλεκτροκινητήρα από την πηγή ισχύος.

Η απότομη αύξηση της ταχύτητας περιστροφής όταν διακόπτεται το κύκλωμα του πηνίου διέγερσης εξηγείται από το γεγονός ότι στην περίπτωση αυτή η μαγνητική ροή Ф (μέχρι την τιμή της ροής Fost από τον υπολειπόμενο μαγνητισμό) και π.χ. και τα λοιπά. v. E και η τρέχουσα Iya αυξάνεται. Και εφόσον η εφαρμοζόμενη τάση U παραμένει αμετάβλητη, η συχνότητα περιστροφής n θα αυξηθεί σε e. και τα λοιπά. γ. Το E δεν θα φτάσει σε τιμή περίπου ίση με το U (η οποία είναι απαραίτητη για την κατάσταση ισορροπίας του κυκλώματος οπλισμού, όπου E = U — IяΣRя.

Όταν το φορτίο του άξονα είναι κοντά στο ονομαστικό, ο ηλεκτροκινητήρας θα σταματήσει σε περίπτωση διακοπής του κυκλώματος διέγερσης, επειδή η ηλεκτρομαγνητική ροπή που μπορεί να αναπτύξει ο κινητήρας με σημαντική μείωση της μαγνητικής ροής μειώνεται και γίνεται μικρότερη από τη ροπή του φορτίου του άξονα. Σε αυτήν την περίπτωση, το ρεύμα Iya αυξάνεται επίσης απότομα και το μηχάνημα πρέπει να αποσυνδεθεί από την πηγή ρεύματος.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η ταχύτητα περιστροφής n0 αντιστοιχεί σε ιδανική ταχύτητα ρελαντί όταν ο κινητήρας δεν καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο και η ηλεκτρομαγνητική ροπή του είναι μηδέν. Σε πραγματικές συνθήκες, σε κατάσταση ρελαντί, ο κινητήρας καταναλώνει από το δίκτυο το ρεύμα ρελαντί I0, το οποίο είναι απαραίτητο για την αντιστάθμιση των εσωτερικών απωλειών ισχύος, και αναπτύσσει μια ορισμένη ροπή M0, απαραίτητη για την υπέρβαση των δυνάμεων τριβής στη μηχανή. Επομένως, στην πραγματικότητα η ταχύτητα ρελαντί είναι μικρότερη από n0.

Η εξάρτηση της ταχύτητας περιστροφής n και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής M από την ισχύ P2 (Εικ. 2, c) από τον άξονα του κινητήρα, όπως προκύπτει από τις εξεταζόμενες σχέσεις, είναι γραμμική. Οι εξαρτήσεις του ρεύματος περιέλιξης του οπλισμού Iya και της ισχύος P1 στο P2 είναι επίσης πρακτικά γραμμικές. Το ρεύμα I και η ισχύς P1 στο P2 = 0 αντιπροσωπεύουν το ρεύμα αδράνειας I0 και την ισχύ P0 που καταναλώνεται στο ρελαντί. Η καμπύλη απόδοσης είναι χαρακτηριστική για όλες τις ηλεκτρικές μηχανές.

Ηλεκτρικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος παράλληλη διέγερση

Σε αυτόν τον ηλεκτροκινητήρα (βλ. Εικ. 1, β) οι περιελίξεις διέγερσης και οι οπλισμοί τροφοδοτούνται από την ίδια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας με τάση U. Ένας ρυθμιστικός ρεοστάτης Rpv περιλαμβάνεται στο κύκλωμα της περιέλιξης διέγερσης και ένας ρεοστάτης εκκίνησης Rp περιλαμβάνεται στο κύκλωμα περιέλιξης στην άγκυρα.

Στον υπό εξέταση ηλεκτροκινητήρα υπάρχει ουσιαστικά ξεχωριστή τροφοδοσία των κυκλωμάτων περιέλιξης οπλισμού και διέγερσης, με αποτέλεσμα το ρεύμα διέγερσης Iv να μην εξαρτάται από το ρεύμα περιέλιξης οπλισμού Iv. Επομένως, ο κινητήρας παράλληλης διέγερσης θα έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με τον κινητήρα ανεξάρτητης διέγερσης. Ωστόσο, ένας κινητήρας παράλληλης διέγερσης θα λειτουργεί κανονικά μόνο όταν τροφοδοτείται από μια πηγή συνεχούς τάσης σταθερής τάσης.

Όταν ο ηλεκτροκινητήρας τροφοδοτείται από μια πηγή με διαφορετική τάση (γεννήτρια ή ελεγχόμενος ανορθωτής), μια μείωση της τάσης τροφοδοσίας U προκαλεί αντίστοιχη μείωση του ρεύματος διέγερσης Ic και της μαγνητικής ροής Φ, που οδηγεί σε αύξηση του οπλισμού ρεύμα περιέλιξης Iya. Αυτό περιορίζει τη δυνατότητα ρύθμισης της ταχύτητας οπλισμού αλλάζοντας την τάση τροφοδοσίας U. Επομένως, οι ηλεκτροκινητήρες που έχουν σχεδιαστεί για να τροφοδοτούνται από γεννήτρια ή ελεγχόμενο ανορθωτή πρέπει να έχουν ανεξάρτητη διέγερση.

Διέγερση σειράς συνεχούς ρεύματος ηλεκτροκινητήρα

Για να περιοριστεί το ρεύμα εκκίνησης, ο ρεοστάτης εκκίνησης Rp (Εικ. 3, α) περιλαμβάνεται στο κύκλωμα της περιέλιξης του οπλισμού (Εικ. 3, α) και για τη ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής παράλληλα με την περιέλιξη διέγερσης ρυθμίζοντας τον ρεοστάτη Μπορεί να συμπεριληφθεί Rpv.

Ρύζι. 3. Σχηματικό διάγραμμα του κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς (a) και την εξάρτηση της μαγνητικής του ροής Ф από το ρεύμα I στην περιέλιξη του οπλισμού (b)

Ρύζι. 4. Χαρακτηριστικά του κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διαδοχική διέγερση: α — υψηλή ταχύτητα και ροπή, β — μηχανική, γ — εργάτες.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτού του ηλεκτροκινητήρα είναι ότι το ρεύμα διέγερσής του Iv είναι ίσο ή ανάλογο (όταν ο ρεοστάτης Rpv είναι ενεργοποιημένος) με το ρεύμα της περιέλιξης του οπλισμού Iya, επομένως η μαγνητική ροή F εξαρτάται από το φορτίο του κινητήρα (Εικ. 3, β) .

Όταν το ρεύμα περιέλιξης οπλισμού Iya είναι μικρότερο από (0,8-0,9) του ονομαστικού ρεύματος Inom, το μαγνητικό σύστημα της μηχανής δεν είναι κορεσμένο και μπορεί να υποτεθεί ότι η μαγνητική ροή Ф αλλάζει σε ευθεία αναλογία με το ρεύμα Iia. Επομένως, το χαρακτηριστικό ταχύτητας του ηλεκτροκινητήρα θα είναι μαλακό - καθώς αυξάνεται το ρεύμα I, η ταχύτητα περιστροφής n θα μειωθεί απότομα (Εικ. 4, α). Μια μείωση στην ταχύτητα περιστροφής n οφείλεται σε αύξηση της πτώσης τάσης IjaΣRja. στην εσωτερική αντίσταση Rα. κυκλώματα περιέλιξης οπλισμού, καθώς και λόγω αύξησης της μαγνητικής ροής F.

Η ηλεκτρομαγνητική ροπή M με αύξηση του ρεύματος Ija θα αυξηθεί απότομα, γιατί σε αυτή την περίπτωση αυξάνεται και η μαγνητική ροή Ф, δηλαδή η ροπή M θα είναι ανάλογη με το ρεύμα Ija. Επομένως, όταν το ρεύμα Iya είναι μικρότερο από (0,8 N-0,9) Inom, το χαρακτηριστικό ταχύτητας έχει σχήμα υπερβολής και το χαρακτηριστικό ροπής έχει σχήμα παραβολής.

Στα ρεύματα Ia> Ia, οι εξαρτήσεις των M και n από το Ia είναι γραμμικές, αφού σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας το μαγνητικό κύκλωμα θα είναι κορεσμένο και η μαγνητική ροή Ф δεν θα αλλάξει όταν αλλάξει το ρεύμα Ia.

Το μηχανικό χαρακτηριστικό, δηλαδή η εξάρτηση του n από το M (Εικ. 4, β), μπορεί να κατασκευαστεί με βάση τις εξαρτήσεις του n και του M από το Iya. Εκτός από το φυσικό χαρακτηριστικό 1, είναι δυνατό να ληφθεί μια οικογένεια χαρακτηριστικών ρεοστάτη 2, 3 και 4. συμπεριλαμβάνοντας έναν ρεοστάτη με αντίσταση Rp στο κύκλωμα περιέλιξης του οπλισμού.Αυτά τα χαρακτηριστικά αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές των Rn1, Rn2 και Rn3, ενώ όσο υψηλότερο είναι το Rn, τόσο χαμηλότερο είναι το χαρακτηριστικό.

Το μηχανικό χαρακτηριστικό του εξεταζόμενου κινητήρα είναι μαλακό και υπερβολικό. Σε χαμηλά φορτία, η μαγνητική ροή Ф μειώνεται σημαντικά, η ταχύτητα περιστροφής n αυξάνεται απότομα και μπορεί να υπερβεί τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή (ο κινητήρας λειτουργεί άγρια). Επομένως, τέτοιοι κινητήρες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση μηχανισμών που λειτουργούν σε κατάσταση ρελαντί και με χαμηλό φορτίο (διάφορα μηχανήματα, μεταφορείς κ.λπ.).

Συνήθως, το ελάχιστο επιτρεπόμενο φορτίο για κινητήρες υψηλής και μέσης ισχύος είναι (0,2… 0,25) Inom. Για να μην λειτουργεί ο κινητήρας χωρίς φορτίο, είναι σταθερά συνδεδεμένος με τον μηχανισμό κίνησης (οδοντωτός ή τυφλός σύνδεσμος). η χρήση ιμάντα κίνησης ή συμπλέκτη τριβής είναι απαράδεκτη.

Παρά αυτό το μειονέκτημα, οι κινητήρες με διαδοχική διέγερση χρησιμοποιούνται ευρέως, ειδικά όταν υπάρχουν μεγάλες διαφορές στη ροπή φορτίου και σε σοβαρές συνθήκες εκκίνησης: σε όλες τις μηχανές έλξης (ηλεκτρικές ατμομηχανές, ντίζελ ατμομηχανές, ηλεκτρικά τρένα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ηλεκτρικά περονοφόρα, κ.λπ.). καθώς και σε μηχανισμούς κίνησης ανυψωτικών μηχανισμών (γερανοί, ανελκυστήρες κ.λπ.).

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι με ένα μαλακό χαρακτηριστικό, η αύξηση της ροπής φορτίου οδηγεί σε χαμηλότερη αύξηση του ρεύματος και της κατανάλωσης ισχύος από ό,τι σε ανεξάρτητους και παράλληλα διεγερμένους κινητήρες, λόγω του οποίου οι κινητήρες με διέγερση σειράς μπορούν να αντέξουν καλύτερα σε υπερφόρτωση.Επιπλέον, αυτοί οι κινητήρες έχουν υψηλότερη ροπή εκκίνησης από τους παράλληλους και ανεξάρτητα διεγερμένους κινητήρες, επειδή καθώς αυξάνεται το ρεύμα περιέλιξης του οπλισμού κατά την εκκίνηση, αυξάνεται ανάλογα και η μαγνητική ροή.

Αν υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι το βραχυπρόθεσμο ρεύμα εισόδου μπορεί να είναι 2 φορές το ονομαστικό ρεύμα λειτουργίας του μηχανήματος και να παραμεληθούν τα αποτελέσματα κορεσμού, αντίδρασης οπλισμού και πτώσης τάσης στην περιέλιξή του, τότε σε έναν κινητήρα διεγερμένου σειράς, ο η ροπή εκκίνησης θα είναι 4 φορές υψηλότερη από την ονομαστική (τόσο στο ρεύμα όσο και στη μαγνητική ροή αυξάνεται 2 φορές) και σε κινητήρες με ανεξάρτητη και παράλληλη διέγερση - μόνο 2 φορές περισσότερο.

Στην πραγματικότητα, λόγω του κορεσμού του μαγνητικού κυκλώματος, η μαγνητική ροή δεν αυξάνεται αναλογικά με το ρεύμα, αλλά παρ' όλα αυτά, η ροπή εκκίνησης ενός κινητήρα που διεγείρεται από σειρά, ίσα με άλλα πράγματα, θα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη ροπή εκκίνησης του ίδιου κινητήρα με ανεξάρτητη ή παράλληλη διέγερση.

Οι εξαρτήσεις των n και M από την ισχύ P2 του άξονα του κινητήρα (Εικ. 4, c), όπως προκύπτει από τις θέσεις που συζητήθηκαν παραπάνω, είναι μη γραμμικές, οι εξαρτήσεις των P1, Ith και η στο P2 έχουν την ίδια μορφή με για κινητήρες με παράλληλη διέγερση.

Ηλεκτροκινητήρας μικτής διέγερσης συνεχούς ρεύματος

Σε αυτόν τον ηλεκτροκινητήρα (Εικ. 5, α) η μαγνητική ροή Ф δημιουργείται ως αποτέλεσμα της κοινής δράσης δύο πηνίων διέγερσης — παράλληλων (ή ανεξάρτητων) και σειρών, μέσω των οποίων τα ρεύματα διέγερσης Iв1 και Iв2 = Iя

να γιατί

όπου Fposl — η μαγνητική ροή του πηνίου σειράς, ανάλογα με το ρεύμα Ia, Fpar — η μαγνητική ροή του παράλληλου πηνίου, που δεν εξαρτάται από το φορτίο (καθορίζεται από το ρεύμα διέγερσης Ic1).

Το μηχανικό χαρακτηριστικό ενός ηλεκτροκινητήρα με μικτή διέγερση (Εικ. 5, β) βρίσκεται μεταξύ των χαρακτηριστικών κινητήρων με παράλληλη (ευθεία γραμμή 1) και σε σειρά (καμπύλη 2) διέγερση. Ανάλογα με τον λόγο των μαγνητοκινητικών δυνάμεων των παράλληλων και σειριακών περιελίξεων στον ονομαστικό τρόπο λειτουργίας, τα χαρακτηριστικά του κινητήρα μικτής διέγερσης μπορούν να προσεγγιστούν στο χαρακτηριστικό 1 (καμπύλη 3 σε χαμηλά ppm της περιέλιξης σειράς) ή στο χαρακτηριστικό 2 (καμπύλη 4 στο χαμηλά ppm. v. παράλληλη περιέλιξη).

Ρύζι. 5. Σχηματικό διάγραμμα ηλεκτροκινητήρα με μικτή διέγερση (α) και τα μηχανικά χαρακτηριστικά του (β)

Το πλεονέκτημα του κινητήρα συνεχούς ρεύματος με μικτή διέγερση είναι ότι, έχοντας ένα μαλακό μηχανικό χαρακτηριστικό, μπορεί να λειτουργεί στο ρελαντί όταν Fposl = 0. Σε αυτή τη λειτουργία, η συχνότητα περιστροφής του οπλισμού του καθορίζεται από τη μαγνητική ροή Fpar και έχει περιορισμένη τιμή (ο κινητήρας δεν λειτουργεί).