Чем отличаются характеристики стартеров с последовательным и смешанным возбуждением
Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:
с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя) ;
с параллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря;
с последовательным возбуждением: обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря;
со смешанным возбуждением: он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно с ней.
Все эти электродвигатели имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения указанных электродвигателей выполняют так же, как у соответствующих генераторов.
Электродвигатель с независимым возбуждением. В этом электродвигателе (рис. 125, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику в напряжением UB. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат RП. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока Iя в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. При этом условии согласно формулам (63′) и (65) получим, что зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения п от тока Iя будут линейными (рис. 126, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя — зависимость п (М) (рис. 126,б).
При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением RП скоростная и механическая характеристики будут жесткими, т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напряжения Iя ? Rя в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3—5 % от UHOM. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 126, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением RП угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным
Рис. 125. Принципиальные схемы электродвигателей с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением
Рис. 126. Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением: а — скоростные и моментная; б — механические; в — рабочие
значениям Rп1, Rп2 и Rп3. Чем больше сопротивление Rп, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.
Регулировочный реостат Rрв позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. Как следует из формулы (65), при этом будет изменяться и частота вращения п. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения, как следует из формулы (65), резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря Iя [см. формулу (66)] и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Фост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток Iя. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения п будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором E=U — Iя ? Rя).
При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается [см. формулу (63′)] и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток Iя [так как в формуле (64) э. д. с. Е будет равна нулю], и машина должна быть отключена от источника питания.
Следует отметить, что частота вращения n0 соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности (см. § 25), и развивает некоторый момент М0, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше nо.
Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р2 (рис. 126, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря Iя и мощности Р1 от Р2 также практически линейны. Ток Iя и мощность Р1 при Р2 = 0 представляют собой ток холостого хода I0 и мощность Р0, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин (см. § 37).
Электродвигатель с параллельным возбуждением. В этом электродвигателе (см. рис. 125, б) обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением U. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат Rп. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения Iв не зависит от тока обмотки якоря Iв. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.
При питании электродвигателя от источника с изменяющимся напряжением (генератор или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее уменьшение тока возбуждения Iв и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря Iя [см. формулу (66) ]. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.
Электродвигатель с последовательным возбуждением. Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря включен пусковой реостат Rп (рис. 127, а), а для регулирования частоты вращения
Рис. 127. Принципиальная схема электродвигателя с последовательным возбуждением (а) и зависимость его магнитного потока Ф от тока Iя в обмотке якоря (б)
Рис. 128. Характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением: а — скоростные и моментная; б — механические; в — рабочие
параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rрв. Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв равен или пропорционален (при включении реостата Rрв) току обмотки якоря Iя, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя (рис. 127,б).
При токе обмотки якоря Iя, меньшем (0,8—0,9) номинального тока Iном, магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току Iя. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока Iя частота вращения n будет резко уменьшаться (рис. 128, а). Уменьшение частоты вращения n, как следует из формулы (65), происходит из-за увеличения падения напряжения Iя?Rя во внутреннем сопротивлении ? Rя цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока Ф.
При токах Iя > Iном зависимости М и п от Iя линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока Iя меняться не будет.
Механическая характеристика, т. е. зависимость п от М (рис. 128,6), может быть построена на основании зависимостей n и М от Iя. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением Rп получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям Rп1, Rп2 и Rп3; при этом чем больше Rп, тем ниже располагается характеристика. Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2-0,25) Iном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.). Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастаний тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением; поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.
Если принять, например, что кратковременный пусковой ток может в 2 раза превышать номинальный рабочий ток машины, и пренебречь влиянием насыщения, реакцией якоря и падением напряжения в цепи его обмотки, то в двигателе с последовательным возбуждением пусковой момент будет в 4 раза больше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбуждением — только в 2 раза больше. В действительности из-за насыщения магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорционально току, но все же пусковой момент двигателя с последовательным возбуждением при прочих равных условиях будет значительно больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.
Зависимости п и М от мощности Р2 на валу электродвигателя (рис. 128, в), как следует из рассмотренных выше положений, являются нелинейными; зависимости P1, Iя и ? от Р2 имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным возбуждением.
Электродвигатель со смешанным возбуждением. В этом электродвигателе (рис. 129, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения Iв1 и Iв2 = Iя. Поэтому
Фпосл — магнитный поток последовательной обмотки, зависящий от тока Iя;
Фпар — магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения Iв1).
Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением (рис. 129,б) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2
(кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки). Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Фпосл = 0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Фпар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос).
Рабочими называют совокупность характеристик стартерных электродвигателей, определяющих их функциональные возможности, включая возможность и целесообразность применения их для систем пуска конкретных автотракторных двигателей. К числу таких характеристик относят зависимости напряжения, мощности, частоты вращения, момента и КПД электродвигателей от тока якоря и зависимость частоты вращения от момента сопротивления на валу электродвигателя.
Характер взаимосвязи между перечисленными электромеханическими параметрами электродвигателей и их численные значения зависят от способа создания в электродвигателях поля возбуждения (введёнными в цепь якоря последовательными обмотками возбуждения, параллельными обмотками возбуждении, совместным действием обеих этих обмоток, постоянными магнитами) и от всех тех факторов, которые определяют потери в электрических машинах (в меди, стали, механические и другие). Не менее значительное влияние на рабочие характеристики стартерных электродвигателей, во многом определяющее их отличие от рабочих характеристик электродвигателей постояниого тока общепромышленного и бытового применения, а также от электродвигателей, используемых в системах электрооборудования энергоёмких автономных объектов (самолётов, вертолётов и др.), оказывает совместная работа их с источником ограниченной мощности.
Ввиду сложного характера взаимосвязей между электромагнитными параметрами электродвигателей в условиях нелинейной магнитной цепи и трудностями определения в зависимости от этих параметров потерь в стали представить рабочие характеристики в наглядном, удобном для анализа и расчётов виде не представляется возможным. Можно получить лишь приближённые выражения для них в условиях линейной магнитной цепи и при отсутствии потерь в стали и механических потерь. При этих допущениях механические характеристики электродвигателя, полученные расчётным путём, отражают зависимости от частоты вращения электромагнитного момента и электромагнитной мощности, а не момента и мощности на валу двигателя. Для получения зависимости от частоты вращения момента и мощности на валу двигателя при наличии всех других рабочих характеристик необходимо в дополнение к ним иметь зависимость КПД от тока якоря.
На рис. 2.17 показано семейство рабочих характеристик электродвигателя стартера 35.3708, используемого в системах пуска двигателей автомобилей ВАЗ. Все приведённые па этом рисунке характеристики существенным образом зависят от ёмкости и степени заряжен- ности аккумуляторной батареи и от температуры электролита. С уменьшением ёмкости АБ, степени её заряженности и температуры электролита возрастает внутреннее сопротивление батареи, вследствие чего увеличивается статизм вольт-амперной (внешней) характеристики АБ и, как следствие, этого сужается диапазон определения рабочих характеристик по току и уменьшаются их ординаты при тех же значениях тока якоря.
Для стартерных электродвигателей характерна работа в широком диапазоне температур окружающей среды, поэтому при оценке их эксплуатационных качеств принимаются во внимание рабочие характеристики, полученные при двух нормированных по температуре, степени разряженное™ (заряженности) аккумуляторной батареи и количеству отведённых на пуск двигателя попыток условиях — номинальных и пусковых. Номинальные условия характеризуются полностью заряженной АБ, температурой 25 °С и выходом двигателя на самостоятельный режим работы при первой попытке пуска, а пусковые условия характеризуются состоянием АБ с начальной степенью
Рис. 2.17. Рабочие характеристики стартера 35.3708
разряженности 25 % на третьей попытке пуска и температурой 15 °С. При снятии рабочих характеристик при поминальных условиях зажимы стартерного электродвигателя подключаются непосредственно к клеммам АБ, а при снятии пусковых характеристик учитывается падение напряжения в стартерной цепи.
Энергетические возможности стартерных электродвигателей оцениваются по значениям их номинальных и пусковых мощностей. При этом за номинальную принимается наибольшая полезная мощность, кратковременно развиваемая стартерным электродвигателем при номинальных условиях, а за пусковую мощность — максимальную мощность, развиваемую им при пусковых условиях.
Пусковая мощность Рп стартерных электродвигателей значительно меньше их номинальной мощности Ри . Применительно к электродвигателю стартера 35.3708 (см. рис. 2.17) пусковая мощность меньше номинальной в 1,6 раза. Столь же значительно при изменении условий с номинальных на пусковые уменьшается пусковой момент этого стартера (в 1,7 раза) и частота вращения его вала, соответствующая максимальной мощности (в два раза). Примерно в таком же соотношении находятся электромеханические параметры электродвигателей других стартеров.
Напряжение на зажимах стартерных электродвигателей при определении номинальной мощности рассчитывается по формуле [1]
где 1ан —номинальное значение тока якоря; /?Б|1 —нормированное значение омического сопротивления аккумуляторной батареи при работе электростартера в режиме максимально развиваемой им мощности:
С20 — ёмкость 20-часового разряда аккумуляторной батареи при испытании её на ёмкость; аБ — коэффициент, значения которого зависят от типа аккумуляторной батареи и её ёмкости. Для батарей с С20 100 А ч его значение равно 0,057. Для отечественных аккумуляторных батарей 6СТ-55ЭМ и 6СТ190 ТР рекомендуемые значения этого коэффициента равны соответственно 0,038 и 0,046 [5].
Разряд батарей при испытании па ёмкость 20-часового разряда проводят непрерывно током /20 = 0,05 С2о А до конечного разрядного напряжения на зажимах 5,25 В — у 6-вольтовых и 10,25 В — у 12-вольтовых батарей. Температура электролита при разряде поддерживается на уровне 18—27 °С.
Проектирование стартерных электродвигателей осуществляяется с ориентацией на параметры пускового режима, соответствующие предельно низкой температуре для предполагаемого климатического района эксплуатации автомобиля, которая может отличаться от -15 °С.
Стартерные электродвигатели связаны с двигателями автомобилей исключительно механическими связями, поэтому динамика разгона автомобильных двигателей электростартером и параметры установившегося режима при их совместной работе (без отключения стартера при частоте вращения коленчатого вала, равной /7т1п ) определяются взаимным расположением их механических характеристик. При этом механическая характеристика электродвигателя стартера во всём диапазоне рабочих частот его вращения должна располагаться над механической характеристикой двигателя. Чем больше расстояние между этими характеристиками по оси моментов, тем меньше время пуска двигателя.
Определяющее влияние на характер взаимосвязи между моментом, развиваемым стартерным электродвигателем и частотой его вращения, оказывает способ создания в нём поля возбуждения. Это утверждение легко обосновать, сопоставив пусковые моменты и частоты вращения холостого хода электродвигателей последовательного и параллельного возбуждения, спроектированных на одни и те же исходные данные (одинаковые значения мощности, номинального напряжения, мощности, частоты вращения и др.) и одинаковые значения электромагнитных нагрузок и параметров, характеризующих геометрию полюсной системы. При принятых условиях проектирования размеры пакета якоря, длина воздушного зазора и МДС обмоток возбуждения, обеспечивающих реализацию выбранных значений электромагнитных нагрузок в обоих двигателях, получаются одинаковыми.
МДС последовательной (сериесной) обмотки Асшс = /аи>овс изменяется в функции момента сопротивления на валу электродвигателя Мсср так же, как изменяется в функции него ток в обмотке якоря. Начиная с режима холостого хода вплоть до режима полного торможения, Говс увеличивается прямо пропорционально току. Что же касается развиваемого электродвигателем момента, то характер его изменения в функции тока зависит от степени влияния последнего на состояние магнитной цепи электродвигателя. Электромагнитные нагрузки при проектировании электродвигателей независимо от области их применения выбираются с таким расчётом, чтобы их магнито- провод в расчётном режиме был умеренно насыщен. В связи с этим при относительно небольших нагрузках, преодолеваемых электродвигателем, магнитное состояние его магнитопровода определяется линейной частью кривых намагничивания сталей, из которых он изготовлен. По этой причине магнитный поток в воздушном зазоре электродвигателя Фй изменяется прямо пропорционально МДС сериесной
обмотки, а электромагнитный момент М. прямо пропорциональный произведению этого потока на ток якоря 1а изменяется пропорционально квадрату тока (по параболе).
В выражении (2.9) Р= Еа1а — электромагнитная мощность; Еа — ЭДС якоря:
где Nа — число проводников в обмотке якоря;
В условиях ненасыщенной магнитной цепи электродвигателя последовательного возбуждения значения коэффициента К.ф можно определить из выражения Кф = Ф§//(, после следующих его преобразований
где >говс1, Еов с| — соответственно число витков в одной катушке сериесной обмотки и её МДС; Л5 — магнитная проводимость воздушного зазора:
где а, — расчётный коэффициент полюсного перекрытия; т — полюсное деление; /, — длина пакета якоря; 5 — длина воздушного зазора.
По мере возрастания нагрузки сверх номинальной сталь магнито- провода электродвигателя переходит в сильно насыщенное состояние (прежде всего зубцы якоря). Магнитный поток в воздушном зазоре при возрастании тока поэтому практически не изменяется, и кривая электромагнитного момента в области токов, прилегающей к пусковому режиму, является фактически прямой линией.
Момент на валу электродвигателя М меньше электромагнитного момента Мэ на величину моментов сопротивления, обусловленных силами трения в подшипниках и щёточно-коллекторном узле, и момента, компенсирующего потери мощности на гистерезис и вихревые токи в стали магнитопровода. Затраты мощности на преодоление перечисленных моментов в практике проектирования стартерных электродвигателей учитывается ведением в число расчётных параметров так называемого электромагнитного КПД, равного отношению мощности на валу электродвигателя к электромагнитной его мощности. По усреднённой оценке значения этого коэффициента для стартерных электродвигателей в расчётном режиме лежат в пределах 0,85—0,96. Значения момента на валу электродвигателя поэтому М = (0,85 ч- 0,96) М э.
В электродвигателях параллельного возбуждения МДС обмотки возбуждения ^ов ш зависит от тока якоря не непосредственно, а через изменение напряжения на зажимах электродвигателя (/ст (рис. 2.18):
Яов ш — сопротивление шунтовой обмотки.
При линейном изменении напряжения на клеммах АБ от тока
где /?Б — внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи; Ямр — сопротивление стартерного провода и массы.
Рис. 2.18. Электрическая схема стартерной цени
Таким образом, МДС обмотки возбуждения в электродвигателях параллельного возбуждения при увеличении нагрузки, начиная с режима холостого хода вплоть до режима полного торможения, уменьшается. Вследствие этого магнитный поток в воздушном зазоре этих двигателей в начальный момент пуска заметно меньше магнитного потока в воздушном зазоре электродвигателей последовательного возбуждения. Меньше и пусковой момент двигателей параллельного возбуждения, так как пусковые токи в них при принятом подходе к проектированию незначительно отличаются от пусковых токов в двигателях последовательного возбуждения.
Вторая характерная точка механической характеристики электродвигателя параллельного возбуждения, соответствующая их работе при отсутствии на их валу момента сопротивления ( Мс ср = 0) располагается на оси частот вращения ниже точки пересечения с этой осью механической характеристики двигателя последовательного возбуждения. В идеальном случае (при отсутствии потерь в стали и на трение в опорах)
Магнитный поток в воздушном зазоре двигателя параллельного возбуждения Ф6ош при холостом ходе больше магнитного потока в
воздушном зазоре, спроектированного на те же условия двигателя последовательного возбуждения Ф50с , поэтому/70Ш б (/б) совпадает с точкой максимальной мощности.
Характер изменения основных электромеханических параметров от тока якоря, включая характер изменения от него электромагнитной мощности Рэ и электромагнитного момента Мэ , механических по-
Рис. 2.23. Зависимость паления напряжения под щётками ДС',Ц от плотности тока/щ
терь и потерь в стали и магнитного потока в воздушном зазоре Ф5 можно оценить, проанализировав ход кривых, приведённых на рис. 2.20. При ознакомлении с указанными кривыми следует иметь в виду, что построены они при условии постоянства падения напряжения под щётками Д(/щ во всём диапазоне изменения тока якоря. В реальных условиях Д(/щ при изменении режима работы электродвигателя изменяется (рис. 2.23), что, естественно, оказывает влияние на рабочие характеристики. Особенно заметно оно проявляется в области токов, соответствующих восходящей ветви кривой Р(/а).
1. Выше, на Рис. 4.2, были показаны конструкции двух типов якорей.
На Рис. 4.25 показаны конструкции обмоток возбуждения. На рисунке (А) показаны обмотки обычной конструкции, соединенные между собой параллельно.
На рисунке (В) показана непрерывная обмотка, которая охватывает весь статор и не имеет внутренних соединений. Один конец такой обмотки заземлен на корпус стартера, а ко второму концу прикреплены две щетки, имеющие контакт с коллектором (в данном случае – с торцевым).
Рис. 4.25 Обмотки возбуждения
2. Щетки стартера расположены на кронштейне – щеткодержателе со стороны коллектора. На Рис. 4.26 изображены щеткодержатели для коллекторов барабанного и торцевого типов.
А) 4-щеточный кронштейн для барабанного коллектора. Две щетки соединены с обмоткой возбуждения, две другие – заземлены.
В) Щеткодержатель для торцевого коллектора. Щетки имеют бакелитовое покрытие.
Рис. 4.26 Кронштейны – щеткодержатели
3. На Рис. 4.27 показано внутреннее соединение обмоток возбуждения последовательное и последовательно – параллельное.
А) Последовательное соединение обмоток возбуждения
В) Последовательно – параллельное соединение обмоток возбуждения
Рис. 4.27 Внутренние соединения стартерного электродвигателя
Заметим, что речь идет только о соединении обмоток возбуждения между собой – в обоих случаях якорь соединен с обмотками возбуждения последовательно, т.е. стартер в любом случае остается двигателем с последовательным возбуждением.
4. Устройство современного стартерного электродвигателя с непрерывной обмоткой возбуждения и торцевым коллектором показано на Рис. 4.28.
Рис. 4.28 Стартер с 4 непрерывными обмотками возбуждения и торцевым коллектором
По способу создания магнитного потока различают электродвигатели с постоянными магнитами и электромагнитами.
Электродвигатели с постоянными магнитами в силу относительно слабого магнитного потока изготовляют только небольшой мощности. Их используют в системах управления в качестве серводвигателей.
Для привода рабочих машин применяются двигатели с электромагнитами, которые по способу включения обмоток, называемых обмотками возбуждения, подразделяются на двигатели с независимым (рис. 2.1, а), параллельным (рис. 2.1, б), последовательным (рис. 2.1, в) и смешанным (рис. 2.1, г) возбуждением.
Различие между двигателями с независимым и параллельным возбуждением заключается в том, что у первого обмотка возбуждения LM1 и якорь М питаются от различных источников постоянного тока, а у второго LM2 и М — от одного. Напряжение возбуждения у двигателей с независимым возбуждением может быть равным напряжению приложенному к якорю, и отличным от него. У крупных двигателей в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю.
У двигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения LM3 включена последовательно с якорем М. Напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю.
Двигатели с параллельным и последовательным возбуждением можно рассматривать как частный случай двигателя со смешанным возбуждением, имеющего 2 обмотки возбуждения LM2 и LM3. В цепь якоря включают пусковой реостат R1, а в цепь возбуждения регулирующий—R2.
Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость частоты вращения от вращающего момента на его валу при неизменной схеме включения и постоянных параметрах питающей сети и элементов цепей якоря и возбуждения.
Характеристика называется естественной, если напряжение сети равно нормальному, а сопротивления реостатов R1 и R2 равны нулю (R1 = 0; R2 = 0), в противном случае характеристика называется искусственной.
Аналитическое выражение механической характеристики двигателя может быть получено из соотношений, приведенных в курсе общей электротехники:
и, подставив его в формулу для частоты вращения якоря, получим уравнение механической характеристики двигателя:
При вращающем моменте М = 0
т. е. получим частоту вращения идеального холостого хода nx.
У двигателей с независимым и параллельным возбуждением последовательная обмотка отсутствует (см. рис. 2.1, а и б),
поэтому магнитный поток, если пренебречь реакцией якоря не зависит от тока якоря и при изменении вращающего момента двигателя остается постоянным: Ф = const. Следовательно, для этих двигателей уравнение механической характеристики может быть записано так:
где b — угловой коэффициент характеристики;
Значение углового коэффициента b можно получить другим путем.
При вращающем моменте заторможенного двигателя М = Мп (М п — пусковой момент двигателя) частота вращения n = 0. Тогда 0 = nx — bМп и угловой коэффициент b = nx/Мп.
В этом случае механическая характеристика будет
Как видно из формул (2.1) и (2.2), механическая характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом b (рис. 2.2, кривая 1), где b = tgβ.
У двигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому его магнитный поток является функцией тока якоря и механическая характеристика имеет вид гиперболы (кривая 2). При идеальном холостом ходе частота вращения неограниченно увеличивается. У реальных двигателей при номинальном режиме магнитная система близка к насыщению. Это вносит определенные искажения в форму механической характеристики, которая при перегрузках двигателя приближается к прямой линии,поскольку при насыщении магнитный поток становится практически постоянным и не зависит от момента.
Механическая характеристика двигателя со смешанным возбуждением (кривая 3) занимает промежуточное положение между механическими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. У него, как и у двигателей с параллельным и независимым возбуждением, частота вращения идеального холостого хода имеет определенное значение
где Ф1 — магнитный поток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения.
Его механическая характеристика криволинейна вследствие изменения магнитного потока, вызванного влиянием последовательной обмотки возбуждения.
Анализируя механические характеристики электродвигателей постоянного тока с различными способами включения обмоток возбуждения, можно прийти к выводу, что с изменением вращающего момента на валу электродвигателя его частота вращения изменяется незначительно у двигателя с параллельным возбуждением и в большей степени у двигателя с последовательным возбуждением.
Мощность, развиваемая электродвигателем,
где w — угловая скорость двигателя.
Следовательно, мощность, потребляемая из сети, у двигателя с последовательным возбуждением изменяется меньше.
Поэтому механическую характеристику двигателя с параллельным возбуждением называют жесткой, а характеристику двигателя с последовательным возбуждением — мягкой.
Характеристика двигателя со смешанным возбуждением обладает меньшей жесткостью, чем характеристика двигателя с параллельным возбуждением, но большей, чем характеристика двигателя с последовательным возбуждением.
В стартерах применяются электродвигатели постоянного тока. Основные характеристики электродвигателей постоянного тока, которые подразделяются на двигатели последовательного, параллельного, смешанного и независимого возбуждения.
где U - напряжение, подводимое к электродвигателю от источника питания; E – противо-ЭДС якоря; Iя - ток якоря; Rя - активное сопротивление цепи якоря; Се, См - конструктивные постоянные; Ф - магнитный поток; п - частота вращения якоря; М - момент электродвигателя. Постоянные:
где р - число пар полюсов; N - число проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.
Из выражений (2.3). (2.5) можно получить формулы для определения частоты вращения якоря:
В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к источнику напряжения U (рис. 2.7,а). Особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя (нагрузки на валу). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток Ф не зависит от нагрузки. С учетом этого выражения (2.5). (2.7) примут вид:
Δn - падение частоты вращения.
Электромеханические характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением, построенные по формулам (2.8) и (2.9), изображены на рис. 2.7,б, а механическая характеристика (2.10) - на рис. 2.7,в. Таким образом, обе они имеют линейный характер. Показатель n0 = U/CeФ называется частотой вращения идеального холостого хода. Он имеет конечное значение при М = 0 (Iя = 0) и уменьшается с ростом потока Ф. Падение частоты вращения Дл при увеличении нагрузки на двигатель (Iя) определяется сопротивлением Rя якорной цепи.
В случае если обмотка якоря электродвигателя и обмотка возбуждения подключены к различным источникам питания, его называют двигателем с независимым возбуждением. Механические и электромеханические характеристики такого двигателя аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у него ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iя.
В электродвигателях с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря и поэтому Iя = Iв (рис. 2.8,а).
Следовательно, магнитный поток двигателя Ф является некоторой функцией тока якоря Iя. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря Iя Iном) можно считать Ф = const.
В этом случае скоростная и моментная характеристики становятся линейными аналогично характеристикам двигателя с независимым возбуждением.
Механическая характеристика п = f(M) (см. рис. 2.8,в) может быть построена на основании уравнений (2.12) и (2.13). При токе якоря, меньшем (0,8. 0,9)Iном, частота вращения изменяется по закону
При токе якоря, большем Iном зависимость п = f(M) становится линейной вида (2.10).
где С4, - постоянная.
возбуждением частота вращения п обратно пропорциональна (2.14), вследствие чего
где С'4 - постоянная.
Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах, что характерно для пуска ДВС, мощность Рc, а следовательно, электрическая мощность и ток Iя у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегрузки по моменту Км = М/Мном ток Iя в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в Км раз, а в двигателе с последовательным возбуждением - только в раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока Кi = In /Iном пусковой момент его, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением
В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения (рис. 2.9,а): параллельной (ОВ1) и последовательной (ОВ2). Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.9,в, кривые 3, 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущей силы (МДС) F = wIв (w - число витков обмотки) параллельной (w1Iв1) и последовательной (w2Iв2) обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристику двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при w1Iв1 > w2Iв2) или к характеристике 2 (w1Iв1
Читайте также: