Основні поняття і рівняння

Частина 7. Двигуни постійного стуму

Властивості двигунів. Як видно з п В.4, будь-яка електрична машина енергетично зворотна, тобто може як в режимі генератора, так і в режимі двигуна, рівняннями рівноваги напруг і моментів якого є вирази (В.14) і (В.15). Всі властивості двигуна можуть бути вивчені за допомогою трьох основних величин, пов'язаних такими виразами:

а) підведена напруга (зрівноважується проти-ЕРС в якорі і внутрішнім падінням напруги)

(7.1)

де - сума опорів якоря, додаткових полюсів » компенсаційної обмотки;

б) проти-ЕРС Е, що виникає в якорі, (в подальшому будемо називати її просто ЕРС; за законом Ленца вона напрямлена проти струму якоря)

(7.2)

в) електромагнітний обертальний момент

(7.3)

Індекс "ем" при літері М тут і дальше для простоти усунений. Звідси видно, що зміна напряму обертального моменту (реверсування двигуна) можна шляхом зміни напряму струму магнітного потоку. Практично це виконують перемиканням виводів обмотки якоря або полюсів. Але не одночасно!

(7.4)

Різниця у значеннях і невелика; звичайно , причому більша величина відноситься до машини більшої потужності.

Підставивши (7.2) у рівняння (7.1), розв'яжемо його відносно частоти обертання; тоді

(7.5)

Робота і властивості двигунів, які визначаються цими виразами, залежать від способу його збудження. Так, машини незалежного і паралельного збуджень, які підключені до мережі з постійною напругою , можуть переходити з генераторного режиму в режим двигуна і навпаки.

Дійсно, як випливає з виразу (7.4), якщо (збільшена частота обертання п), то струм змінить свій напрям (знак), тобто машина, перейде в режим генератора При цьому електромагнітний момент, згідно (7.3) протилежний напряму обертання, тобто стане гальмівним. Таким чином, змінюючи значення Е (більше чи менше ), машину незалежного чи паралельного збудження можна переводити відповідно в режим двигуна, або генератора.

Про машину послідовного збудження буде сказано далі.

Рівновага моментів і потужностей. Взаємо-зворотне перетворення електричної і механічної енергії, згідно закону збереження енергій, не може здійснюватися без втрат останньої. Втрати енергії, виділяються машині у вигляді теплоти і являють собою різницю, між підведеною до двигуна електричною і механічною енергією, що віддається ним їх співвідношення визначає коефіцієнт корисної дії (ККД).

При встановленому режимі роботи на ваш двигуна діють такі елементи: 1) обертальний електромагнітний момент М; 2) момент холостого ходу ; 3) корисний момент .

Момент М₀ існує при будь-якому режимі роботи і визначається тертям в підшипниках, щіток до колектора, частий, що обертаються в повітрі, а також втратами в сталі. В порівнянні з номінальним корисним моментом величина , дуже мала.

Сума моментів холостого ходу і корисного має назву статичного моменту . Значить, при встановленому режимі роботи обертальний момент двигуна і статичний момент опору на його валі знаходяться у взаємній рівновазі:

(7.6)

Якщо до двигуна підведена повна потужність то створюються втрати в якірному колі (втратами в паралельній обмотці збудження, через їх незначну величину, нехтуємо); тоді з урахуванням виразу (7.1)

(7.7)

але [див. вираз (В.18)].

Відомо,що потужність - це добуток моменту на кутову швидкість . Тому,помноживши всі члени рівняння (7.6) на Ω отримаємо

або

Звідси корисна механічна потужність на валу двигуна

(7.8)

тобто корисна механічна потужність менша електромагнітної (потужності, якоря) на величину , необхідну для перекриття втрат на тертя і в сталі.

Позначивши потужність втрат в якірному колі і прийнявши до уваги рівняння (7.7) і (7.8), запишемо новий баланс потужностей

(7.9)

тобто корисна потужність двигуна дорівнює підведеній за виключенням потужності електричних втрат на тертя і в сталі.

Вираз (7.7) може бути записаний у такому вигляді:

звідки

(7.10)

або

(7.10а)

Аналіз виразів (7.10) і (7.10а) дозволяє зробити дуже важливі висновки, а. саме: зі збільшенням навантаження на вал двигуна, тобто зі збільшенням електромагнітного моменту зростає потужність в колі якоря , тобто підведена потужність . Але так як напруга ,то збільшення навантаження двигуна супроводжується зростанням струму І_я.Це зростання струму, тобто збільшення підведеної електричної енергії, здійснюється автоматично,без будь-якого впливу ззовні. Електричний двигун сам "регулює" споживання з мережі такого струму, щоб зберігалася рівність (7.10) і (7.10а). Цим він принципово відрізняється від інших двигунів (парових або внутрішнього згоряння).

Основні характеристики.Властивості двигунів визначаються їх характеристиками котрі показують взаємозалежність між різними величинами, у виразах (7.1) - (7.5). Таких робочих характеристик декілька і всі вони мають одну загальну особливість, вони знімаються при незмінній, як правило, номінальній напрузі на виводах двигуна, тобто підведена напруга , струм збудження при цьому також є незмінним: і номінальним, тобто .

Згідно ГОСТ 2582-81, основними робочими характеристиками електричних двигунів є:

а) залежність частоти обертання від струму якоря - швидкісна характеристика;

б) залежність обертального моментувід струму якоря – момент на характеристика;

в) залежність між обертальним моментом і частотою обертання - механічна характеристика;

г) залежність ККД на валу двигуна від струму якоря.

Вигляд і особливості останньої характеристики однакові для всіх електричних машин і трансформаторів, тому її аналіз поданий в п. 13.2.

Інші характеристики мають похідне значення,не є настільки визначальними і можуть бути отримані з названих чотирьох.

На практиці дуже важливо вміти обертальний момент двигуна . Якщо потужність виражена у ватах, а кутова швидкість в рад/с (або частота обертання в об/с), то момент виразиться в ньютон-метрах (Н-м):

(7.11)

Частоту обертання виражають в об/хв,тоді

(7.11а)