Машины постоянного тока параллельного возбуждения

    Якорная обмотка состоит из большого числа  секций, представляющих собой один или несколько последовательно  соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

    Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его  повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались  многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами  разной  полярности,  в  любом случае  наводится  переменная э.д.с., для  выпрямления  которой  необходимо особое устройство.

Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках   генератора постоянного тока:

    а — при двух витках  на полюс; б — при большом количестве витков 

    Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

    Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Принцип действия двигателя  постоянного тока с параллельным возбуждением.

Естественные  скоростная и механическая характеристики.

    Рассмотрим  более подробно характеристики двигателя  параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

    Скоростная  и механическая характеристики двигателя  определяются равенствами (6) и (7) при  U = const и i_B = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

         (6) 
 

       (7) 

    Если  щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_a поток Ф_δ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряжения R_aI_a вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8; 1 — при преобладании влияния R_aI_a; 2 — при взаимной компенсации влияния R_aI_a и уменьшения; 3 — при преобладании влияния уменьшения Ф_δ.

    Ввиду того что изменение Ф_δ относительно мало, механические характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (7), при U= const и i_B== const совпадают по виду с характеристиками n= f(I_a) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

    Характеристики  вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели  параллельного возбуждения изготовляются  со слегка падающими характеристиками вида 1 (рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δ под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения.

     Изменение скорости вращения Δ_n (рис. 8) при переходе от холостого хода (I_a =I_a0) к номинальной нагрузке (I_a=I_aн) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% от n_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.). 
 

Рис. 8. Виды естественных скоростных и  механических характеристик двигателя параллельного возбуждения 
 

Регулирование скорости посредствам  ослабленного магнитного потока   производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_{p в} (см. рис. 11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_pa= 0) и U = const характеристики n =f(I_a) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных значений R_р.в. ,I_B или Ф_δ имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(I_a) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_a, который равен

    Однако  механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.

    Нижняя  характеристика на рис. 9 соответствует  номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой М_ст=f(п) для рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).

    Точка холостого хода двигателя (М = М₀, I_a = I_a0) лежит несколько правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь М₀ и I₀₀ также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то Е_а=c_eФ_δт будет увеличиваться, а I_а и М будут, согласно равенствам

       и    
 

уменьшаться. При I_а = 0 и М. =0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели  с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения 

    Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_pa (рис. 10, а), то вместо выражений (6) -и (7) получим

        (8) 
 

       (9)

Сопротивление R_pa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рис. 10. Схема регулирования  скорости вращения двигателя  параллельного возбуждения  с помощью сопротивления  в цепи якоря (а) и  соответствующие  механические и скоростные характеристики (б) 

    Характеристики n=f(M) и n=f(I_a) для различных значений R_pa = const при U = const и i_B = const изображены на рис. 10, б (R_pa1 < R_pa2< R_pa3)- Верхняя характеристика (R_pa = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с

       и  

    Продолжения этих характеристик под осью абсцисс  на рис. 10 соответствуют торможению двигателя противовключением. В  этом случае n< 0, э.д.с. Е_а имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего

а момент двигателя  М действует против  направления  вращения и является поэтому тормозящим.

    Если  в режиме холостого хода (I_a = I_a0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим I_a=0, а затем I_a изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси ординат).

    Как видно из рис. 10, б, при включении R_pa характеристики становятся менее жесткими, а при больших величинах R_pa — круто падающими, или мягкими.

Если  кривая момента сопротивления M_ст=f(n) имеет вид, изображенный на рис. 10, б штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения R_ра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше R_pa, тем меньше n и ниже к. п. д. 
 
 
 
 
 
 
 

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности Р₁ потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п. д. η] от полезной мощности Р₂, при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис. 11.

Одновременно  с увеличением мощности на валу Р₂ растет и момент на валу М. Поскольку с увеличением Р₂ и М скорость n несколько уменьшается, то М = Р₂/п растет несколько быстрее Р₂. Увеличение Р₂ и М, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность Р₁. При холостом ходе (Р₂ = 0) к. п. д. η= 0, затем с увеличением Р₂ сначала η| быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.