Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 18 )

Рис. 22.1. Скоростная (механи­ческая) характеристика дви­гателя независимого возбуж­дения

Если, как показано в подразд. 19.4, поток якоря вызывает умень­шение потока возбуждения (Ф = Ф0-ΔФ), то выражение для часто­ты вращения будет иметь вид

n=(c1U - Iа ∑ Rа)/(Ф0-ΔФ), (22.6)

где Ф0 — магнитный поток, соот­ветствующий номинальному току возбуждения Iв ном при холостом ходе двигателя; ΔФ — уменьшение маг­нитного потока из-за размагничива­ющего действия реакции якоря.

Как следует из формулы (22.6), при возрастании тока якоря в резуль­тате падения напряжения Iа ∑ Rа ча­стота вращения п снижается, а при уменьшении потока Ф — увеличи­вается. Это показано на рис. 22.1 штриховой линией.

Если относительное значение суммарного сопротивления цепи якоря ∑Rа*больше относительного значения уменьшения потока ΔФ*, то частота вращения с ростом тока якоря будет уменьшаться. Если же ∑Rа*< ΔФ*, то частота вращения с ростом тока якоря будет увеличиваться и такая характеристика будет неустойчивой (см. подразд. 22.4).

Размагничивающее действие реакции якоря обычно начинает­ся при токах якоря, превышающих% номинального зна­чения, т. е. скоростная характеристика может иметь возрастающий характер (см. штриховую линию на рис. 22.1), начиная с этих зна­чений токов.

2. Моментная характеристика М=f(Iа). Аналитически эта ха­рактеристика описывается формулой (19.6)

М= cФIа.

Как следует из этого уравнения, если магнитная цепь двигате­ля ненасыщена и магнитный поток Ф = const, то зависимость М(Iа) линейная и с ростом тока якоря электромагнитный момент про­порционально увеличивается. Моментная характеристика в этом случае соответствует изображенной на рис. 22.2 прямой сплошной линии, выходящей из начала координат.

Рис. 22.2. Моментная харак­теристика двигателя незави­симого (параллельного) воз­буждения

Действительная моментная характеристика вследствие умень­шения магнитного потока из-за размагничивающего действия ре­акции якоря (Ф = Ф0 - ΔФ) будет отклоняться от прямой линии (штриховая линия на рис. 22.2).

3. Механическая характеристика n=f(М). Аналитическое выражение механической характеристики можно получить из уравнения (22.6), если выразить в нем ток якоря Iа через электромагнитный момент в соответствии с формулой (19.6):

Ia = M/[с(Ф0-ΔФ)]. (22.7)

Тогда

n = c1U/[с(Ф0 - ΔФ)] - c1M ∑ Rа/[с(Ф0 - ΔФ)] . (22.8)

Из уравнения (22.8) следует, что механическая характеристика двига­теля имеет такой же вид, как и ско­ростная, т. е. изображенная на рис. 22.1 скоростная характеристика в другом масштабе будет являться механичес­кой характеристикой.

Работа двигателя при Iа = 0 и М = 0 называется идеальным холостым хо­дом. Согласно уравнению (22.6), час­тота вращения при идеальном холос­том ходе

n0и= c1U/Ф0. (22.9)

В двигателях независимого возбуж­дения изменение частоты вращения при переходе от холостого хода (М=М0) к номинальной нагрузке (М=Мном) составляет лишь 2…5 %. Такие слабопадающие механические и скоростные характеристи­ки называются жесткими.

Двигатели последовательного и смешанного возбуждения. Осо­бенностью двигателя последовательного возбуждения является то, что его ток возбуждения равен току якоря (Iв = Ia), и поэтому для вывода выражений, определяющих вид его характеристик, пред­варительно необходимо определить связь между магнитным пото­ком Ф и током якоря Iа = Iв. Зависимость Ф =f(Iа) называется маг­нитной характеристикой. Идеальная магнитная характеристика (без учета размагничивающего действия реакции якоря) показана на рис. 22.3 сплошной линией, а реаль­ная (с учетом реакции якоря) — штри­ховой.

Рис. 22.3. Магнитная характе­ристика двигателя последова­тельного возбуждения

Все характеристики двигателя по­следовательного возбуждения получа­ют при постоянном напряжении пи­тания (обычно при U= Uном).

1. Скоростная характеристика п = f(Ia). Подставив в уравнение (22.5) выражение для потока в зависимости от тока якоря в соответствии с маг­нитной характеристикой, получим формулу скоростной характеристики двигателя. Для упрощения анализа пренебрежем насыщением магнитной цепи и будем считать магнитную ха­рактеристику линейной:

Ф= сФ Ia (22.10)

Тогда, подставив выражение (22.10) в уравнение (22.5), полу­чим

n = c1(U - Iа ∑ Rа)/( сФ Ia)= c1U /( сФ Ia) - c1 ∑ Rа)/сФ. (22.11)

Из уравнения (22.11) следует, что скоростная характеристика имеет гиперболический вид; на рис. 22.4 она изображена сплош­ной линией. Особенностью скоростной характеристики двигателя последовательного возбуждения является ее большая крутизна в области малых значений тока якоря. Из уравнения (22.11) следу­ет также, что ось ординат (ось n) является для этой характеристи­ки асимптотой.

Рис. 22.4. Скоростная характе­ристика двигателя последова­тельного возбуждения

Реальная скоростная характеристика с учетом размагничиваю­щего действия реакции якоря будет отклоняться от гиперболи­ческой кривой вверх, как показано штриховой линией на рис. 22.4.

2. Моментная характеристика М=f(Iа). Подставив в уравнение (19.6) выражение (22.10), получим формулу для электромагнит­ного момента двигателя с последовательным возбуждением:

М= ссфIа2. (22.12)

Из выражения (22.12) следует, что электромагнитный момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квад­рату тока якоря, т. е. моментная характеристика имеет параболи­ческий вид; на рис. 22.5 она изображена сплошной линией. С учетом размагничивающего действия реакции якоря момент в области боль­ших токов будет меньше момента, получаемого по выражению (22.12) (штриховая линия на рис. 22.5).

Рис. 22.5. Моментная характе­ристика двигателя последова­тельного возбуждения

3. Механическая характеристика n=f(Iа). Из выражения (22.12) ток якоря

(22.13)

Тогда, подставив (22.13) в (22.11), получим аналитическое вы­ражение для механической характеристики:

(22.14)

Из выражения (22.14) следует, что механическая характерис­тика двигателя последовательного возбуждения при U=const так же, как и его скоростная характеристика, имеет практически ги­перболический вид (рис. 22.6). Особенностью механической харак­теристики двигателя последовательного возбуждения является ее большая крутизна в области малых значений тока якоря. Из урав­нения (22.14) следует также, что ось ординат (ось п) является асимптотой для этой характеристики.

Рис. 22.6. Механическая харак­теристика двигателя последо­вательного возбуждения

При М→0 частота вращения двигателя стремится к бесконеч­ности. В этом случае говорят, что двигатель идет вразнос. Чрезмер­ное повышение частоты вращения опасно для механической проч­ности якоря, так как из-за больших значений центробежных сил, возникающих в этом случае, может нарушиться целость банда­жей, удерживающих обмотку якоря, и произойти разрушение коллектора. Следовательно, нельзя допускать работу двигателя последовательного возбуждения при холостом ходе и малых на­грузках, т. е. нагрузка не должна быть меньше 25...30% номиналь­ной. Лишь для двигателей малой мощности (десятки ватт) допус­тима работа при холостом ходе, так как их собственный момент потерь М0 достаточно велик.

Вследствие сильной зависимости частоты вращения от нагруз­ки механические и скоростные характеристики двигателей после­довательного возбуждения называют мягкими.

Характеристики двигателей сме­шанного возбуждения занимают про­межуточное положение между соот­ветствующими характеристиками двигателей параллельного и последо­вательного возбуждения. При слабой последовательной обмотке они будут приближаться к характеристикам дви­гателя параллельного возбуждения, а при сильной — к характеристикам двигателя последовательного возбуж­дения.

Сравнение характеристик двигате­лей. Двигатели параллельного (неза­висимого) возбуждения имеют жест­кую механическую характеристику и поэтому применяются в установках, где необходимо поддерживать постоянную частоту вращения при изменении момента нагрузки, на­пример, в станках, прокатных станах, вентиляторах и т. д. Они также широко применяются при необходимости регулирования частоты вращения в широком диапазоне. В этом случае подводи­мое к якорю двигателя напряжение изменяется в широких пре­делах, в то время как напряжение возбуждения остается неиз­менным.

В двигателях последовательного возбуждения электромагнитный момент имеет квадратичную зависимость от тока якоря, поэтому их применение предпочтительно, когда требуются большие пус­ковые моменты и наблюдаются частые перегрузки по моменту. Связано это с тем, что при одних и тех же колебаниях момента сопротивления ток и потребляемая мощность у двигателей после­довательного возбуждения изменяются существенно меньше, чем у двигателей параллельного возбуждения. Двигатели последова­тельного возбуждения находят широкое применение на электриче­ском транспорте и в подъемных устройствах.