Порушення двигуна постійного струму

Наявність обмотки збудження (ВВ) у двигуна постійного струму дозволяє здійснювати різні схеми підключення. Залежно від того, як включена ОВ, розрізняють двигуни з незалежним збудженням, із самозбудженням, яке ділиться на послідовне, паралельне та змішане.

Двигун із незалежним збудженням

У ДПТ із незалежним збудженням обмотку збудження підключають до окремого джерела живлення (рис. 1). Це може бути пов'язано з різними напругами збудження Uв та напруги ланцюга якоря U. При даній схемі підключення ОВ не має електричного зв'язку з обмоткою якоря. Для зменшення втрат в ВВ і створення необхідної МДС необхідно зменшити струм збудження, збільшивши число витків. Обмотку збудження виконують з малого числа витків, так щоб струм Iв становив 2 ... 5% Iя. Вибір даної схеми збудження двигуна залежить від властивостей електропривода.

ДПТ із паралельним збудженням

По суті, схема підключення ЗВ з паралельним збудженням (рис.2) аналогічна схемою з незалежним збудженням. Властивості двигуна при підключенні за обома схемами однакові. Плюсом цього виду підключення є те, що відпадає потреба в окремому джерелі живлення.

ДПТ із послідовним збудженням

При підключенні за цією схемою ОВ з'єднана послідовно ланцюга якоря (рис.3), при цьому струм якоря дорівнює струму збудження. У зв'язку з цим ВВ виготовляють із дроту товстого перерізу. Цю схему використовують, якщо необхідно забезпечити великий пусковий момент.При зменшенні навантаження на валу менше 25% від номінальної частота обертання різко збільшується і досягає небезпечних для двигуна значень. Характеристика ДПТ із послідовним збудженням “м'яка”.

ДПТ із змішаним збудженням

ДПТ із змішаним збудженням (рис.4) має дві ОВ, одна з яких з'єднана послідовна, а інша паралельно якірного ланцюга. При згідному з'єднанні обмоток зі збільшенням навантаження на валу росте магнітний потік, що призводить до зменшення частоти обертання. При зустрічному з'єднанні сумарний магнітний потік зі збільшенням навантаження зменшується, що призводить до різкого збільшення частоти обертання. Це призводить двигун до нестабільного режиму роботи, тому послідовну обмотку виконують з малої кількості витків, щоб зі збільшенням навантаження магнітний потік знижувався незначно, тим самим стабілізуючи роботу двигуна.

Обмотка збудження: опис, принцип роботи, застосування

Обмотка збудження – найважливіший елемент електричних машин. Без неї неможлива їхня робота. У цій статті ми докладно розберемо, що таке обмотка збудження, її будову та принцип дії. Дізнаємося, які бувають види обмоток збудження та де вони застосовуються. Розглянемо деталі конструкції та особливості монтажу. Ви отримаєте повне уявлення про цей важливий вузл електроустаткування.

1. Загальний опис обмотки збудження

Обмотка збудження - це спеціальна котушка із провідника, розташована на роторі або статорі електричної машини. При протіканні по обмотці збудження електричного струму створюється магнітне поле, необхідне роботи машини.

Основне призначення обмотки збудження - створення постійного магнітного поля електричної машині змінного струму.Це магнітне поле взаємодіє із полем, створюваним обмотками статора чи ротора. В результаті відбувається перетворення електричної енергії на механічну і навпаки.

Принцип роботи обмотки збудження ґрунтується на явищі електромагнітної індукції - при протіканні електричного струму через провідник виникає магнітне поле. Напрямок магнітного поля залежить від напрямку струму в обмотці.

Конструктивно обмотка збудження виконується у вигляді котушки з мідного чи алюмінієвого дроту з ізоляцією. Обмотка розміщується в пазах магнітопроводу та закріплюється за допомогою клинів або бандажних кілець.

Для виготовлення обмотки збудження використовуються мідний або алюмінієвий провід із подвійною ізоляцією. Матеріал провідника впливає на довговічність обмотки та її електричні характеристики.

Монтаж обмотки збудження здійснюється вручну або на спеціальних намотувальних верстатах. Після встановлення в пази обмотка просочується ізоляційним лаком для електричного та механічного захисту.

До переваг обмоток збудження можна віднести простоту конструкції, надійність, здатність роботи в широкому діапазоні потужностей. До недоліків відносяться наявність контактних кілець та щіток, обмежений термін служби.

2. Види обмоток збудження

Обмотки збудження класифікуються за кількома ознаками:

• За розташуванням: Роторні - розташовані на роторі, що обертається; Статорні – розташовані на нерухомому статорі.
• За типом струму: Постійного струму; Змінного струму.
• За способом з'єднання: Послідовні; Паралельні.

Також розрізняють одношарові та багатошарові обмотки збудження. Існують обмотки спеціальних конструкцій, наприклад з компенсаційними контурами.

Роторні обмотки збудження застосовуються в синхронних машинах, статорні - в асинхронних машинах та машинах постійного струму.

Послідовне з'єднання обмоток забезпечує жорстку механічну характеристику, паралельне - м'яку. Багатошарові обмотки дозволяють збільшити магнітний потік при обмежених габаритах.

3. Обмотки збудження у синхронних машинах

Синхронні машини - це електричні машини змінного струму, у яких частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора.

Обмотка збудження синхронної машини розташовується на роторі та створює постійне магнітне поле. Воно взаємодіє зі змінним магнітним полем на статорі, створюючи крутний момент.

У синхронних генераторах застосовуються обмотки збудження постійного та змінного струму.

У синхронних двигунах використовуються лише обмотки постійного струму, які живляться від зовнішнього джерела або випрямленого струму обмотки статора.

Основні параметри обмотки збудження синхронної машини: число витків, перетин дроту, активний опір. Вони розраховуються виходячи з необхідної величини магнітного потоку

Регулювання напруги обмотки збудження дозволяє змінювати режим роботи синхронної машини як генератора або двигуна.

4. Обмотки збудження машин постійного струму

У машинах постійного струму обмотка збудження розташовується на полюсах статора і створює постійне магнітне поле.

У генераторах постійного струму застосовується незалежне, паралельне чи послідовне збудження. Це дозволяє регулювати вихідну напругу.

У двигунах постійного струму обмотки збудження можуть включатися послідовно або паралельно якорю, а також незалежно. Це дозволяє регулювати частоту обертання двигуна.

Основними параметрами обмотки збудження машин постійного струму є число витків, сила, що намагнічує, і магнітний потік. Їхній розрахунок дозволяє визначити оптимальні характеристики.

5. Обмотки збудження асинхронних двигунів

В асинхронних двигунах обмотка збудження використовується для запуску двигуна та регулювання частоти обертання ротора.

Обмотка збудження в асинхронному двигуні виконується на роторі та підключається через контактні кільця. При пуску через обмотку пропускається постійний струм, що створює магнітне поле, яке втягує ротор в обертання.

Зміна величини струму збудження дозволяє регулювати частоту обертання асинхронного двигуна широкому діапазоні. Це досягається за рахунок зміни взаємодії полів ротора та статора.

Основні параметри обмотки збудження асинхронного двигуна - число витків, сила, що намагнічує, активний опір. Вони розраховуються залежно від потрібних пускових характеристик.

Асинхронні двигуни з обмоткою збудження вимагають більш ретельного обслуговування контактних кілець та щіткового апарату порівняно з асинхронними короткозамкнутими двигунами.

6. Діагностика обмоток збудження

Діагностика обмоток збудження необхідна для своєчасного виявлення дефектів та запобігання виходу електричної машини з ладу.

Основні методи діагностики:

• Вимірювання опору обмотки;
• Перевірка на урвище;
• Виявлення міжвиткових замикань;
• Контроль нагрівання під час роботи.

При виявленні дефектів, таких як урвища або значне збільшення опору, потрібна заміна або ремонт обмотки збудження.

Для збільшення терміну служби рекомендується регулярне очищення обмотки від пилу та бруду, перевірка кріплення в пазах магнітопроводу.

7. Застосування електромашин з обмоткою збудження

Електричні машини з обмоткою збудження широко застосовуються в різних сферах:

• Генератори на електростанціях;
• Тягові електродвигуни на транспорті;
• Приводи верстатів, механізмів, конвеєрів;
• Насоси, компресори, вентилятори;
• Вітроенергетичні установки.

Обмотка збудження дозволяє отримати широкий діапазон регулювання частоти обертання моменту та інших характеристик електричної машини.

Вибір типу обмотки збудження здійснюється відповідно до умов експлуатації та вимог до регулювальних властивостей приводу.

Схеми електродвигунів постійного струму та їх характеристики

Властивості електродвигунів постійного струму визначаються переважно способом включення обмотки збудження. Залежно від цього розрізняють електродвигуни:

1. з незалежним збудженням: обмотка збудження живиться від стороннього джерела постійного струму (збудника або випрямляча),

2. з паралельним збудженням: обмотка збудження підключена паралельно до обмотки якоря,

3. з послідовним збудженням: обмотка збудження включена послідовно з обмоткою якоря,

4. зі змішаним збудженням: він має дві обмотки збудження, одна підключена паралельно до обмотки якоря, а інша - послідовно з нею.

Всі ці електродвигуни мають однаковий пристрій та відрізняються лише виконанням обмотки збудження. Обмотки збудження зазначених електродвигунів виконують так само, як у відповідних генераторів.

Електродвигун постійного струму із незалежним збудженням

У цьому електродвигуні (рис. 1 а) обмотка якоря підключена до основного джерела постійного струму (мережі постійного струму, генератору або випрямляча) з напругою U, а обмотка збудження - до допоміжного джерела напругою UB. У ланцюг обмотки збудження включений регулювальний реостат Rрв, а ланцюг обмотки якоря - пусковий реостат Rn.

Регулювальний реостат служить регулювання частоти обертання якоря двигуна, а пусковий — обмеження струму в обмотці якоря під час пуску. Характерною особливістю електродвигуна є те, що його струм збудження Iв не залежить від струму Iя в обмотці якоря (струму навантаження). Тому, нехтуючи дією, що розмагнічує реакції якоря, можна наближено вважати, що і потік двигуна Ф не залежить від навантаження. Залежності електромагнітного моменту М та частоти обертання n від струму Iя будуть лінійними (рис. 2, а). Отже, лінійною буде й механічна характеристика двигуна – залежність п(М) (рис. 2, б).

За відсутності в ланцюзі якоря реостата з опором Rn швидкісна і механічна характеристики будуть жорсткими, тобто. е. з малим кутом нахилу до горизонтальної осі, оскільки падіння напруги IяΣRя в обмотках машини, включених у ланцюг якоря, при номінальному навантаженні становить лише 3-5% від Uном. Ці характеристики (прямі 1 на рис. 2, а б) називаються природними.При включенні в ланцюг якоря реостату з опором Rn кут нахилу цих характеристик зростає, внаслідок чого можна отримати сімейство реостатних характеристик 2, 3 і 4, що відповідають різним значенням Rn1, Rn2 та Rn3.

Мал. 1. Принципові схеми електродвигунів постійного струму з незалежним (а) та паралельним (б) збудженням

Мал. 2. Характеристики електродвигунів постійного струму з незалежним і паралельним збудженням: а - швидкісні і моментна, б - механічні, в - робітники Чим більший опір Rn, тим більший кут нахилу має реостатна характеристика, т.е. е. тим вона м'якша.

Регулювальний реостат Rp дозволяє змінювати струм збудження двигуна Iв і його магнітний потік Ф. При цьому змінюватиметься частота обертання n.

У ланцюг обмотки збудження ніяких вимикачів та запобіжників не встановлюють, так як при розриві цього ланцюга різко зменшується магнітний потік електродвигуна (в ньому залишається лише потік залишкового магнетизму) і виникає аварійний режим. Якщо електродвигун працює при неодруженому ході або невеликому навантаженні на валу, то частота обертання різко зростає (двигун йде врознос). При цьому сильно збільшується струм в обмотці якоря і може виникнути круговий вогонь. Щоб уникнути цього, захист повинен відключити електродвигун від джерела живлення.

Різке збільшення частоти обертання при обриві ланцюга обмотки збудження пояснюється тим, що в цьому випадку різко зменшуються магнітний потік Ф (до потоку Фост від залишкового магнетизму) і е. буд. с. Е й зростає струм Iя. Оскільки прикладена напруга U залишається незмінним, то частота обертання n буде збільшуватися до того часу, поки е. буд. с.Е не досягне значення приблизно рівного U (що необхідно для рівноважного стану електричного ланцюга якоря, при якому E= U — IяΣRя.

При навантаженні на валу, близької до номінальної, електродвигун у разі розриву ланцюга збудження зупиниться, оскільки електромагнітний момент, який може розвинути двигун при значному зменшенні магнітного потоку, зменшується і стане менше моменту навантаження на валу. В цьому випадку так само різко збільшується струм Iя, і машина має бути відключена від джерела живлення.

Слід зазначити, що частота обертання n0 відповідає ідеальному холостому ходу, коли двигун не споживає мережі електричної енергії і його електромагнітний момент дорівнює нулю. У реальних умовах у режимі холостого ходу двигун споживає з мережі струм холостого ходу I0, необхідний компенсації внутрішніх втрат потужності, і розвиває деякий момент M0, необхідний подолання сил тертя машині. Тому насправді частота обертання при неодруженому ході менше n0.

Залежність частоти обертання n та електромагнітного моменту М від потужності Р2 (рис. 2, в) на валу двигуна, як випливає із розглянутих співвідношень, є лінійною. Залежність струму обмотки якоря Iя і потужності Р1 від Р2 також практично лінійні. Струм Iя і потужність Р1 при Р2 = 0 є струмом холостого ходу I0 і потужність Р0, що споживається при холостому ході. Крива до. п. буд. має характер, загальний всім електричних машин.

Електродвигун постійного струму з паралельним збудженням

У цьому електродвигуні (див. рис. 1 б) обмотки збудження і якоря живляться від одного і того ж джерела електричної енергії з напругою U.У ланцюг обмотки збудження включений регулювальний реостат Rpв, а ланцюг обмотки якоря - пусковий реостат Rп.

У електродвигуні, що розглядається, має місце, по суті, роздільне харчування ланцюгів обмоток якоря і збудження, внаслідок чого струм збудження Iв не залежить від струму обмотки якоря Iв. Тому електродвигун з паралельним збудженням матиме такі самі характеристики, як і двигун з незалежним збудженням. Однак двигун з паралельним збудженням працює нормально тільки при живленні джерела постійного струму з незмінною напругою.

При живленні електродвигуна від джерела зі змінною напругою (генератор або керований випрямляч) зменшення напруги живлення U викликає відповідне зменшення струму збудження Iв і магнітного потоку Ф, що призводить до збільшення струму обмотки якоря Iя. Це обмежує можливість регулювання частоти обертання якоря шляхом зміни напруги U. Тому електродвигуни, призначені для живлення від генератора або керованого випрямляча, повинні мати незалежне збудження.

Електродвигун постійного струму з послідовним збудженням

Для обмеження струму при пуску в ланцюг обмотки якоря включений пусковий реостат Rп (рис. 3 а), а для регулювання частоти обертання паралельно обмотці збудження може бути включений регулювальний реостат Rрв.

Мал. 3. Принципова схема електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням (а) та залежність його магнітного потоку Ф від струму Iя в обмотці якоря (б)

Мал. 4. Характеристики електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням: а - швидкісні та моментна, б - механічні, в - робітники.

Характерною особливістю цього електродвигуна є те, що його струм збудження Iв дорівнює або пропорційний (при включенні реостата Rpв) струму обмотки якоря Iя, тому магнітний потік залежить від навантаження двигуна (рис. 3, б).

При струмі обмотки якоря Iя, меншому (0,8-0,9) номінального струму Iном магнітна система машини не насичена і можна вважати, що магнітний потік Ф змінюється прямо пропорційно до струму Iя. обертання n різко зменшуватиметься (рис. 4, а) Зменшення частоти обертання n, відбувається. із-за збільшення падіння напруги IяΣRя.

Електромагнітний момент М при збільшенні струму Iя різко зростатиме, оскільки в цьому випадку збільшується і магнітний потік Ф, тобто момент М буде пропорційний струму Iя. Тому при струмі Iя, меншому (0,8 Н-0,9) , швидкісна характеристика має форму гіперболи, а моментна параболи.

При струмах Iя > Iном залежності М і п від Iя лінійні, тому що в цьому режимі магнітний ланцюг буде насичений і магнітний потік Ф при зміні струму Iя не змінюватиметься.

Механічна характеристика, т. е. залежність n від М (рис. 4, б), може бути побудована на підставі залежностей n і М від Iя. характеристик 2, 3 та 4. Ці характеристики відповідають різним значенням Rn1, Rn2 та Rn3, при цьому що більше Rn, то нижче розташовується характеристика.

Механічна характеристика двигуна, що розглядається, м'яка і має гіперболічний характер.При малих навантаженнях магнітний потік Ф сильно зменшується, частота обертання n різко зростає і може перевищити максимально допустиме значення (двигун йде рознос). Тому такі двигуни не можна застосовувати для приводу механізмів, що працюють у режимі холостого ходу та при невеликому навантаженні (різні верстати, транспортери та ін.).

Зазвичай мінімально допустиме навантаження для двигунів великої та середньої потужності складає (0,2….0,25) ін. Щоб запобігти можливості роботи двигуна без навантаження, його з'єднують із приводним механізмом жорстко (зубчастою передачею або глухою муфтою), застосування ремінної передачі або фрикційної муфти неприпустимо.

Незважаючи на зазначений недолік, двигуни з послідовним збудженням широко застосовують, особливо там, де мають місце зміни навантажувального моменту в широких межах та важкі умови пуску: у всіх тягових приводах (електровози, тепловози, електропоїзди, електрокари, електронавантажувачі та ін.), а також у приводах вантажопідйомних механізмів (крани, ліфти та ін.).

Пояснюється це тим, що при м'якій характеристиці збільшення моменту навантаження призводить до меншого зростання струму і споживаної потужності, ніж у двигунів з незалежним і паралельним збудженням, тому двигуни з послідовним збудженням краще переносять перевантаження. Крім того, ці двигуни мають більший пусковий момент, ніж двигуни з паралельним і незалежним збудженням, оскільки зі збільшенням струму обмотки якоря при пуску відповідно збільшується магнітний потік.

Якщо прийняти, наприклад, що короткочасний пусковий струм може в 2 рази перевищувати номінальний робочий струм машини, і знехтувати впливом насичення, реакцією якоря і падінням напруги в ланцюзі його обмотки, то в двигуні з послідовним збудженням пусковий момент буде в 4 рази більше від номінального ( 2 рази збільшуються і струм, і магнітний потік), а в двигуни з незалежним і паралельним збудженням - тільки в 2 рази більше.

Насправді через насичення магнітного ланцюга магнітний потік не збільшується пропорційно струму, але все ж пусковий момент двигуна з послідовним збудженням за інших рівних умов буде значно більше пускового моменту такого ж двигуна з незалежним або паралельним збудженням.

Залежності n і М від потужності Р2 на валу електродвигуна (рис. 4, в), як випливає з розглянутих вище положень, є нелінійними, залежності P1, Iя і від Р2 мають таку ж форму, як і у двигунів з паралельним збудженням.

Електродвигун постійного струму зі змішаним збудженням

У цьому електродвигуні (рис. 5, а) магнітний потік Ф створюється в результаті спільної дії двох обмоток збудження - паралельної (або незалежної) і послідовної, якими проходять струми збудження Iв1 і Iв2 = Iя

де Фпосл - магнітний потік послідовної обмотки, що залежить від струму Iя, Фпар - магнітний потік паралельної обмотки, який не залежить від навантаження (визначається струмом збудження Iв1).

Механічна характеристика електродвигуна зі змішаним збудженням (рис. 5 б) розташовується між характеристиками двигунів з паралельним (пряма 1) і послідовним (крива 2) збудженням.Залежно від співвідношення магніторушійних сил паралельної та послідовної обмоток при номінальному режимі можна наблизити характеристики двигуна зі змішаним збудженням до характеристики 1 (крива 3 при малій м. д. с. послідовної обмотки) або до характеристики 2 (крива 4 при малій м. д.). с. паралельної обмотки).

Мал. 5. Принципова схема електродвигуна зі змішаним збудженням (а) та його механічні характеристики (б)

Перевагою двигуна постійного струму зі змішаним збудженням є те, що він, маючи м'яку механічну характеристику, може працювати при холостому ході, коли Фпосл=0. У цьому режимі частота обертання якоря визначається магнітним потоком Фпар і має обмежене значення (двигун не йде врознос).

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Якщо Вам сподобалася ця стаття, поділіться посиланням на неї у соціальних мережах. Це дуже допоможе розвитку нашого сайту!

Не пропустіть оновлення, підпишіться на наші соцмережі: