Механические характеристики электродвигателя

На рис. 4.14а показана схема включения электродвигателя. В цепи обмотки якоря и обмотки возбуждения включены регулировочные сопротивления R_р и R_в. Электродвигатель приводит во вращение рабочую машину PM со скоростью ω, развивая электромагнитный момент, равный и противоположно направленный моменту сопротивления рабочей машины.

При вращении в обмотке якоря возникает противо-ЭДС.

В соответствии со вторым законам Кирхгофа

,              (4.4)

откуда

.                               (4.5)

Ток якоря зависит от электромагнитного момента .

Следовательно,

.                            (4.6)

Зависимость (4.5) ω = f(I_Я) называется электромеханической характеристикой, а зависимость (4.6) ω = φ(М_ЭМ) – механической характеристикой (см. рис. 4.14 б).

Эти характеристики можно построить в одних осях, т.к. ток якоря при неизменном магнитном потоке пропорционален электромагнитному моменту.

Механическая характеристика представляет собой прямую линию, которую можно построить по двум точкам.

При М_ЭМ = 0 (режим холостого хода) скорость холостого хода ω₀ = U/к∙Ф максимальна, с увеличением электромагнитного момента она уменьшается. Момент, при котором скорость равна нулю, называется пусковым. Номинальный момент на порядок меньше пускового.

Рис. 4.14. Схема включения двигателя (а) и его электромеханическая

и механическая характеристики (б)

Кажется странным, что с увеличением вращающего момента скорость двигателя не возрастает, а уменьшается. Но механическая характеристика снимается в установившемся режиме, при котором скорость вращения двигателя постоянна. В этом режиме электромагнитный момент устанавливается равным моменту сопротивления рабочей машины. То есть электромагнитный момент не является независимым параметром. Он устанавливается в зависимости от механической нагрузки (М_ЭК = М_С).

Поэтому зависимость ω = φ(М_ЭМ) надо понимать так: механическая характеристика двигателя показывает, как изменяется скорость вращения двигателя при изменении нагрузки на его валу.

В режиме идеального холостого хода М_С = 0 и, следовательно, . В этом режиме якорь не потребляет ток .

Это будет иметь место при E_Я = U. Иначе говоря, при отсутствии механической нагрузки двигатель будет разгоняться до скорости ω₀, при которой ЭДС обмотки якоря сравняется с напряжением сети.

Чем больше будет механическая нагрузка, тем большим должен быть электромагнитный момент М_ЭМ = к∙Ф∙I_Я, тем больший ток должен потреблять электродвигатель.

Увеличение тока происходит за счет уменьшения противо-ЭДС, которая пропорциональна скорости вращения.

Следовательно, при увеличении нагрузки, чтобы развивать больший электромагнитный момент, двигатель вынужден потреблять больший ток из сети ценой уменьшения скорости вращения.

Двигатель с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения с малым числом витков и включается последовательно с обмоткой якоря. Ток возбуждения равен току якоря и, пока магнитная система не насыщена, вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря ( ).

Электромеханическая характеристика (скоростная характеристика)

.                         (4.7)

Эта характеристика имеет вид гиперболической зависимости. Схема включения двигателя последовательного возбуждения и электромеханическая характеристика приведены на рис.4.15

Рис. 4.15. Схема двигателя последовательного возбуждения (а) и его электромеханическая характеристика (б)

Так как , то с ростом нагрузки на валу двигателя скорость вращения двигателя резко уменьшается, поскольку при увеличении тока якоря магнитный поток также возрастает, а влияние падения напряжения  невелико (рис. 4.15).

Механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением мягкая. При уменьшении нагрузки скорость вращения резко возрастает и становится опасной для двигателя, а на холостом ходу двигатель идет в “разнос”. Поэтому двигатели с последовательным возбуждением могут применяться при гарантированной нагрузке на его валу.

У двигателя со смешенном возбуждении на главных полюсах имеется две обмотки возбуждения: параллельная (шунтовая) и последовательная (сериесная). При согласном включении обмоток магнитные потоки складываются . Вращающий момент и скорость вращения двигателя определяются суммарным действием магнитных потоков , . На рис. 4.16 представлена схема включения двигателя и его электромеханическая характеристика.

Рис.4.16.  Схема включения двигателя смешенного возбуждения (а) и его электромеханическая характеристика (б)

Характеристики двигателя зависят от соотношения между магнитными потоками обеих обмоток. Если преобладает магнитный поток шунтовой обмотки, то характеристика двигателя со смешанным возбуждением по своему характеру приближается к характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, но его скоростная и механическая характеристики более мягкие, так как с ростом нагрузки поток последовательной обмотки увеличивается, а скорость вращения уменьшается в большей мере (кривая 2 на рис. 4.16), чем у двигателя с параллельным возбуждением (кривая 1 рис. 4.16).

Если основную роль играет последовательная обмотка, то характеристика двигателя со смешенным возбуждением приближается к характеристике двигателя с последовательным возбуждением, то – есть становится мягкой (кривая 3 на рис. 4.16).