Gelijkstroom elektrische circuits en hun kenmerken

Eigenschappen DC-motoren worden voornamelijk bepaald door de manier waarop de bekrachtigingsspoel wordt ingeschakeld. Afhankelijk hiervan worden elektromotoren onderscheiden:

1. onafhankelijk opgewonden: de excitatiespoel wordt aangedreven door een externe gelijkstroombron (exciter of gelijkrichter),

2. parallelle excitatie: de veldwikkeling is parallel verbonden met de ankerwikkeling,

3. seriebekrachtiging: de bekrachtigingswikkeling is in serie verbonden met de ankerwikkeling,

4. met gemengde excitatie: er zijn twee veldwikkelingen, één parallel verbonden met de ankerwikkeling en de andere in serie daarmee.

Al deze elektromotoren hebben hetzelfde apparaat en verschillen alleen in de constructie van de bekrachtigingsspoel. De bekrachtigingswikkelingen van deze elektromotoren worden op dezelfde manier uitgevoerd als in respectievelijke generatoren.

Onafhankelijk opgewekte DC-elektromotor

In deze elektromotor (afb.1, a) de ankerwikkeling is verbonden met de hoofdgelijkstroombron (gelijkstroomnetwerk, generator of gelijkrichter) met een spanning U, en de bekrachtigingswikkeling is verbonden met een hulpbron met een spanning UB. Een regelweerstand Rp is opgenomen in het circuit van de bekrachtigingsspoel en een startweerstand Rn is opgenomen in het circuit van de ankerspoel.

De regelweerstand wordt gebruikt om de ankersnelheid van de motor te regelen en de startweerstand wordt gebruikt om de stroom in de ankerwikkeling bij het starten te beperken. Kenmerkend voor de elektromotor is dat zijn bekrachtigingsstroom Iv niet afhankelijk is van de stroom Ii in de ankerwikkeling (belastingstroom). Daarom kunnen we, als we het demagnetiserende effect van de ankerreactie verwaarlozen, bij benadering aannemen dat de motorflux F onafhankelijk is van de belasting. De afhankelijkheden van het elektromagnetische moment M en de snelheid n van de stroom I zullen lineair zijn (Fig. 2, a). Daarom zullen de mechanische kenmerken van de motor ook lineair zijn - de afhankelijkheid n (M) (Fig. 2, b).

Bij afwezigheid van een reostaat met weerstand Rn in het ankercircuit, zullen de snelheid en mechanische kenmerken star zijn, dat wil zeggen met een kleine hellingshoek ten opzichte van de horizontale as, aangezien de spanningsval IяΣRя in de wikkelingen van de machine die is opgenomen in het ankercircuit bij nominale belasting is slechts 3-5% van Unom. Deze kenmerken (rechte lijnen 1 in Fig. 2, a en b) worden natuurlijk genoemd. Wanneer een reostaat met weerstand Rn in het ankercircuit wordt opgenomen, neemt de hellingshoek van deze karakteristieken toe, waardoor een familie van reostaatkarakteristieken 2, 3 en 4 kan worden verkregen, overeenkomend met verschillende waarden van Tn1, Tn2 en Tn3.

Rijst. 1.Schematische diagrammen van DC-motoren met onafhankelijke (a) en parallelle (b) excitatie

Rijst. 2. Kenmerken van elektromotoren gelijkstroom met onafhankelijke en parallelle excitatie: a — snelheid en koppel, b — mechanisch, c — werking Hoe groter de weerstand Rn, hoe groter de hellingshoek van de karakteristiek van de reostaat, dat wil zeggen, het is zachter.

Met de regelweerstand Rpv kunt u de motorbekrachtigingsstroom Iv en de magnetische flux F wijzigen. In dit geval verandert ook de rotatiefrequentie n.

In het circuit van de bekrachtigingsspoel zijn geen schakelaars en zekeringen geïnstalleerd, want wanneer dit circuit wordt onderbroken, neemt de magnetische flux van de elektromotor sterk af (alleen de flux van restmagnetisme blijft erin) en treedt er een noodmodus op. motor stationair draait of lichte belasting op de as, dan neemt het toerental sterk toe (de motor beweegt). In dit geval neemt de stroom in de ankerwikkeling Iya aanzienlijk toe en kan er een uitgebreide brand optreden. Om dit te voorkomen, moet de beveiliging de elektromotor loskoppelen van de stroombron.

De sterke toename van de rotatiesnelheid wanneer het circuit van de excitatiespoel wordt onderbroken, wordt verklaard door het feit dat in dit geval de magnetische flux Ф (tot de waarde van de Fost-flux van het restmagnetisme) en e. enz. v. E en de huidige Iya neemt toe. En aangezien de aangelegde spanning U ongewijzigd blijft, zal de rotatiefrequentie n toenemen tot e. enz. C. E zal geen waarde bereiken die ongeveer gelijk is aan U (wat nodig is voor de evenwichtstoestand van het ankercircuit, waarbij E = U — IяΣRя.

Wanneer de asbelasting dicht bij de nominale ligt, stopt de elektromotor in het geval van een breuk in het excitatiecircuit, omdat het elektromagnetische moment dat de motor kan ontwikkelen met een aanzienlijke vermindering van de magnetische flux afneemt en kleiner wordt dan het koppel van de belasting van de as. In dit geval neemt de stroom Iya ook sterk toe en moet de machine worden losgekoppeld van de stroombron.

Opgemerkt moet worden dat de rotatiesnelheid n0 overeenkomt met een ideaal stationair toerental wanneer de motor geen elektrische energie van het netwerk verbruikt en het elektromagnetische moment nul is. In reële omstandigheden, in stationaire modus, verbruikt de motor van het netwerk de stationaire stroom I0, die nodig is om interne vermogensverliezen te compenseren, en ontwikkelt een bepaald koppel M0, dat nodig is om de wrijvingskrachten in de machine te overwinnen. Daarom is het stationaire toerental in werkelijkheid minder dan n0.

De afhankelijkheid van de rotatiesnelheid n en het elektromagnetische moment M van het vermogen P2 (Fig. 2, c) van de motoras, zoals volgt uit de beschouwde relaties, is lineair. De afhankelijkheden van de ankerwikkelstroom Iya en het vermogen P1 op P2 zijn ook praktisch lineair. Stroom I en vermogen P1 bij P2 = 0 vertegenwoordigen de ruststroom I0 en het vermogen P0 verbruikt bij inactiviteit. De rendementscurve is kenmerkend voor alle elektrische machines.

Elektrische motor gelijkstroom parallelle excitatie

In deze elektromotor (zie Fig. 1, b) worden de bekrachtigingswikkelingen en de armaturen gevoed vanuit dezelfde bron van elektrische energie met een spanning U. Een regelweerstand Rpv is opgenomen in het circuit van de bekrachtigingswikkeling en een startweerstand Rp is opgenomen in het wikkelcircuit op het anker.

Bij de beschouwde elektromotor is in wezen sprake van een gescheiden voeding van de anker- en bekrachtigingswikkelcircuits, waardoor de bekrachtigingsstroom Iv niet afhankelijk is van de ankerwikkelstroom Iv. Daarom zal de parallelle excitatiemotor dezelfde kenmerken hebben als de onafhankelijke excitatiemotor. Een parallelle excitatiemotor werkt echter alleen normaal als hij wordt gevoed door een DC-bron met constante spanning.

Wanneer de elektromotor wordt gevoed door een bron met een andere spanning (generator of gestuurde gelijkrichter), veroorzaakt een afname van de voedingsspanning U een overeenkomstige afname van de bekrachtigingsstroom Ic en de magnetische flux Ф, wat leidt tot een toename van het anker kronkelende huidige Iya. Dit beperkt de mogelijkheid om de ankersnelheid aan te passen door de voedingsspanning U te wijzigen. Daarom moeten elektromotoren die zijn ontworpen om te worden aangedreven door een generator of een gestuurde gelijkrichter, een onafhankelijke bekrachtiging hebben.

Elektrische motor gelijkstroom serie excitatie

Om de startstroom te beperken, is de startweerstand Rp (Fig. 3, a) opgenomen in het circuit van de ankerwikkeling (Fig. 3, a) en om de rotatiesnelheid parallel aan de bekrachtigingswikkeling te regelen door de weerstand aan te passen Rpv kan worden opgenomen.

Rijst. 3. Schematisch diagram van de gelijkstroommotor met seriebekrachtiging (a) en de afhankelijkheid van zijn magnetische flux Ф van de stroom I in de ankerwikkeling (b)

Rijst. 4. Kenmerken van de DC-motor met sequentiële excitatie: a - hoge snelheid en koppel, b - mechanisch, c - arbeiders.

Een kenmerkend kenmerk van deze elektromotor is dat zijn bekrachtigingsstroom Iv gelijk of evenredig is (wanneer de reostaat Rpv is ingeschakeld) met de stroom van de ankerwikkeling Iya, daarom hangt de magnetische flux F af van de motorbelasting (Fig. 3, B) .

Wanneer de ankerwikkelstroom Iya kleiner is dan (0,8-0,9) van de nominale stroom Inom, is het magnetische systeem van de machine niet verzadigd en kan worden aangenomen dat de magnetische flux Ф in directe verhouding tot de stroom Iia verandert. Daarom zal de snelheidskarakteristiek van de elektromotor zacht zijn - naarmate de stroom I toeneemt, zal de rotatiesnelheid n scherp afnemen (Fig. 4, a). Een afname van de rotatiesnelheid n is het gevolg van een toename van de spanningsval IjaΣRja. in de interne weerstand Rα. ankerwikkelcircuits, evenals door een toename van de magnetische flux F.

Het elektromagnetische moment M met een toename van de stroom Ija zal sterk toenemen, omdat in dit geval ook de magnetische flux Ф toeneemt, dat wil zeggen dat het moment M evenredig zal zijn met de stroom Ija. Daarom, wanneer de huidige Iya kleiner is dan (0,8 N-0,9) Inom, heeft de snelheidskarakteristiek de vorm van een hyperbool en heeft de momentkarakteristiek de vorm van een parabool.

Bij stromen Ia> Ia zijn de afhankelijkheden van M en n op Ia lineair, aangezien in deze modus het magnetische circuit verzadigd zal zijn en de magnetische flux Ф niet zal veranderen wanneer de stroom Ia verandert.

De mechanische eigenschap, dat wil zeggen de afhankelijkheid van n van M (fig. 4, b), kan worden geconstrueerd op basis van de afhankelijkheid van n en M van Iya. Naast natuurlijke karakteristiek 1 is het mogelijk om een ​​familie van reostaatkarakteristieken 2, 3 en 4 te verkrijgen door een reostaat met weerstand Rp in het ankerwikkelcircuit op te nemen.Deze karakteristieken komen overeen met verschillende waarden van Rn1, Rn2 en Rn3, terwijl hoe hoger de Rn, hoe lager de karakteristiek.

Het mechanische kenmerk van de beschouwde motor is zacht en hyperbolisch. Bij lage belastingen neemt de magnetische flux Ф aanzienlijk af, de rotatiesnelheid n neemt sterk toe en kan de maximaal toegestane waarde overschrijden (de motor loopt wild). Daarom kunnen dergelijke motoren niet worden gebruikt om mechanismen aan te drijven die stationair en onder lage belasting werken (verschillende machines, transportbanden, enz.).

Gewoonlijk is de minimaal toegestane belasting voor motoren met hoog en gemiddeld vermogen (0,2…0,25) Inom. Om te voorkomen dat de motor onbelast gaat draaien, is deze vast verbonden met het aandrijfmechanisme (tand- of blindkoppeling); het gebruik van een riemaandrijving of wrijvingskoppeling is onaanvaardbaar.

Ondanks dit nadeel worden motoren met sequentiële excitatie veel gebruikt, vooral wanneer er grote verschillen in belastingskoppel en zware startomstandigheden zijn: in alle tractieaandrijvingen (elektrische locomotieven, diesellocomotieven, elektrische treinen, elektrische auto's, elektrische vorkheftrucks, enz. ), evenals in aandrijvingen van hefmechanismen (kranen, liften, enz.).

Dit wordt verklaard door het feit dat met een zachte karakteristiek een toename van het belastingskoppel leidt tot een lagere toename van het stroom- en energieverbruik dan bij onafhankelijk en parallel bekrachtigde motoren, waardoor in serie bekrachtigde motoren beter bestand zijn tegen overbelasting.Bovendien hebben deze motoren een hoger startkoppel dan parallel en onafhankelijk bekrachtigde motoren, omdat naarmate de ankerwikkelstroom tijdens het starten toeneemt, de magnetische flux dienovereenkomstig toeneemt.

Als we bijvoorbeeld aannemen dat de inschakelstroom op korte termijn 2 keer de nominale bedrijfsstroom van de machine kan zijn en de effecten van verzadiging, ankerreactie en spanningsval in de wikkeling verwaarlozen, dan in een in serie opgewekte motor, de het startkoppel zal 4 keer hoger zijn dan het nominale (zowel in de stroom als in de magnetische flux neemt het 2 keer toe), en in motoren met onafhankelijke en parallelle excitatie - slechts 2 keer meer.

Vanwege de verzadiging van het magnetische circuit neemt de magnetische flux in feite niet toe in verhouding tot de stroom, maar desalniettemin zal het startkoppel van een in serie opgewekte motor, als de overige dingen gelijk blijven, veel groter zijn dan het startkoppel van dezelfde motor met onafhankelijke of parallelle excitatie.

De afhankelijkheden van n en M op het vermogen P2 van de motoras (Fig. 4, c), zoals volgt uit de hierboven besproken posities, zijn niet-lineair, de afhankelijkheden van P1, Ith en η op P2 hebben dezelfde vorm als voor motoren met parallelle opwinding.

Gemengde excitatie gelijkstroom elektromotor

In deze elektromotor (Fig. 5, a) wordt de magnetische flux Ф gecreëerd als resultaat van de gezamenlijke actie van twee excitatiespoelen - parallel (of onafhankelijk) en serie, waardoor de excitatiestromen Iв1 en Iв2 = Iя

Dat is waarom

waar Fposl - de magnetische flux van de seriespoel, afhankelijk van de stroom Ia, Fpar - de magnetische flux van de parallelle spoel, die niet afhankelijk is van de belasting (deze wordt bepaald door de excitatiestroom Ic1).

De mechanische karakteristiek van een elektromotor met gemengde excitatie (fig. 5, b) ligt tussen de karakteristieken van motoren met parallelle (rechte lijn 1) en serie (curve 2) excitatie. Afhankelijk van de verhouding van magnetomotorische krachten van parallelle en seriewikkelingen in de nominale modus, kunnen de karakteristieken van de motor met gemengde bekrachtiging worden benaderd tot karakteristiek 1 (curve 3 bij lage ppm van de seriewikkeling) of tot karakteristiek 2 (curve 4 bij lage ppm v. parallelle wikkeling).

Rijst. 5. Schematisch diagram van een elektromotor met gemengde excitatie (a) en zijn mechanische kenmerken (b)

Het voordeel van de DC-motor met gemengde excitatie is dat deze, met een zachte mechanische eigenschap, stationair kan werken wanneer Fposl = 0. In deze modus wordt de rotatiefrequentie van het anker bepaald door de magnetische flux Fpar en heeft een beperkte waarde (motor draait niet).