Mạch điện một chiều và đặc điểm của chúng

Của cải động cơ điện một chiều chủ yếu được xác định bằng cách bật cuộn dây kích thích. Tùy thuộc vào điều này, động cơ điện được phân biệt:

1. kích thích độc lập: cuộn dây kích thích được cung cấp bởi nguồn DC bên ngoài (máy kích thích hoặc bộ chỉnh lưu),

2. kích thích song song: cuộn dây trường được nối song song với cuộn dây phần ứng,

3. kích thích nối tiếp: cuộn dây kích thích được nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng,

4. với kích thích hỗn hợp: có hai cuộn dây kích từ, một cuộn dây được nối song song với cuộn dây phần ứng và cuộn dây kia nối tiếp với nó.

Tất cả các động cơ điện này đều có cùng một thiết bị và chỉ khác nhau về cấu tạo của cuộn dây kích thích. Các cuộn dây kích thích của các động cơ điện này được thực hiện theo cách tương tự như trong máy phát điện tương ứng.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trong động cơ điện này (Hình.1, a) cuộn dây phần ứng được kết nối với nguồn dòng điện trực tiếp chính (mạng điện một chiều, máy phát hoặc bộ chỉnh lưu) với điện áp U và cuộn dây kích thích được kết nối với nguồn phụ có điện áp UB. Một biến trở điều chỉnh Rp được bao gồm trong mạch của cuộn dây kích thích và một biến trở khởi động Rn được bao gồm trong mạch của cuộn dây phần ứng.

Biến trở điều chỉnh được sử dụng để điều chỉnh tốc độ phần ứng của động cơ và biến trở khởi động được sử dụng để hạn chế dòng điện trong cuộn dây phần ứng khi khởi động. Một tính năng đặc trưng của động cơ điện là dòng điện kích thích Iv của nó không phụ thuộc vào dòng điện Ii trong cuộn dây phần ứng (dòng điện tải). Do đó, bỏ qua tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng, chúng ta có thể giả sử gần đúng rằng từ thông F của động cơ không phụ thuộc vào tải. Sự phụ thuộc của mô men điện từ M và tốc độ n vào dòng điện I sẽ là tuyến tính (Hình 2, a). Do đó, các đặc tính cơ học của động cơ cũng sẽ tuyến tính — sự phụ thuộc n (M) (Hình 2, b).

Trong trường hợp không có biến trở có điện trở Rn trong mạch phần ứng, tốc độ và các đặc tính cơ học sẽ cứng nhắc, nghĩa là với một góc nghiêng nhỏ so với trục ngang, do điện áp rơi IяΣRя trong cuộn dây của máy được bao gồm trong mạch phần ứng ở tải định mức chỉ bằng 3-5% của Unom. Những đặc điểm này (đường thẳng 1 trong Hình 2, a và b) được gọi là tự nhiên. Khi một bộ biến trở có điện trở Rn được đưa vào mạch phần ứng, góc nghiêng của các đặc tính này sẽ tăng lên, do đó có thể thu được một họ các đặc tính biến trở 2, 3 và 4, tương ứng với các giá trị khác nhau của Rn1 , Rn2 và Rn3 .

Cơm. 1.Sơ đồ nguyên lý của động cơ DC với kích thích độc lập (a) và song song (b)

Cơm. 2. Các đặc tính của động cơ điện một chiều với kích thích độc lập và song song: a — tốc độ và mô-men xoắn, b — cơ học, c — làm việc Điện trở Rn càng lớn thì góc nghiêng của đặc tính biến trở càng lớn, tức là nó mềm hơn.

Biến trở điều chỉnh Rpv cho phép bạn thay đổi dòng kích thích động cơ Iv và từ thông F của nó. Trong trường hợp này, tần số quay n cũng sẽ thay đổi.

Không lắp công tắc và cầu chì trong mạch của cuộn dây kích thích, vì khi ngắt mạch này, từ thông của động cơ điện giảm mạnh (chỉ còn từ thông dư trong đó) và chế độ khẩn cấp xảy ra. động cơ đang chạy không tải hoặc tải nhẹ trên trục, sau đó tốc độ tăng mạnh (động cơ chuyển động). Trong trường hợp này, dòng điện trong cuộn dây phần ứng Iya tăng lên đáng kể và có thể xảy ra cháy toàn bộ. Để tránh điều này, bảo vệ phải ngắt động cơ điện ra khỏi nguồn điện.

Tốc độ quay tăng mạnh khi mạch của cuộn dây kích thích bị gián đoạn được giải thích là do trong trường hợp này, từ thông Ф (lên đến giá trị của từ thông Fost từ dư từ tính) và e. vân vân. v. E và Iya hiện tại tăng lên. Và vì điện áp đặt vào U không đổi nên tần số quay n sẽ tăng thành e. vân vân. c. E sẽ không đạt giá trị xấp xỉ bằng U (giá trị này cần thiết cho trạng thái cân bằng của mạch phần ứng, trong đó E = U — IяΣRя.

Khi tải trục gần với mức định mức, động cơ điện sẽ dừng trong trường hợp ngắt mạch kích thích, do mômen điện từ mà động cơ có thể phát triển khi từ thông giảm đáng kể sẽ giảm và trở nên nhỏ hơn mômen xoắn của tải trọng trục. Trong trường hợp này, dòng điện Iya cũng tăng mạnh và máy phải được ngắt khỏi nguồn điện.

Cần lưu ý rằng tốc độ quay n0 tương ứng với tốc độ không tải lý tưởng khi động cơ không tiêu thụ năng lượng điện từ mạng và mô men điện từ của nó bằng không. Trong điều kiện thực tế, ở chế độ không tải, động cơ tiêu thụ dòng điện không tải I0 từ mạng, dòng điện này cần thiết để bù cho tổn thất công suất bên trong và tạo ra một mô-men xoắn M0 nhất định, cần thiết để thắng lực ma sát trong máy. Do đó, trong thực tế, tốc độ không tải nhỏ hơn n0.

Sự phụ thuộc của tốc độ quay n và mômen điện từ M vào công suất P2 (Hình 2, c) từ trục động cơ, như sau từ các mối quan hệ được xem xét, là tuyến tính. Sự phụ thuộc của dòng điện cuộn dây phần ứng Iya và công suất P1 trên P2 cũng thực tế là tuyến tính. Dòng điện I và công suất P1 tại P2 = 0 đại diện cho dòng điện không tải I0 và công suất tiêu thụ P0 khi không hoạt động. Đường cong hiệu quả là đặc trưng của tất cả các máy điện.

Động cơ điện kích thích song song dòng điện trực tiếp

Trong động cơ điện này (xem Hình 1, b), cuộn dây kích thích và phần ứng được cung cấp từ cùng một nguồn năng lượng điện có điện áp U. Một biến trở điều chỉnh Rpv được bao gồm trong mạch của cuộn dây kích thích và một biến trở khởi động Rp được bao gồm trong mạch quanh co trên neo.

Trong động cơ điện đang được xem xét, về cơ bản, có một nguồn cung cấp riêng biệt cho các mạch cuộn dây phần ứng và kích thích, do đó dòng điện kích thích Iv không phụ thuộc vào dòng điện cuộn dây phần ứng Iv. Do đó, động cơ kích từ song song sẽ có đặc tính giống như động cơ kích từ độc lập. Tuy nhiên, động cơ kích từ song song sẽ chỉ hoạt động bình thường khi được cấp nguồn một chiều có điện áp không đổi.

Khi động cơ điện được cung cấp bởi một nguồn có điện áp khác (máy phát điện hoặc bộ chỉnh lưu có điều khiển), việc giảm điện áp nguồn U gây ra sự giảm tương ứng của dòng điện kích thích Ic và từ thông Ф, dẫn đến tăng điện áp phần ứng. dòng điện quanh co Iya. Điều này hạn chế khả năng điều chỉnh tốc độ phần ứng bằng cách thay đổi điện áp nguồn U. Do đó, động cơ điện được thiết kế để được cấp nguồn bởi máy phát hoặc bộ chỉnh lưu có điều khiển phải có kích thích độc lập.

Động cơ điện kích thích dòng điện một chiều

Để hạn chế dòng khởi động, biến trở khởi động Rp (Hình 3, a) được đưa vào mạch của cuộn dây phần ứng (Hình 3, a) và để điều chỉnh tốc độ quay song song với cuộn dây kích thích bằng cách điều chỉnh biến trở Rpv có thể được bao gồm.

Cơm. 3. Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a) và sự phụ thuộc của từ thông Ф của nó vào dòng điện I trong dây quấn phần ứng (b)

Cơm. 4. Đặc điểm của động cơ DC kích thích tuần tự: a — tốc độ và mô-men xoắn cao, b — cơ học, c — công nhân.

Một tính năng đặc trưng của động cơ điện này là dòng điện kích thích Iv của nó bằng hoặc tỷ lệ (khi bật biến trở Rpv) với dòng điện của cuộn dây phần ứng Iya, do đó từ thông F phụ thuộc vào tải của động cơ (Hình 3, b) .

Khi dòng điện cuộn phần ứng Iya nhỏ hơn (0,8-0,9) dòng điện định mức Inom thì hệ thống từ thông của máy chưa bão hòa và có thể giả thiết rằng từ thông Ф thay đổi tỷ lệ thuận với dòng điện Iia. Do đó, đặc tính tốc độ của động cơ điện sẽ mềm — khi dòng điện I tăng, tốc độ quay n sẽ giảm mạnh (Hình 4, a). Tốc độ quay n giảm là do điện áp rơi IjaΣRja tăng. trong điện trở trong Rα. mạch cuộn dây phần ứng, cũng như do sự gia tăng từ thông F.

Mômen điện từ M khi dòng điện Ija tăng sẽ tăng mạnh, vì trong trường hợp này từ thông Ф cũng tăng, nghĩa là mômen M sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện Ija. Do đó, khi Iya hiện tại nhỏ hơn (0,8 N-0,9) Inom, đặc tính tốc độ có dạng hyperbol và đặc tính thời điểm có dạng parabol.

Ở dòng điện Ia > Ia, sự phụ thuộc của M và n vào Ia là tuyến tính, vì ở chế độ này mạch từ sẽ bão hòa và từ thông Ф không thay đổi khi dòng điện Ia thay đổi.

Đặc tính cơ học, nghĩa là sự phụ thuộc của n vào M (Hình 4, b), có thể được xây dựng trên cơ sở sự phụ thuộc của n và M vào Iya. Ngoài đặc tính tự nhiên 1, có thể có được họ các đặc tính biến trở 2, 3 và 4. bằng cách đưa một biến trở có điện trở Rp vào mạch cuộn dây phần ứng.Các đặc tính này tương ứng với các giá trị khác nhau của Rn1, Rn2 và Rn3, trong khi Rn càng cao thì đặc tính này càng thấp.

Đặc tính cơ học của động cơ được xem xét là mềm và hypebol. Khi tải thấp, từ thông Ф giảm rõ rệt, tốc độ quay n tăng mạnh và có thể vượt giá trị cực đại cho phép (động cơ chạy ẩu). Do đó, những động cơ như vậy không thể được sử dụng để điều khiển các cơ chế hoạt động ở chế độ không tải và tải trọng thấp (các loại máy móc, băng tải, v.v.).

Thông thường, tải tối thiểu cho phép đối với động cơ công suất cao và trung bình là (0,2… 0,25) Inom. Để ngăn động cơ chạy không tải, nó được kết nối chắc chắn với cơ cấu truyền động (khớp nối răng hoặc mù); việc sử dụng bộ truyền động đai hoặc ly hợp ma sát là không thể chấp nhận được.

Bất chấp nhược điểm này, động cơ kích thích tuần tự được sử dụng rộng rãi, đặc biệt khi có sự khác biệt lớn về mô-men xoắn tải và điều kiện khởi động khắc nghiệt: trong tất cả các bộ truyền lực kéo (đầu máy điện, đầu máy diesel, tàu điện, ô tô điện, xe nâng điện, v.v.), cũng như trong các bộ truyền động của cơ cấu nâng (cần trục, thang máy, v.v.).

Điều này được giải thích là do với đặc tính mềm, mômen tải tăng dẫn đến dòng điện và công suất tiêu thụ tăng thấp hơn so với ở động cơ kích từ độc lập và kích từ song song, do đó động cơ kích từ nối tiếp có khả năng chịu quá tải tốt hơn.Ngoài ra, các động cơ này có mô-men xoắn khởi động cao hơn so với động cơ kích từ song song và độc lập, bởi vì khi dòng điện cuộn dây phần ứng tăng lên trong quá trình khởi động, từ thông cũng tăng theo.

Ví dụ, nếu chúng ta giả sử rằng dòng điện khởi động ngắn hạn có thể gấp 2 lần dòng điện làm việc định mức của máy điện và bỏ qua ảnh hưởng của bão hòa, phản ứng phần ứng và sụt áp trong cuộn dây của nó, thì trong động cơ kích từ nối tiếp, mô-men xoắn khởi động sẽ cao hơn 4 lần so với danh nghĩa (cả về dòng điện và từ thông đều tăng 2 lần) và trong các động cơ có kích thích độc lập và song song - chỉ nhiều hơn 2 lần.

Trên thực tế, do sự bão hòa của mạch từ, từ thông không tăng tỷ lệ thuận với dòng điện, tuy nhiên, mômen khởi động của động cơ kích từ nối tiếp, những thứ khác không đổi, sẽ lớn hơn nhiều so với mômen khởi động của cùng một động cơ với kích thích độc lập hoặc song song.

Sự phụ thuộc của n và M vào công suất P2 của trục động cơ (Hình 4, c), như sau từ các vị trí đã thảo luận ở trên, là phi tuyến tính, sự phụ thuộc của P1, Ith và η vào P2 có dạng giống như cho động cơ có kích thích song song.

Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp

Trong động cơ điện này (Hình 5, a), từ thông Ф được tạo ra do tác động chung của hai cuộn dây kích thích — song song (hoặc độc lập) và nối tiếp, qua đó các dòng điện kích thích Iв1 và Iв2 = Iя

đó là lý do tại sao

trong đó Fposl - từ thông của cuộn dây nối tiếp, phụ thuộc vào dòng điện Ia, Fpar - từ thông của cuộn dây song song, không phụ thuộc vào tải (nó được xác định bởi dòng điện kích thích Ic1).

Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ hỗn hợp (Hình 5, b) nằm giữa đặc tính của động cơ kích từ song song (đường thẳng 1) và kích từ nối tiếp (đường cong 2). Tùy thuộc vào tỷ lệ lực từ của cuộn dây song song và nối tiếp ở chế độ định mức, đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp có thể xấp xỉ với đặc tính 1 (đường cong 3 ở ppm thấp của cuộn dây nối tiếp) hoặc đặc tính 2 (đường cong 4 ở ppm thấp v. cuộn dây song song).

Cơm. 5. Sơ đồ động cơ điện kích từ hỗn hợp (a) và đặc tính cơ của nó (b)

Ưu điểm của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp là có đặc tính cơ mềm, có thể làm việc ở chế độ không tải khi Fposl = 0. Ở chế độ này, tần số quay phần ứng của nó được xác định bởi từ thông Fpar và có giới hạn giá trị (động cơ không chạy).