Gleichstromkreise und ihre Eigenschaften

Eigenschaften Gleichstrommotoren werden hauptsächlich durch die Art und Weise bestimmt, wie die Erregerspule eingeschaltet wird. Abhängig davon werden Elektromotoren unterschieden:

1. unabhängig erregt: Die Erregerspule wird von einer externen Gleichstromquelle (Erreger oder Gleichrichter) gespeist.

2. Parallelerregung: Die Feldwicklung ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet,

3. Serienerregung: Die Erregerwicklung ist mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltet,

4. bei gemischter Erregung: Es gibt zwei Feldwicklungen, eine parallel zur Ankerwicklung und die andere in Reihe mit dieser.

Alle diese Elektromotoren haben das gleiche Gerät und unterscheiden sich lediglich in der Konstruktion der Erregerspule. Die Erregerwicklungen dieser Elektromotoren sind auf die gleiche Weise ausgeführt wie in jeweiligen Generatoren.

Unabhängig erregter Gleichstrom-Elektromotor

Bei diesem Elektromotor (Abb.1, a) Die Ankerwicklung ist an die Hauptgleichstromquelle (Gleichstromnetz, Generator oder Gleichrichter) mit einer Spannung U angeschlossen, und die Erregerwicklung ist an eine Hilfsquelle mit einer Spannung UB angeschlossen. Im Stromkreis der Erregerspule ist ein Regelwiderstand Rp und im Stromkreis der Ankerspule ein Startwiderstand Rn enthalten.

Der Regelwiderstand dient zur Regelung der Ankerdrehzahl des Motors und der Anlaufwiderstand zur Begrenzung des Stroms in der Ankerwicklung beim Anlassen. Ein charakteristisches Merkmal des Elektromotors ist, dass sein Erregerstrom Iv nicht vom Strom Ii in der Ankerwicklung (Laststrom) abhängt. Unter Vernachlässigung der entmagnetisierenden Wirkung der Ankerreaktion können wir daher annähernd davon ausgehen, dass der Motorfluss F unabhängig von der Last ist. Die Abhängigkeiten des elektromagnetischen Moments M und der Drehzahl n vom Strom I sind linear (Abb. 2, a). Daher sind auch die mechanischen Eigenschaften des Motors linear – die Abhängigkeit n (M) (Abb. 2, b).

Wenn im Ankerkreis kein Rheostat mit Widerstand Rn vorhanden ist, sind die Drehzahl und die mechanischen Eigenschaften starr, d Der Ankerkreis beträgt bei Nennlast nur 3-5 % von Unenn. Diese Eigenschaften (gerade Linien 1 in Abb. 2, a und b) werden als natürlich bezeichnet. Wenn ein Rheostat mit Widerstand Rn in den Ankerkreis einbezogen wird, erhöht sich der Neigungswinkel dieser Kennlinien, wodurch eine Familie von Rheostat-Kennlinien 2, 3 und 4 erhalten werden kann, die unterschiedlichen Werten von entsprechen Rn1, Rn2 und Rn3.

Reis. 1.Schematische Darstellungen von Gleichstrommotoren mit unabhängiger (a) und paralleler (b) Erregung

Reis. 2. Eigenschaften von Gleichstrommotoren mit unabhängiger und paralleler Erregung: a – Geschwindigkeit und Drehmoment, b – mechanisch, c – arbeitend. Je größer der Widerstand Rn, desto größer ist der Neigungswinkel der Kennlinie des Rheostaten, d. h. es ist weicher.

Mit dem Regelwiderstand Rpv können Sie den Erregerstrom Iv des Motors und seinen magnetischen Fluss F ändern. In diesem Fall ändert sich auch die Rotationsfrequenz n.

Im Stromkreis der Erregerspule sind keine Schalter und Sicherungen installiert, da bei Unterbrechung dieses Stromkreises der magnetische Fluss des Elektromotors stark abnimmt (nur der Fluss des Restmagnetismus verbleibt darin) und ein Notbetrieb auftritt. Wenn der Strom ausfällt Wenn der Motor im Leerlauf läuft oder die Welle leicht belastet ist, steigt die Drehzahl stark an (der Motor bewegt sich). In diesem Fall steigt der Strom in der Ankerwicklung Iya deutlich an und es kann zu einem Großbrand kommen. Um dies zu vermeiden, muss der Schutz den Elektromotor von der Stromquelle trennen.

Der starke Anstieg der Drehzahl bei Unterbrechung des Stromkreises der Erregerspule erklärt sich dadurch, dass in diesem Fall der magnetische Fluss Ф (bis zum Wert des Fost-Flusses aus dem Restmagnetismus) und e. usw. v. E und die aktuelle Iya erhöht sich. Und da die angelegte Spannung U unverändert bleibt, erhöht sich die Drehfrequenz n auf e. usw. c. E wird keinen Wert erreichen, der annähernd gleich U ist (was für den Gleichgewichtszustand des Ankerkreises erforderlich ist, wobei E = U — IяΣRя ist.

Wenn die Wellenlast nahe der Nennlast liegt, stoppt der Elektromotor bei einer Unterbrechung des Erregerkreises, da das elektromagnetische Moment, das der Motor bei einer deutlichen Reduzierung des Magnetflusses entwickeln kann, abnimmt und kleiner als das Drehmoment wird der Belastung der Welle. In diesem Fall steigt auch der Strom Iya stark an und die Maschine muss von der Stromquelle getrennt werden.

Es ist zu beachten, dass die Drehzahl n0 einer idealen Leerlaufdrehzahl entspricht, wenn der Motor keine elektrische Energie aus dem Netz verbraucht und sein elektromagnetisches Moment Null ist. Unter realen Bedingungen verbraucht der Motor im Leerlaufmodus aus dem Netz den Leerlaufstrom I0, der zum Ausgleich interner Leistungsverluste erforderlich ist, und entwickelt ein bestimmtes Drehmoment M0, das zur Überwindung der Reibungskräfte in der Maschine erforderlich ist. Daher liegt die Leerlaufdrehzahl in der Realität unter n0.

Die Abhängigkeit der Drehzahl n und des elektromagnetischen Moments M von der Leistung P2 (Abb. 2, c) von der Motorwelle ist, wie aus den betrachteten Beziehungen folgt, linear. Auch die Abhängigkeiten des Ankerwicklungsstroms Iya und der Leistung P1 von P2 sind praktisch linear. Strom I und Leistung P1 bei P2 = 0 stellen den Leerlaufstrom I0 und die Leistung P0 dar, die im Leerlauf verbraucht werden. Die Effizienzkurve ist charakteristisch für alle elektrischen Maschinen.

Gleichstrom-Parallelerregung des Elektromotors

Bei diesem Elektromotor (siehe Abb. 1, b) werden die Erregerwicklungen und die Anker von derselben elektrischen Energiequelle mit einer Spannung U gespeist. Im Stromkreis der Erregerwicklung ist ein Regelwiderstand Rpv und ein Anlaufwiderstand Rp enthalten ist im Wicklungskreis am Anker enthalten.

Bei dem betrachteten Elektromotor erfolgt im Wesentlichen eine getrennte Versorgung der Anker- und Erregerwicklungskreise, wodurch der Erregerstrom Iv nicht vom Ankerwicklungsstrom Iv abhängt. Daher hat der Parallelerregermotor die gleichen Eigenschaften wie der Unabhängigerregermotor. Ein Parallelerregermotor funktioniert jedoch nur dann normal, wenn er von einer Gleichstromquelle mit konstanter Spannung gespeist wird.

Wenn der Elektromotor von einer Quelle mit einer anderen Spannung (Generator oder gesteuerter Gleichrichter) gespeist wird, führt eine Verringerung der Versorgungsspannung U zu einer entsprechenden Verringerung des Erregerstroms Ic und des magnetischen Flusses Ф, was zu einer Vergrößerung des Ankers führt Wicklungsstrom Iya. Dies schränkt die Möglichkeit ein, die Ankergeschwindigkeit durch Änderung der Versorgungsspannung U anzupassen. Daher müssen Elektromotoren, die für die Stromversorgung durch einen Generator oder einen gesteuerten Gleichrichter ausgelegt sind, über eine unabhängige Erregung verfügen.

Gleichstrom-Serienanregung des Elektromotors

Um den Anlaufstrom zu begrenzen, wird der Anlaufrheostat Rp (Abb. 3, a) in den Stromkreis der Ankerwicklung (Abb. 3, a) eingebunden und um die Drehzahl parallel zur Erregerwicklung durch Einstellung des Rheostats zu regulieren Rpv kann einbezogen werden.

Reis. 3. Schematische Darstellung des Gleichstrommotors mit Reihenerregung (a) und der Abhängigkeit seines magnetischen Flusses Ф vom Strom I in der Ankerwicklung (b)

Reis. 4. Eigenschaften des Gleichstrommotors mit sequentieller Erregung: a – hohe Drehzahl und hohes Drehmoment, b – mechanisch, c – Arbeiter.

Ein charakteristisches Merkmal dieses Elektromotors ist, dass sein Erregerstrom Iv gleich oder proportional (bei eingeschaltetem Rheostat Rpv) zum Strom der Ankerwicklung Iya ist, daher hängt der magnetische Fluss F von der Motorlast ab (Abb. 3, B) .

Wenn der Ankerwicklungsstrom Iya weniger als (0,8–0,9) des Nennstroms Inom beträgt, ist das Magnetsystem der Maschine nicht gesättigt und es kann davon ausgegangen werden, dass sich der Magnetfluss Ф direkt proportional zum Strom Iia ändert. Daher ist die Drehzahlcharakteristik des Elektromotors weich – mit zunehmendem Strom I nimmt die Drehzahl n stark ab (Abb. 4, a). Eine Verringerung der Drehzahl n ist auf einen Anstieg des Spannungsabfalls IjaΣRja zurückzuführen. im Innenwiderstand Rα. Ankerwicklungskreise sowie aufgrund einer Erhöhung des magnetischen Flusses F.

Das elektromagnetische Moment M nimmt mit zunehmendem Strom Ija stark zu, da in diesem Fall auch der magnetische Fluss Ф zunimmt, dh das Moment M ist proportional zum Strom Ija. Wenn daher der Strom Iya kleiner als (0,8 N-0,9) Inom ist, hat die Geschwindigkeitscharakteristik die Form einer Hyperbel und die Momentencharakteristik die Form einer Parabel.

Bei Strömen Ia > Ia sind die Abhängigkeiten von M und n von Ia linear, da in diesem Modus der Magnetkreis gesättigt ist und sich der Magnetfluss Ф nicht ändert, wenn sich der Strom Ia ändert.

Die mechanische Charakteristik, also die Abhängigkeit von n von M (Abb. 4, b), kann auf Basis der Abhängigkeiten von n und M von Iya konstruiert werden. Zusätzlich zur natürlichen Charakteristik 1 ist es möglich, eine Familie von Rheostat-Charakteristiken 2, 3 und 4 zu erhalten, indem man einen Rheostat mit dem Widerstand Rp in den Ankerwicklungskreis einfügt.Diese Eigenschaften entsprechen unterschiedlichen Werten von Rn1, Rn2 und Rn3, wobei die Eigenschaft umso niedriger ist, je höher Rn ist.

Die mechanische Charakteristik des betrachteten Motors ist weich und hyperbolisch. Bei geringer Belastung nimmt der magnetische Fluss Ф deutlich ab, die Drehzahl n steigt stark an und kann den maximal zulässigen Wert überschreiten (der Motor läuft wild). Daher können solche Motoren nicht zum Antrieb von Mechanismen verwendet werden, die im Leerlauf und unter geringer Last arbeiten (verschiedene Maschinen, Förderbänder usw.).

Normalerweise beträgt die minimal zulässige Belastung für Motoren mit hoher und mittlerer Leistung (0,2…0,25) Inom. Um ein Leerlaufen des Motors zu verhindern, ist er fest mit dem Antriebsmechanismus verbunden (Zahn- oder Blindkupplung); Die Verwendung eines Riemenantriebs oder einer Reibungskupplung ist nicht akzeptabel.

Trotz dieses Nachteils werden Motoren mit sequentieller Erregung häufig eingesetzt, insbesondere bei großen Lastmomentunterschieden und schwierigen Anlaufbedingungen: in allen Traktionsantrieben (Elektrolokomotiven, Diesellokomotiven, Elektrozüge, Elektroautos, Elektrostapler usw.), sowie in Antrieben von Hebezeugen (Kräne, Aufzüge etc.).

Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass bei einer weichen Kennlinie eine Erhöhung des Lastdrehmoments zu einem geringeren Anstieg der Strom- und Leistungsaufnahme führt als bei unabhängig und parallel erregten Motoren, wodurch reihenerregte Motoren einer Überlastung besser standhalten können.Darüber hinaus haben diese Motoren ein höheres Anlaufmoment als parallel- und unabhängig erregte Motoren, da mit zunehmendem Ankerwicklungsstrom beim Anlauf auch der magnetische Fluss entsprechend zunimmt.

Wenn wir beispielsweise davon ausgehen, dass der kurzzeitige Einschaltstrom das Zweifache des Nennbetriebsstroms der Maschine betragen kann und die Auswirkungen der Sättigung, der Ankerreaktion und des Spannungsabfalls in ihrer Wicklung vernachlässigen, dann beträgt der Das Anlaufdrehmoment ist 4-mal höher als das Nennmoment (sowohl im Strom als auch im magnetischen Fluss erhöht es sich um das 2-fache), und bei Motoren mit unabhängiger und paralleler Erregung ist es nur 2-mal höher.

Tatsächlich steigt der magnetische Fluss aufgrund der Sättigung des Magnetkreises nicht proportional zum Strom an, dennoch ist das Anlaufdrehmoment eines in Reihe erregten Motors unter sonst gleichen Bedingungen viel größer als das Anlaufdrehmoment des gleichen Motors mit unabhängiger oder paralleler Erregung.

Die Abhängigkeiten von n und M von der Leistung P2 der Motorwelle (Abb. 4, c) sind, wie aus den oben diskutierten Positionen folgt, nichtlinear, die Abhängigkeiten von P1, Ith und η von P2 haben die gleiche Form wie für Motoren mit paralleler Erregung.

Gleichstrom-Elektromotor mit gemischter Erregung

In diesem Elektromotor (Abb. 5, a) entsteht der magnetische Fluss Ф durch die gemeinsame Wirkung zweier Erregerspulen – parallel (oder unabhängig) und in Reihe, durch die die Erregerströme Iв1 und Iв2 = Iя fließen

deshalb

wobei Fposl der Magnetfluss der Reihenspule in Abhängigkeit vom Strom Ia ist, Fpar der Magnetfluss der Parallelspule, der nicht von der Last abhängt (er wird durch den Erregerstrom Ic1 bestimmt).

Die mechanischen Eigenschaften eines Elektromotors mit gemischter Erregung (Abb. 5, b) liegen zwischen den Eigenschaften von Motoren mit paralleler (Gerade 1) und serieller (Kurve 2) Erregung. Abhängig vom Verhältnis der magnetomotorischen Kräfte von Parallel- und Reihenwicklungen im Nennbetrieb können die Kennlinien des gemischterregten Motors der Kennlinie 1 (Kurve 3 bei niedrigen ppm der Reihenwicklung) oder der Kennlinie 2 (Kurve 4 bei) angenähert werden niedrige ppm. vs. Parallelwicklung).

Reis. 5. Schematische Darstellung eines Elektromotors mit gemischter Erregung (a) und seiner mechanischen Eigenschaften (b)

Der Vorteil des Gleichstrommotors mit gemischter Erregung besteht darin, dass er aufgrund seiner weichen mechanischen Eigenschaften im Leerlauf arbeiten kann, wenn Fposl = 0. In diesem Modus wird die Rotationsfrequenz seines Ankers durch den magnetischen Fluss Fpar bestimmt und ist begrenzt Wert (Motor läuft nicht).