מעגלים חשמליים זרם ישר ומאפייניהם

נכסים מנועי DC נקבעים בעיקר על ידי אופן הפעלת סליל העירור. בהתאם לכך, מנועים חשמליים נבדלים:

1. מעורר באופן עצמאי: סליל העירור מופעל על ידי מקור DC חיצוני (מעורר או מיישר),

2. עירור מקביל: פיתול השדה מחובר במקביל לליפוף האבזור,

3. עירור סדרה: פיתול העירור מחובר בסדרה עם פיתול האבזור,

4. עם עירור מעורב: יש שני פיתולי שדה, האחד מחובר במקביל לפיתול האבזור והשני בסדרה איתו.

לכל המנועים החשמליים הללו יש את אותו התקן ונבדלים זה מזה רק בבניית סליל העירור. פיתולי העירור של מנועים חשמליים אלה מבוצעים באותו אופן כמו ב גנרטורים בהתאמה.

מנוע חשמלי DC נרגש באופן עצמאי

במנוע חשמלי זה (איור.1, א) פיתול האבזור מחובר למקור הזרם הישר הראשי (רשת זרם ישר, גנרטור או מיישר) עם מתח U, ופיתול העירור מחובר למקור עזר עם מתח UB. rheostat ויסות Rp כלול במעגל של סליל העירור, rheostat התחלתי Rn כלול במעגל של סליל האבזור.

ריאוסטט הוויסות משמש לוויסות מהירות האבזור של המנוע והריאוסטט ההתנעה משמש להגבלת הזרם בפיתול האבזור בעת ההתנעה. תכונה אופיינית של המנוע החשמלי היא שזרם העירור שלו Iv אינו תלוי בזרם Ii בפיתול האבזור (זרם עומס). לכן, אם מזניחים את אפקט הדה-מגנטיזציה של תגובת האבזור, אנו יכולים להניח בערך ששטף המנוע F אינו תלוי בעומס. התלות של המומנט האלקטרומגנטי M והמהירות n בזרם I יהיו לינאריות (איור 2, א). לכן, המאפיינים המכניים של המנוע יהיו גם ליניאריים - התלות n (M) (איור 2, ב).

בהיעדר ריאוסטט עם התנגדות Rn במעגל האבזור, המהירות והמאפיינים המכניים יהיו קשיחים, כלומר עם זווית נטייה קטנה לציר האופקי, שכן מפל המתח IяΣRя בפיתולי המכונה הכלולים ב. מעגל האבזור בעומס מדורג הוא רק 3-5% מ- Unom. מאפיינים אלה (קווים ישרים 1 באיור 2, a ו-b) נקראים טבעיים. כאשר ריאוסטט עם התנגדות Rn כלול במעגל האבזור, זווית הנטייה של מאפיינים אלו גדלה, וכתוצאה מכך ניתן לקבל משפחה של מאפייני ריאוסטטים 2, 3 ו-4, התואמים לערכים שונים של Rn1, Rn2 ו-Rn3.

אורז. 1.דיאגרמות סכמטיות של מנועי DC עם עירור עצמאי (א) וקבילי (ב).

אורז. 2. מאפיינים של מנועים חשמליים זרם ישר עם עירור עצמאי ומקביל: a - מהירות ומומנט, b - מכאני, c - עבודה ככל שההתנגדות Rn גדולה יותר, כך זווית הנטייה של המאפיין של ריאוסטט גדולה יותר. הוא רך יותר.

הראוסטט המווסת Rpv מאפשר לך לשנות את זרם עירור המנוע Iv ואת השטף המגנטי שלו F. במקרה זה, גם תדר הסיבוב n ישתנה.

לא מותקנים מתגים ונתיכים במעגל של סליל העירור, כי כאשר מעגל זה מופסק, השטף המגנטי של המנוע החשמלי יורד בחדות (רק שטף המגנטיות השיורית נשאר בו) ומתרחש מצב חירום. המנוע פועל במהירות סרק או עומס קל על הציר, ואז המהירות עולה בחדות (המנוע זז). במקרה זה, הזרם באבזור המתפתל איה גדל באופן משמעותי ועלולה להתרחש שריפה מקיפה. כדי להימנע מכך, על המיגון לנתק את המנוע החשמלי ממקור החשמל.

העלייה החדה במהירות הסיבוב כאשר מעגל סליל העירור מופרע מוסברת על ידי העובדה שבמקרה זה השטף המגנטי Ф (עד ערך שטף Fost מהמגנטיות השיורית) ו- e. וכו ' נ' ה' וגוברת איה הנוכחית. ומכיוון שהמתח המופעל U נשאר ללא שינוי, תדר הסיבוב n יגדל ל-e. וכו ' ג.E לא יגיע לערך השווה בקירוב ל-U (שנחוץ למצב שיווי המשקל של מעגל האבזור, שבו E = U — IяΣRя.

כאשר עומס הציר קרוב לזה המדורג, המנוע החשמלי יעצור במקרה של הפסקה במעגל העירור, מכיוון שהמומנט האלקטרומגנטי שהמנוע יכול לפתח עם הפחתה משמעותית בשטף המגנטי יורד ונהיה קטן מהמומנט. של עומס הפיר. במקרה זה, גם הזרם איה עולה בחדות ויש לנתק את המכונה ממקור החשמל.

יש לציין שמהירות הסיבוב n0 מתאימה למהירות סרק אידיאלית כאשר המנוע אינו צורך אנרגיה חשמלית מהרשת והמומנט האלקטרומגנטי שלו הוא אפס. בתנאים אמיתיים, במצב סרק, המנוע צורך מהרשת את זרם הסרק I0, הדרוש כדי לפצות על הפסדי כוח פנימיים, ומפתח מומנט מסוים M0, הדרוש כדי להתגבר על כוחות החיכוך במכונה. לכן, במציאות מהירות הסרק קטנה מ-n0.

התלות של מהירות הסיבוב n והמומנט האלקטרומגנטי M בהספק P2 (איור 2, ג) מציר המנוע, כדלקמן מהיחסים הנחשבים, היא ליניארית. התלות של זרם מתפתל האבזור Iya ושל ההספק P1 ב-P2 הן גם ליניאריות למעשה. זרם I והספק P1 ב-P2 = 0 מייצגים את זרם הסרק I0 ואת ההספק P0 הנצרך במצב סרק. עקומת היעילות אופיינית לכל המכונות החשמליות.

עירור מקביל של זרם ישר של מנוע חשמלי

במנוע חשמלי זה (ראה איור 1, ב) פיתולי העירור והאבזור מוזנים מאותו מקור אנרגיה חשמלית עם מתח U. ריאוסטט מווסת Rpv כלול במעגל של פיתול העירור וראוסטט התחלתי Rp כלול במעגל המתפתל על העוגן.

במנוע החשמלי הנדון, יש בעצם אספקה ​​נפרדת של מעגלי פיתול האבזור והעירור, וכתוצאה מכך זרם העירור Iv אינו תלוי בזרם מתפתל האבזור Iv. לכן, למנוע העירור המקביל יהיו אותם מאפיינים כמו למנוע העירור העצמאי. עם זאת, מנוע עירור מקביל יפעל כרגיל רק כאשר הוא מופעל על ידי מקור DC מתח קבוע.

כאשר המנוע החשמלי מופעל על ידי מקור בעל מתח שונה (גנרטור או מיישר מבוקר), ירידה במתח האספקה ​​U גורמת לירידה מקבילה בזרם העירור Ic ובשטף המגנטי Ф, מה שמוביל לעלייה באבזור זרם מתפתל איה. זה מגביל את האפשרות לכוונן את מהירות האבזור על ידי שינוי מתח האספקה ​​U. לכן, מנועים חשמליים המיועדים להיות מופעלים על ידי גנרטור או מיישר מבוקר חייבים להיות בעלי עירור עצמאי.

עירור מסדרת זרם ישר של מנוע חשמלי

כדי להגביל את זרם ההתחלה, ריאוסטט ההתנעה Rp (איור 3, a) כלול במעגל של פיתול האבזור (איור 3, a) וכדי לווסת את מהירות הסיבוב במקביל לליפוף העירור על ידי התאמת הריאוסטט. ניתן לכלול Rpv.

אורז. 3. דיאגרמה סכמטית של מנוע DC עם עירור סדרתי (א) והתלות של השטף המגנטי שלו Ф בזרם I בפיתול האבזור (ב)

אורז. 4. מאפיינים של מנוע DC עם עירור רציף: a - מהירות גבוהה ומומנט, b - מכני, c - עובדים.

מאפיין אופייני של מנוע חשמלי זה הוא שזרם העירור שלו Iv שווה או פרופורציונלי (כאשר ה-Rheostat Rpv מופעל) לזרם של האבזור המתפתל את Iya, לכן השטף המגנטי F תלוי בעומס המנוע (איור 3, ב).

כאשר זרם מתפתל האבזור Iya קטן מ-(0.8-0.9) מהזרם הנקוב Inom, המערכת המגנטית של המכונה אינה רוויה וניתן להניח שהשטף המגנטי Ф משתנה ביחס ישר לזרם Iia. לכן, מהירות האופיינית של המנוע החשמלי תהיה רכה - ככל שהזרם I גדל, מהירות הסיבוב n תקטן בחדות (איור 4, א). ירידה במהירות הסיבוב n נובעת מעלייה במפל המתח IjaΣRja. בהתנגדות הפנימית Rα. מעגלים מתפתלים של אבזור, כמו גם בשל עלייה בשטף המגנטי F.

המומנט האלקטרומגנטי M עם עלייה בזרם Ija יגדל בחדות, מכיוון שבמקרה זה השטף המגנטי Ф גדל גם הוא, כלומר, הרגע M יהיה פרופורציונלי לזרם Ija. לכן, כאשר ה-Iya הנוכחי קטן מ-(0.8 N-0.9) Inom, למאפיין המהירות יש צורה של היפרבולה, ולמאפיין הרגע יש צורה של פרבולה.

בזרמים Ia> Ia, התלות של M ו-n ב-Ia היא ליניארית, שכן במצב זה המעגל המגנטי יהיה רווי והשטף המגנטי Ф לא ישתנה כאשר הזרם Ia משתנה.

את המאפיין המכאני, כלומר התלות של n ב-M (איור 4, ב), ניתן לבנות על בסיס התלות של n ו-M באיה. בנוסף למאפיין הטבעי 1, ניתן לקבל משפחה של מאפייני ריאוסטטים 2, 3 ו-4. על ידי הכללת ריאוסטט עם התנגדות Rp במעגל מתפתל האבזור.מאפיינים אלו תואמים לערכים שונים של Rn1, Rn2 ו-Rn3, בעוד שככל שה-Rn גבוה יותר, כך המאפיין נמוך יותר.

המאפיין המכאני של המנוע הנחשב הוא רך והיפרבולי. בעומסים נמוכים, השטף המגנטי Ф יורד באופן משמעותי, מהירות הסיבוב n עולה בחדות ועשויה לחרוג מהערך המרבי המותר (המנוע משתולל). לכן, מנועים כאלה לא יכולים לשמש להנעת מנגנונים הפועלים במצב סרק ותחת עומס נמוך (מכונות שונות, מסועים וכו').

בדרך כלל, העומס המינימלי המותר למנועי הספק גבוה ובינוני הוא (0.2… 0.25) אינום. כדי למנוע מהמנוע לפעול ללא עומס, הוא מחובר היטב למנגנון ההנעה (צימוד שיניים או עיוור); השימוש בהנעת רצועה או במצמד חיכוך אינו מקובל.

למרות החיסרון הזה, נעשה שימוש נרחב במנועים עם עירור רציף, במיוחד כאשר יש הבדלים גדולים במומנט העומס ובתנאי התנעה חמורים: בכל כונני המתיחה (קטרים ​​חשמליים, קטרי דיזל, רכבות חשמליות, מכוניות חשמליות, מלגזות חשמליות וכו'). וכן בהנעים של מנגנוני הרמה (מנופים, מעליות וכו').

זה מוסבר על ידי העובדה שעם מאפיין רך, עלייה במומנט העומס מובילה לעלייה נמוכה יותר בצריכת הזרם וההספק מאשר במנועים מושכים באופן עצמאי ומקבילי, שבגללה מנועים נרגשים בסדרה יכולים לעמוד טוב יותר בעומס יתר.בנוסף, למנועים אלו יש מומנט התנעה גבוה יותר מאשר למנועים מקבילים ומעורבים באופן עצמאי, מכיוון שככל שזרם מתפתל האבזור גדל במהלך ההתנעה, גם השטף המגנטי גדל בהתאם.

אם נניח, למשל, שזרם הכניסה לטווח הקצר יכול להיות פי 2 מזרם הפעולה הנקוב של המכונה ולהזניח את ההשפעות של הרוויה, תגובת האבזור וירידת המתח בפיתול שלה, אז במנוע מעורר סדרה, מומנט ההתחלה יהיה גבוה פי 4 מהנומינלי (גם בזרם וגם בשטף המגנטי הוא גדל פי 2), ובמנועים עם עירור עצמאי ומקביל - רק פי 2 יותר.

למעשה, בשל הרוויה של המעגל המגנטי, השטף המגנטי אינו גדל ביחס לזרם, אך עם זאת, מומנט ההתחלה של מנוע מעורר סדרה, בהיותם שווים, יהיה גדול בהרבה ממומנט ההתחלה. של אותו מנוע עם עירור עצמאי או מקביל.

התלות של n ו-M בהספק P2 של ציר המנוע (איור 4, ג), כדלקמן מהמצבים שנדונו לעיל, אינן ליניאריות, התלות של P1, Ith ו-η ב-P2 היא אותה צורה כמו עבור מנועים עם עוררות מקבילה.

מנוע חשמלי זרם ישר עירור מעורב

במנוע חשמלי זה (איור 5, א) השטף המגנטי Ф נוצר כתוצאה מפעולה משותפת של שני סלילי עירור - מקבילים (או עצמאיים) וסדרתיים, שדרכם זרמי העירור Iв1 ו-Iв2 = Iя

בגלל זה

כאשר Fposl - השטף המגנטי של סליל הסדרה, בהתאם לזרם Ia, Fpar - השטף המגנטי של הסליל המקביל, שאינו תלוי בעומס (הוא נקבע על ידי זרם העירור Ic1).

המאפיין המכאני של מנוע חשמלי עם עירור מעורב (איור 5, ב) נמצא בין המאפיינים של מנועים עם עירור מקביל (קו ישר 1) וסדרה (עקומה 2). בהתאם ליחס הכוחות המגנטו-מוטיביים של פיתולים מקבילים וסדרתיים במצב המדורג, ניתן להעריך את המאפיינים של מנוע עירור מעורב למאפיין 1 (עקומה 3 בעמודים לדקה נמוכים של פיתול הסדרה) או למאפיין 2 (עקומה 4 בשעה עמודים לדקה נמוכים לעומת סלילה מקבילה).

אורז. 5. תרשים סכמטי של מנוע חשמלי עם עירור מעורב (א) והמאפיינים המכניים שלו (ב)

היתרון של מנוע DC עם עירור מעורב הוא בכך שהוא, בעל מאפיין מכני רך, יכול לפעול במצב סרק כאשר Fposl = 0. במצב זה, תדירות הסיבוב של האבזור שלו נקבעת על ידי השטף המגנטי Fpar ויש לו ערך מוגבל ערך (המנוע לא פועל).