Двигатели постоянного тока: принцип действия, пуск, регулирование скорости вращения, искусственные характеристики.

Различают статические и динамические режимы работы двигателей. В статическом режиме ω=const; I_Я=const; U_ДВ=const и он описывается так называемыми механическими характеристиками

.

В статическом режиме двигатель независимого возбуждения описывается следующей системой уравнений:

где первое уравнение - уравнение якорной цепи, второе и третье - и , четвертое - механическое уравнение, пятое - уравнение цепи возбуждения.

Из первых четырех уравнений получим уравнение механической характеристики:

Поскольку применяемые в системах автоматического управления двигатели являются управляемыми, различают два типа управления двигателями постоянного тока - якорное управление и полюсное управление.

При якорном управлении производится изменение напряжения, подаваемого в якорную цепь без изменения возбуждения. При полюсном управлении, наоборот, меняется поле возбуждения путем изменения тока в обмотках главных полюсов i_B. Для расширения диапазона управления применяют также комбинированное управление.

При полюсном управлении Ф_B=const, поэтому уравнение механической характеристики согласно будет иметь вид:

Графически эта характеристика при фиксированном напряжении на двигателе представляет собой прямую, пересекающую координатные оси в точках ω₀ и M_К.З. (см. ), где ω₀- частота вращения холостого хода, а M_К.З.- момент короткого замыкания, когда ротор двигателя неподвижен.

Рис. 5-6а. Статическая характеристика ДПТ.

Электрическая машина работает в режиме двигателя при 0<M<M_К.З., при M>M_К.З. происходит вращение двигателя в противоположную сторону под действием внешнего момента - машина работает в режиме тормоза (режим противовключения), при ω>ω₀ машина работает в режиме генератора на сеть, имеющую напряжение U_H.

Рис. 5-6б. Статическая характеристика ДПТ.

Механические характеристики при различных напряжениях питания двигателя выглядят, как семейство прямых, показанных на . Часто их строят в функции тока якоря I_Я, тогда аналитическое выражение для механических характеристик примет вид:

,

откуда видно, что падение скорости при нагрузке двигателя зависит исключительно от сопротивления якорной цепи R_Я.

Кроме механических, существуют регулировочные характеристики. Для якорного управления это зависимость частоты вращения от напряжения питания U_ДВ. Вид этих характеристик показан на , где U_ТР- напряжение трогания двигателя.

Регулировочная характеристика для полюсного управления может быть получена из при U_ДВ=const.

Рис. 5-6в. Статическая характеристика ДПТ.

Вид этих характеристик при различных нагрузках показан на .

Рис. 5-6г. Статическая характеристика ДПТ.

Для холостого хода, когда M=0, эта характеристика имеет вид гиперболы

Двигатель постоянного тока как динамическая система описывается следующими уравнениями в операторной форме:

На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как динамической системы ( ).

Рис. 5-7а. Структурная схема ДПТ.

Из структурной схему получим передаточные функции двигателя:

где - коэффициент передачи, - постоянная времени якоря, - электромеханическая постоянная времени.

Пользуясь формулой Хевисайда, по передаточным функциям можно построить переходные процессы, например при пуске двигателя, как это показано на .

Рис. 5-7б. Переходный процесс при пуске ДПТ.

При T_M»T_Я, как это обычно бывает, получим выражения для тока и скорости при пуске:

Для анализа динамики двигателя постоянного тока при полюсном управлении рассматривают уравнения, аналогичные уравнениям в отклонениях, так как регулировочная характеристика при полюсном управлении является нелинейной.

Рис. 5-8б. Переходный процесс при пуске ДПТ при полюсном управлении.