Как видно из схемы включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 1), ток якоря двигателя является его током возбуждения. Это обусловливает изменение магнитного потока в широком диапазоне, что оказывает существенное влияние на вид механической характеристики.
Считая магнитную цепь двигателя ненасыщенной и зависимость между током возбуждения и магнитным потоком линейной, можно написать:
Как видно из выражения, механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения имеет гиперболический характер. В реальных машинах зависимость между током возбуждения и магнитным потоком нелинейна и определяется кривой намагничивания. В связи с этим выражение дает лишь общее представление о механической характеристике.
Для построения механических характеристик двигателя последовательного возбуждения используют графические либо графоаналитические методы. Естественную механическую характеристику при этом строят по зависимостям n = f(I) и М = ф(I), приводимым в каталогах. На рис. 1 показаны механические характеристики двигателя последовательного возбуждения в различных режимах. Уменьшение магнитного потока, вызванное уменьшением тока якоря, приводит к повышению угловой скорости двигателя, особенно значительному в зоне малых моментов. Работа в режиме холостого хода невозможна. При введении резисторов в цепь якоря механические характеристики смещаются вниз, наклон их возрастает. Искусственные механические характеристики строят по точкам.
Для этого определяют угловую скорость двигателя при работе с введенными в цепь якоря резисторами. Угловая скорость двигателя на естественной характеристике:
где rд — сопротивление двигателя — обмотки якоря в возбуждения.
Угловая скорость двигателя на искусственной характеристике:
где rр — сопротивление резистора.
Рис. 1. Схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения: 1 - естественная; 2, 3, 4, 5 - искусственные
При работе двигателя на естественной и искусственной характеристиках с одинаковыми токами якоря величина сФ будет одной и той же. Это позволяет записать:
Задаваясь рядом значений токов I и определяя по естественной характеристике соответствующие им значения we, подсчитываю wи. По заданной зависимости M = ф(I) находят величину М, соответствующую токам I. По точкам wи, М строят искусственную механическую характеристику.
Пусковые резисторы для двигателей последовательного возбуждения можно рассчитать, воспользовавшись следующим графо-аналитическим методом (рис. 2). На оси абсцисс вправо от начала координат откладывают ток включения I1 и ток переключения I2. Точки на естественной характеристике, соответствующие угловым скоростям при этих токах, сносят на вертикаль Af (точки f, е). Отрезок АО при этом дает в масштабе величину сопротивления двигателя rд. Находят сопротивления r1 = U/I1 и r2 = U/I2. Их величину в масштабе откладывают влево от начала координат (отрезки Оа, Og). Точки g и f, а и е соединяют прямыми, которые представляют собой зависимость w = f(r) при I2 = const и I1 = const соответственно.
Рис. 2. К расчету пусковых резисторов двигателя последовательного возбуждения
Пуск двигателя осуществляется с полным сопротивлением цепи якоря, равным r1 (отрезок Оа), и током, потребляемым из сети I1 (точка а). По мере разгона двигателя (отрезок ab) ток якоря уменьшается, сопротивление цепи якоря остается постоянным (отрезок Оа).
В точке b угловая скорость двигателя равна w1, ток якоря равен току переключения I2.
Происходит шунтирование первой ступени пускового резистора. Полное сопротивление цепи якоря при этом определяется отрезком сс1; ток в цепи якоря возрастает до величины I1 (точка с).
Продолжается разгон двигателя (отрезок cd). В точке d угловая скорость двигателя достигает величины w2, ток — I2. Шунтируют вторую ступень пускового резистора. Ток двигателя возрастает при этом до величины I1, полное сопротивление цепи якоря определяется отрезком ее1, равным сопротивлению rд. Двигатель выходит на естественную характеристику. Как видно из построения, отрезки bс и de дают величину сопротивления первой и второй ступени соответственно.
Торможение в приводах с двигателями последовательного возбуждения: используется только два режима — торможение противовключением и динамическое торможение.
Торможение противовключением осуществляется так же, как и у двигателя независимого возбуждения — введением резисторов в цепь якоря (тормозной спуск в грузоподъемных механизмах), либо изменением полярности напряжения на зажимах якоря двигателя. Для ограничения тока одновременно вводится резистор. Механические характеристики при этом показаны на рис. 1, б — участки cd и ef характеристик 4, 5.
Динамическое торможение двигателя может быть осуществлено как при независимом возбуждении, так и с самовозбуждением.
В первом случае обмотка последовательного возбуждения подключается к сети вместе с ограничительным резистором. Двигатель работает в режиме генератора независимого возбуждения. Механические характеристики при этом будут такими же, как и у двигателей независимого возбуждения (см. рис. 3, прямые 6, 7).
Во втором случае обмотка якоря, включенная последовательно с обмоткой возбуждения, замыкается на резистор. Двигатель работает в режиме генератора последовательного возбуждения. Для осуществления самовозбуждения при этом направление тока в обмотке возбуждения должно остаться неизменным.
Регулирование частоты вращения n двигателей последовательного возбуждения осуществляется как и у двигателей независимого возбуждения изменением сопротивления в цепи якоря, изменением величины магнитного потока, либо напряжения на якоре двигателя.
Регулирование n изменением сопротивления в цепи якоря осуществляется ступенчато, вниз от номинальной (характеристики 2, 3, 4 на рис. 1, б). Диапазон регулирования зависит от величины момента сопротивления и не превышает 3:1. Регулирование неэкономично, однако благодаря своей простоте находит применение в крановых и тяговым установках.
Для получения жестких механических характеристик при низких частотах вращения используются схемы с шунтированием якоря (рис. 4). Ток возбуждения Iп в этом случае равен сумме токов якоря I и Iш. При данном значении тока якоря I и уменьшении сопротивления резистора rш токи Iш и Iп возрастают. Это приводит к увеличению магнитного потока двигателя и падению напряжения на резисторе rп. Угловая скорость двигателя снижается. При этом возможна работа двигателя на низких угловых скоростях и в режиме холостого хода (рис. 4, кривые 2, 3).
Вследствие низкой экономичности схемы с шунтированием якоря используют только для кратковременной работы на небольших угловых скоростях.
Регулирование n изменением тока возбуждения осуществляется ступенчато, вверх от номинальной. С этой целью обмотку возбуждения шунтируют резистором с небольшим сопротивлением, что приводит к уменьшению тока возбуждения при данном значении тока якоря, к ослаблению магнитного потока и росту угловой скорости. Диапазон регулирования в этом случае не превышает 2:1. Регулирование экономично.
Регулирование n изменением напряжения. Изменение U осуществляют либо путем питания двигателя от отдельного источника с регулируемым напряжением, либо за счет последовательно-параллельного включения якорей двух двигателей, приводящих в движение один и тот же механизм.
При последовательном включении якорей напряжение на их выводах уменьшается в два раза, соответственно уменьшается и частота вращения. Регулирование— экономично, без потерь в каких-либо резисторах.
