Механічні та електромеханічні характеристики двигуна незалежного збудження в руховому режимі
Руховий режим отримують при підключенні двигуна до мережі живлення (рис. 2.2, а) як по природній, так і по штучній схемах. При цьому будуть отримані відповідно природні або штучні характеристики.
При живленні двигуна від мережі з напругою Uмер і незмінному магнітному потоці електрична рівновага [див. (2.1) і (2.5)]
Uмер = k Ф w + Ія (Rдв + Rвш) (2.12)
Розв’язуючи рівняння відносно кутової швидкості w, отримаємо
w = Uс/(k Ф) – Ія (Rдв+Rвш)/(k Ф) (2.13)
Співвідношення (2.13) представляє собою рівняння електромеханічної характеристики w = f (Ія).
Якщо до двигуна підведена номінальна напруга Uном, встановлений номінальний струм збудження, тобто Ф = Фном, то при відсутності додаткового опору Rвш отримується природна електромеханічна характеристика
w п = Uном/(kФном) – ІяRдв / (кФном) (2.14)
де w п — швидкість на природній характеристиці. Виходячи зі співвідношення (2.8) струм якоря
Ія=Мем / ( k Ф) (2.15)
Підставляючи в (2.13) і (2.14) співвідношення (2.15), отримуємо рівняння механічної характеристики
w = f (Mем)
або при рівності Мем = М
w = f (М)
У загальному виді рівняння механічної характеристики представиться як
w = Uмер / (kФ) – M (Rдв + Rвш) / (кФ)2. (2.16)
При Uмер = Uном двигуна і Rвш = 0 отримуємо рівняння природної механічної характеристики
w п = Uном / (kФном) – МRдв / (кФ)2 (2.17)
У режимі ідеального холостого ходу, коли Ія = 0 і М = 0, кутова швидкість буде найбільшою. Ця швидкість називається швидкістю ідеального холостого ходу w0. При цьому ЕРС якоря двигуна цілком врівноважує напругу мережі, тобто Uмер = Е, і швидкість w0 визначається значеннями напруги і магнітного потоку:
w0=Uмер / (кФ) (2.18)
Другий член у рівняннях (2.13) і (2.16) обумовлений навантаженням (струмом) двигуна та опором кола якоря і представляє собою статичне падіння (зниження) кутової швидкості Δw відносно w0.
З урахуванням (2.18)
w = w0 - Δw, (2.19)
де Δw = – Iя(Rдв +Rвш) / (кФ)
або
Δw = – М (Rдв + Rвш) / (kФ)2 (2.20)
При вмиканні двигуна за природною схемою статичне падіння швидкості Δw п буде найменшим тому, що в якірному колі відсутній зовнішній опір Rвш.
Співвідношення (2.19) представляє собою рівняння прямої лінії, що перетинається з віссю ординат (швидкості) у точці w0 (рис. 2.3). Внаслідок пропорційної залежності між струмом і моментом, механічні та електромеханічні характеристики представляються на рис. 2.3 однією та тією ж прямою лінією і називаються статичними характеристиками. Їхня назва обумовлена тим, що вони визначають залежність швидкості від моменту або струму в усталеному режимі, коли при моменті навантаження Мст швидкість w = соnst.
При збільшенні Rвш у колі якоря статичне падіння швидкості Δw збільшується. Отже, швидкість двигуна при одному і тому ж навантаженні Мст, стає меншою.
Зображені на рис. 2.3 штучні характеристики при опорах RΣ1=Rдв+Rвш1 і RΣ2 > RΣ1 називаються реостатними тому, що введення цих опорів у коло якоря здійснюється за допомогою пристроїв, які називаються реостатами. Жорсткість реостатних характеристик у порівнянні з жорсткістю природної характеристики зменшується (їх нахил збільшується), тобто характеристики стають більш м'якими. При незначній зміні значення Мст швидкість змінюється тим більше, чим більше Rвш.
Струм якоря в руховому режимі визначається підведеною напругою Uс, яка направлена назустріч ЕРС, що залежить від швидкості ω, і опором кола якоря RΣ:
Iя = (Uмер - E) / RΣ (2.21)
де Е — ЕРС якоря при швидкості ω.
Точки перетинання механічної та електромеханічної характеристик з віссю абсцис визначають момент і струм у режимі короткого замикання.
Струм у цьому режимі залежить тільки від опорів Rдв + Rвш:
Iк = U / (Rдв + Rвш). (2.22)
При пуску двигуна, коли ω = 0 і Е = 0, а опір кола якоря дорівнює Rдв, струм короткого замикання Iк (або початковий пусковий струм) сягає недопустимо великих значень. Так, струм Ік на природній характеристиці у двигунів середньої і великої потужності перевищує номінальний у 10 — 20 разів, а це недопустимо за умовами комутації. Для обмеження Ік у коло якоря вмикають Rвш. Момент, що розвивається двигуном при короткому замиканні, залежить від струму Iк і магнітного потоку Ф:
Mк = k · Ф · Ік. (2.23)
Тому що характеристики представляють собою прямі лінії, то для побудови природної і реостатної характеристик досить знайти по дві їхніх точки. Для природної характеристики одна з них – точка номінального режиму роботи з координатами ω = ωном; Ія = Іном (або М = Мном), інша – точка ідеального холостого ходу двигуна: ω = ω0; Ія = 0 (або М = 0).
Для визначення номінального моменту можна використовувати формулу (2.10), а для знаходження ω0 —формули (2.7) і (2.18):
Величина Rдв визначається за формулою (2.2) або приймається з каталожних даних.
Для побудови реостатної характеристики при введеному в коло якоря опорі Rвш необхідно знайти точки зі значенням швидкості ωномR при номінальному навантаженні двигуна, тобто при w = ωномR і Iя = Iном (або M = Mном). Потрібна швидкість на реостатній характеристиці знаходиться з рівняння електромеханічної характеристики (2.13):
(2.24)
або
(2.24а)
де Еш – ЕРС якоря при роботі двигуна на штучній характеристиці.
Аналізуючи рівняння (2.13) і (2.16), можна зробити висновок, що на швидкість двигуна, а отже, на його електромеханічні та механічні характеристики можна впливати не тільки введенням реостата в коло якоря, але і зміною підведеної напруги Uс, і зміною магнітного потоку Ф. При цьому характеристики будуть теж штучними.
При різних значеннях напруги 
швидкість двигуна на підставі рівняння механічної характеристики (2.16) буде змінюватися в а раз:
w = a Uном / (kФ) – М RΣ / (кФ)2 (2.25)
або при навантаженні Мст
ωш = a ωп (2.26)
де ωш і ωп — швидкість на штучній і природній характеристиках; a - коефіцієнт зміни підведеної напруги.
При цьому на штучній характеристиці швидкість ідеального холостого ходу
ω0.ш= а Uном / (кФ) (2.27)
Нахил характеристик при зміні напруги живлення не змінюється тому, що опір кола якоря незмінний:
Δω = - М RΣ / (kФ)2.
Таким чином, при зміні напруги на якорі двигуна характеристики переміщуються паралельно самим собі (рис. 2.4).
При зменшенні в ν разів (ν < 1) магнітного потоку, а також незмінних напрузі на якорі та опорі якірного кола на підставі рівнянь (2.13) і (2.14) швидкість двигуна буде збільшуватися. Швидкість ідеального холостого ходу і статичне падіння швидкості представляється відповідно як
ω0.ш = Uмер / (k ν Ф) = ω0.п / ν; (2.28)
Δωш = - Ія (Rдв + Rвш) / (k ν Ф) = Δωп / ν (2.29)
Електромеханічні характеристики при зменшенні магнітного потоку (рис. 2.5, а) перетинаються в одній точці на осі абсцис при струмі короткого замикання Iк = Uмер / RΣ. Жорсткість характеристик по мірі зменшення Ф зменшується.
Статичне падіння швидкості на штучних механічних характеристиках (рис. 2.5, б) при Ф < Фном у порівнянні з падінням швидкості на природній характеристиці зростає в 1/Ф*2 разів [див. (2.16)].
Рисунок 2.5 – Характеристики двигуна незалежного збудження при зменшенні магнітного потоку
Оскільки момент короткого замикання Мк = k Ф Ік, зі зменшенням Ф значення Мк двигуна зменшується.