Электрический привод и электрооборудование в АПК. Ч. 2: Регулирование двигателя постоянного тока

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД
И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

В АПК

Часть 2

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Учебное пособие

Новосибирск 2014

УДК 621.3–83 + 621.3 (0.75)
ББК  40.76, Я76

Э 453

Составители: канд. техн. наук, доц. А. Ю. Кузнецов, П. В. Зонов

Рецензент канд. техн. наук, доц. В. К. Власов (СГУПС)

Электрический привод и электрооборудование в АПК. Ч. 2: Ре
гулирование двигателя постоянного тока: учеб. пособие / Новосиб. 
гос. аграр. ун-т, Инженер. ин-т; сост.: А. Ю. Кузнецов, П. В. Зонов. – Новосибирск: ИЦ «Золотой колос», 2014. – 68 с.

В учебном пособии приведены основные теоретические сведения о кон
струкции и работе двигателя постоянного тока с независимым, параллельным, 
последовательным и смешанным возбуждением, а также электрических приводов на его основе. Рассмотрены вопросы регулирования координат электрического привода в разомкнутых и замкнутых структурах.

Предназначено для студентов всех форм обучения направления подготовки 

110800.62 – Агроинженерия по дисциплине «Электрический привод и электрооборудование в АПК», а также для студентов, слушающих курс «Электрический 
привод».

Утверждено и рекомендовано к изданию методическим советом Инженер
ного института (протокол № 25 от 25 февраля 2014 г.).

©  Новосибирский государственный 

аграрный университет, 2014

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельно
го изучения разделов дисциплины «Электрический привод 
и электрооборудова ние в АПК». Оно знакомит студентов 
с основными теоретическими положениями электрического 
привода постоянного тока.

Учебное пособие разработано с учетом требований 

ФГОС ВПО по направлению подготовки 110800.62 – Агроинженерия в соответствии с программой учебной дисциплины 
«Электрический привод и электрооборудование в АПК».

В процессе освоения дисциплины у студентов формиру
ются сле дующие компетенции:

– способность к принятию организационно-управлен
ческих решений и готовность нести за них ответственность 
(ОК-4);

– стремление к саморазвитию, повышению своей ква
лификации и мастерства, владение навыками самостоятельной работы (ОК-6);

– способность использовать современные методы мон
тажа, наладки машин и установок, поддержания режимов работы электрифицированных и автоматизированных 
технологических процессов, непосредственно связанных 
с биологическими объектами (ПК-13);

– готовность изучать и использовать научно-техниче
скую информацию, отечественный и зарубежный опыт по 
тематике исследований (ПК-19);

– готовность к участию в проектировании технических 

средств и технологических процессов производства, систем 
электрификации и автоматизации сельскохозяйственных 
объектов (ПК-23);

– готовность к участию в проектировании новой техни
ки и технологий (ПК-25).

1. ТЕОРИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из трех ос
новных частей: статора с обмоткой возбуждения, ротора 
с якорной обмоткой и щеточно-коллекторного узла, необходимого для подведения напряжения к обмотке якоря (ОЯ). 
При этом щетки неподвижны, а коллектор жестко связан 
с якорем.

В ДПТ для улучшения условий коммутации могут быть 

также предусмотрены дополнительные полюсы, а для компенсации поперечной реакции якоря – компенсационные 
обмотки на полюсах статора.

1

2

3

4

5
6
7

8

9

Рис. 1. Устройство двигателя постоянного тока

На рис. 1 показано устройство двигателя постоянного 

тока. К станине 6 болтами крепят главные полюсы, состоящие из сердечника 4 и катушки обмотки возбуждения 5. 
С торцовых сторон к станине крепят боковые щиты 7 с подшипниками, удерживающими вал машины. Якорь ДПТ состоит из сердечника 3, обмотки 9 и коллектора 1. На валу 
якоря укреплен вентилятор 8, на коллекторе помещены неподвижные щетки 2.

В зависимости от способа электромагнитного возбуж
дения ДПТ подразделяют на ДПТ с независимым (НВ), последовательным (ПВ) и смешанным (СВ) возбуждением. 
Иногда встречается название «ДПТ с параллельным возбуждением», однако такой ДПТ является частным случаем 
ДПТ с независимым возбуждением, и этот термин применяется как доопределяющий.

1.1. Уравнение электромеханической характеристики 

ДПТ с независимым возбуждением

Схема включения ДПТ с НВ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения ДПТ с НВ

Для ДПТ с НВ справедлива система уравнений, описы
вающая его статическое состояние:

U
I
R
E
=
⋅
+
,

E
cE
=
⋅ω,
(1.1)

M
c
I
M
=
⋅ ,

где U –  напряжение питания якорной цепи, В; R – суммар
ное сопротивление якорной цени, Ом, R = Rя + Rд, 

Rя – сопротивления обмотки якоря, Rд – добавочное 
сопротивление в цепи якоря; M – электромагнитный момент, Н·м; I – ток якоря, А; ω – угловая скорость вращения двигателя, рад/с; E – ЭДС вращения 
якоря, 
В; 
cE 
и 
cM 
– 
коэффициенты 

пропорциональности; 
k
p N
a
=
⋅
⋅
⋅
2 π
 – постоянная 

ДПТ (p – число пар полюсов; N – число активных 
проводников обмотки якоря; a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря).

При использовании системы единиц СИ имеет место 

численное равенство, которые можно обозначить через коэффициент пропорциональности с: cE = cM = с = k·Ф, где 
k – конструктивный коэффициент двигателя; Ф – магнитный поток, Вб.

Решая совместно первые два уравнения в системе (1.1), 

можно получить уравнение электромеханической характеристики ДПТ, которое определяет зависимость ω = f I
( ):

ω =
−
⋅

⋅

U
I
R

k Φ
. 
 (1.2)

1.1.1. Графическое изображение 

электромеханической характеристики

Из пропорциональной связи между I и M следует, что 

графики механической и электромеханической характеристик ДПТ с НВ при соответствующем масштабировании по 
оси абсцисс величин I и M совпадают, поэтому часто обозначение оси абсцисс приводится как M(I).

Из анализа уравнения электромеханической харак
теристики (1.2) следует, что она может быть представлена прямой линией (рис. 3) при неизменных величинах 
U, Ф и R.

Рис. 3. Механические (электромеханические) характеристики ДПТ с НВ в двигательном режиме при различ
ных значениях добавочного сопротивления Rд1 < Rд2

Характеристика, полученная при номинальном зна
чении напряжения на якоре Uном, номинальном магнитном потоке Фном и отсутствии внешних резисторов 
в якорной цепи, называется естественной. При изменении хотя бы одного из указанных параметров электромеханическая характеристика называется искусственной.
Таким образом, ДПТ с НВ обладает лишь одной естественной характеристикой и множеством искусственных характеристик.

1.1.2. Анализ уравнений 

электромеханической характеристики

Скорость холостого хода
При I = 0 имеет место режим идеального холостого хода 

и при этом

ω0 =
⋅
U

k Ô .  
 (1.3)

Ток короткого замыкания
С увеличением нагрузки на валу ДПТ возрастает и ток яко
ря I, т. к. M = k·Ф·I, а это, в свою очередь, ведет к снижению ω. 

Если к якорю подведено напряжение, то при ω = 0 имеет место 
режим короткого замыкания, при котором, как следует из (1.2), 
ток короткого замыкания (называемый также пусковым током)

I
U
R

êç =
.  
(1.4)

Максимальное значение тока короткого замыкания име
ет место при Rд = 0, когда R = Rя, и оно может в десятки раз 
превышать величину номинального значения Iном тока якоря 
двигателя, т. к. Rя величина сравнительно мала.

Реально режим короткого замыкания имеет место крат
ковременно, при пуске двигателя и при стопорении двигателя моментом сопротивления.

Ограничение величины Iкз.
При прямом пуске двигателя значения тока Iкз  Iном , по
этому якорная обмотка может быстро перегреться и выйти 
из строя. Кроме того, большие токи негативно влияют и на 
работоспособность щеточно-коллекторного узла.

Это обусловливает необходимость ограничения Iкз до 

допустимой величины либо введением дополнительного 
сопротивления в якорную цепь Rд, либо уменьшением значения питающего напряжения U.

Величина максимально допустимого тока Imax.доп опреде
ляется коэффициентом перегрузки по току:

k
I
I
ò
äîï

íîì
=
max .
, 
 (1.5)

принимающим значения от 2 до 5 (зависит от типа ДПТ).

Максимально допустимый ток короткого замыкания 

должен соответствовать неравенству

I
k
I
äîï
ò
íîì
max .
<
⋅
. 
 (1.6)

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой 

пуск без добавочных сопротивлений, но с ростом габаритов 

ДПТ необходимо производить реостатный пуск, особенно 
если привод с ДПТ используется в напряженных режимах 
с частыми пусками и торможениями.

Практически следует помнить, что если не ограничи
вать пусковые токи, то частыми пусками можно сжечь обмотку якоря ДПТ.

При введении Rд в цепь якоря жесткость электромехани
ческой характеристики, как видно из рис. 3, уменьшается.

1.1.3. Уравнение механической характеристики

ДПТ с НВ

С учетом третьего уравнения в системе (1.1) уравнение 

(1.2) можно переписать в виде зависимости ω = f(M), представляющей собой механическую характеристику ДПТ:

ω =
⋅
−
⋅
⋅

U

k Ô
M
R
k Ô 2 . 
 (1.7)

Данное уравнение определяет зависимость угловой ско
рости вращения от момента на валу двигателя. Поскольку 
в статике вращающий момент M равен моменту сопротивления Mc на валу ДПТ, то это уравнение определяет зависимость ω от Mc.

Следует отметить, что величина электромагнитного мо
мента M превышает выходной момент на валу на величину, 
соответствующую потерям в стали и механическим потерям 
от трения, но в большинстве практических расчетов указанными потерями можно пренебречь.

Коэффициент пропорциональности k · Ф можно считать 

постоянным для тех ДПТ с НВ, у которых имеются компенсационные обмотки, или в случае, когда можно пренебречь 
влиянием реакции якоря на величину Ф. В общем же случае 
влияние поперечной реакции якоря на величину магнитного 
потока Ф ведет к нарушению линейности механической характеристики по мере увеличения тока.

1.1.4. Графическое изображение 
механической характеристики

Из выражения (1.7) следует, что графически механиче
ская характеристика ДПТ с НВ может быть представлена 
прямой линией с двумя характерными точками – скоростью 
холостого хода w0 и моментом короткого замыкания Mкз, который также называется пусковым. Величина Mкз определяется по формуле

M
k Ô I
c I
êç
êç
êç
=
=
.
⋅
⋅
⋅
  
 (1.8)

C введением добавочного сопротивления Rд в цепь яко
ря жесткость механических характеристик также падает, 
что с успехом используется при регулировании скорости 
вращения ДПТ.

Аналогично электромеханическим характеристикам 

различают естественную и искусственные механические 
характеристики.

Жесткость естественной характеристики определяется 

только сопротивлением якорной цепи двигателя:

∆ω =
⋅
I
R
c
 или ∆ω =
⋅
M
R
c2
. 
 (1.9)

Снижение скорости ω под нагрузкой объясняется следу
ющим. При увеличении момента сопротивления механизма 
угловая скорость начинает снижаться. В результате уменьшается ЭДС Е согласно системе уравнений (1.1). Ток якоря 
при этом увеличивается. Соответственно возрастает момент 
двигателя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока момент двигателя не сравняется с моментом сопротивления. 
После достижения равенства М = Мс наступит новый установившийся режим с меньшей угловой скоростью ω.

При инженерных расчетах коэффициенты, входящие 

в уравнения характеристик двигателя, могут быть определе