Электродвигатели параллельного возбуждения

Электродвигатели параллельного возбуждения: принцип действия, характеристики, применение и управление

Электродвигатель параллельного возбуждения (ДПВ) – это машина постоянного тока, в которой обмотка возбуждения (ОВ) подключена параллельно обмотке якоря к одному источнику питания. Это ключевая конструктивная особенность, определяющая все его эксплуатационные свойства. Обмотка возбуждения выполнена из большого числа витков тонкого провода, что обеспечивает высокое сопротивление, ограничивая ток возбуждения до значений, составляющих обычно 1-5% от номинального тока якоря.

Принципиальная схема и особенности конструкции

В ДПВ обмотка возбуждения и обмотка якоря питаются от одного и того же источника постоянного напряжения (U). Ток якоря (I_я) и ток возбуждения (I_в) суммируются, образуя общий ток, потребляемый из сети (I = I_я + I_в). Для безопасного пуска и регулирования в цепь якоря последовательно включается пускорегулирующий реостат (R_п), а для регулирования тока возбуждения – реостат в цепи возбуждения (R_рв).

Конструктивно двигатель состоит из следующих основных узлов:

• Статор (индуктор): Неподвижная часть, несущая главные и добавочные полюса. На главных полюсах размещена катушка обмотки параллельного возбуждения, создающая основной магнитный поток (Ф). Добавочные полюса с катушками, включенными последовательно с якорем, служат для улучшения коммутации.
• Ротор (якорь): Вращающаяся часть, состоящая из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, обмотки, уложенной в пазы, и коллектора. Коллектор — механический преобразователь, обеспечивающий коммутацию тока в обмотке якоря.
• Щеточный аппарат: Неподвижные графитовые или медно-графитовые щетки, скользящие по коллектору, через которые ток подводится к вращающейся обмотке якоря.

Основные уравнения и механическая характеристика

Работа ДПВ описывается системой уравнений, вытекающих из законов Кирхгофа и ЭДС вращения:

• Напряжение на зажимах двигателя: U = E + I_яR_я, где E — противо-ЭДС, наводимая в обмотке якоря.
• Противо-ЭДС: E = C_eФn, где C_e — конструктивная постоянная двигателя, Ф — магнитный поток, n — частота вращения.
• Электромагнитный момент: M = C_мФI_я, где C_м — конструктивная постоянная момента.

Из этих уравнений выводится уравнение механической характеристики n = f(M):

n = U / (C_eФ) — (R_я / (C_eC_мФ²))

• M

При условии постоянства магнитного потока Ф (т.е. при отсутствии регулировочного реостата в цепи возбуждения и без учета реакции якоря) характеристика представляет собой прямую линию с небольшим падением скорости при увеличении момента нагрузки. Это жесткая механическая характеристика.

Сравнение механических характеристик двигателей постоянного тока

Тип двигателя	Жесткость характеристики	Зависимость n от M	Пусковой момент (отн. ед.)
Параллельного возбуждения (независимого)	Высокая (жесткая)	Незначительное снижение	1.5 — 2.5
Последовательного возбуждения	Мягкая	Сильная (гиперболическая)	3.0 — 5.0
Смешанного возбуждения	Средняя	Промежуточная	2.0 — 4.0

Способы пуска и регулирования скорости

Прямой пуск ДПВ недопустим, так как в начальный момент противо-ЭДС E=0, и пусковой ток якоря достигает значений (10-20)I_ном, что вызовет сильное искрение и повреждение коллектора и обмоток.

Пуск двигателя

Основной метод – введение в цепь якоря пускового реостата (R_п), ступенчато выводимого по мере разгона. Реостат ограничивает ток якоря до безопасного уровня (обычно (1.5-2.5)I_ном). Современные системы используют тиристорные преобразователи, плавно повышающие напряжение на якоре от нуля до номинального.

Регулирование частоты вращения

ДПВ обладают превосходными регулировочными свойствами. Существуют два основных метода:

• Регулирование изменением магнитного потока (ослабление поля): Осуществляется увеличением сопротивления реостата R_рв в цепи возбуждения, что уменьшает ток I_в и поток Ф. Согласно уравнению характеристики, скорость холостого хода (n₀ = U/(C_eФ)) возрастает. Метод позволяет плавно увеличивать скорость выше номинальной. Регулирование экономично, так как ток в цепи возбуждения мал. Мощность на валу при этом остается примерно постоянной.
• Регулирование изменением напряжения на якоре: Осуществляется с помощью отдельного регулируемого источника (например, управляемого выпрямителя или системы «генератор-двигатель» — Г-Д). Скорость холостого хода пропорциональна напряжению. Метод позволяет плавно изменять скорость ниже номинальной. Характеристики остаются параллельными и жесткими. Момент на валу при этом остается постоянным.

Методы регулирования скорости ДПВ

Метод регулирования	Диапазон регулирования	Жесткость характеристики	Экономичность	Основная область применения
Ослабление магнитного потока	Вверх от номинала (до 1:3, реже 1:4)	Снижается с ростом скорости	Высокая	Станки, вентиляторы, где требуется работа на повышенных скоростях
Изменение напряжения на якоре	Вниз от номинала (до 1:10 и более)	Высокая, сохраняется	Снижается из-за потерь в преобразователе	Точное позиционирование, широкий диапазон плавного регулирования (прокатные станы, подъемники)
Введение добавочного сопротивления в цепь якоря	Вниз от номинала	Низкая (мягкая характеристика)	Низкая (большие потери в реостате)	Вспомогательное регулирование, пуск, маломощные приводы

Особенности эксплуатации и реверсирование

Реверсирование ДПВ осуществляется изменением направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения. На практике чаще меняют полярность напряжения на якоре, так как индуктивность цепи якоря меньше, и процесс коммутации тока происходит быстрее и безопаснее. Важным требованием является недопустимость работы двигателя с обрывом цепи возбуждения. При Ф → 0 скорость стремится к опасным значениям («разнос двигателя»), что может привести к механическому разрушению якоря.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Жесткая механическая характеристика, обеспечивающая стабильную скорость при изменении нагрузки.
• Широкий и плавный диапазон регулирования скорости двумя экономичными методами.
• Хорошие пусковые свойства при использовании пусковых реостатов или систем плавного пуска.
• Относительно высокий КПД.

Недостатки:

• Наличие коллекторно-щеточного узла, требующего регулярного обслуживания, замены щеток, чистки коллектора. Является источником искрения и радиопомех.
• Более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями аналогичной мощности.
• Чувствительность к условиям окружающей среды (пыль, влага, агрессивные пары).
• Ограничение по максимальной скорости и мощности из-за условий коммутации и механической прочности коллектора.

Области применения

Несмотря на конкуренцию с частотно-регулируемыми асинхронными приводами, ДПВ сохраняют позиции в ряде ответственных применений, требующих высоких динамических и регулировочных характеристик:

• Приводы металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и ткацких станков.
• Подъемно-транспортное оборудование (краны, лебедки, лифты).
• Приводы прокатных станов и вспомогательных механизмов в металлургии.
• Испытательные стенды и системы точного позиционирования.
• В прошлом – тяговый привод электровозов и тепловозов (сегодня вытесняется асинхронными).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем двигатель параллельного возбуждения отличается от двигателя независимого возбуждения?

По своей физической сути и характеристикам это одна и та же машина. Различие лишь в схеме питания обмотки возбуждения. В ДПВ обмотка возбуждения питается от того же источника, что и якорь. В двигателе независимого возбуждения (ДНВ) обмотка возбуждения питается от отдельного, независимого источника постоянного тока. На практике ДНВ встречается чаще, особенно в системах с тиристорным управлением, где цепи якоря и возбуждения питаются от разных выпрямителей. Все уравнения и характеристики для них идентичны.

Что произойдет, если во время работы оборвется цепь возбуждения?

Это аварийный режим, называемый «разносом». Магнитный поток Ф резко уменьшится до значения потока остаточного намагничивания. Для поддержания момента нагрузки M = C_мФI_я ток якоря I_я возрастет в десятки раз. Одновременно, согласно формуле n = U/(C_eФ), скорость начнет стремительно расти, так как знаменатель резко уменьшился. Двигатель выйдет на механически опасные скорости, что может привести к разрушению якоря центробежными силами. Защита от этого режима обязательна (реле максимального напряжения, контроля тока возбуждения).

Почему нельзя пускать двигатель параллельного возбуждения без нагрузки при сильно ослабленном поле?

По той же причине, что и при обрыве поля. Если при пуске реостат в цепи возбуждения установлен на максимальное сопротивление, магнитный поток Ф будет очень мал. Даже при номинальном напряжении на якоре скорость холостого хода n₀ = U/(C_eФ) окажется чрезмерно высокой, и двигатель может пойти «вразнос». Пуск всегда производят при номинальном или даже несколько повышенном потоке возбуждения.

Каковы основные причины искрения на коллекторе и как с ними бороться?

Искрение (плохая коммутация) может быть вызвано:

• Механическими причинами: износ щеток, биение коллектора, неправильная притирка щеток, загрязнение поверхности.
• Электрическими причинами: перегрузка по току, смещение нейтрали из-за ослабления пружин щеткодержателей или износа щеток, неисправность или ослабление добавочных полюсов.
• Эксплуатационными: повышенная влажность, агрессивная среда, вибрация.

Меры борьбы: регулярный техосмотр, чистка и продораживание коллектора, замена щеток на рекомендованный тип, проверка и регулировка давления пружин, контроль состояния добавочных полюсов и их обмоток.

В чем ключевое преимущество ДПВ перед современным частотно-регулируемым асинхронным приводом (ЧРП)?

Ключевое историческое преимущество – простота и широта регулирования скорости – нивелировано современными ЧРП. Однако ДПВ может сохранять преимущества в специфических областях:

• Более высокий перегрузочный момент по току (до 3-4 крат) за короткое время.
• Лучшие динамические характеристики (меньшая постоянная времени электромеханической цепи) в некоторых конструкциях.
• Работа на очень низких скоростях (единицы об/мин) с большим моментом без датчика обратной связи и без эффекта «шага», присущего некоторым ЧРП.
• Меньшие массогабаритные показатели для низковольтных приводов большой мощности.

Однако общая тенденция – вытеснение ДПВ современными бесколлекторными двигателями и совершенствующимися ЧРП.

Заключение

Электродвигатели параллельного (независимого) возбуждения представляют собой классический, глубоко изученный тип регулируемого электропривода. Их эксплуатация требует глубокого понимания электромеханических процессов, особенностей пуска, регулирования и потенциальных аварийных режимов. Несмотря на архаичность коллекторного узла и активное замещение статическими преобразователями и асинхронными машинами, ДПВ остаются востребованными в ряде промышленных applications, где их характеристики по-прежнему считаются эталонными. Грамотное применение, своевременное обслуживание и правильный выбор системы управления позволяют эксплуатировать эти двигатели с высокой эффективностью и надежностью.