Электродвигатель смешанного возбуждения (компаундный двигатель) — это электрическая машина постоянного тока, в которой магнитный поток создается одновременно двумя обмотками возбуждения: параллельной (шунтовой) и последовательной. Данная конструктивная особенность позволяет объединить ключевые эксплуатационные преимущества двигателей с параллельным и последовательным возбуждением, а именно: относительно стабильную скорость вращения при изменении нагрузки и высокий пусковой момент. Принцип работы основан на аддитивном или вычитающемся воздействии магнитодвижущих сил (МДС) обеих обмоток на результирующий магнитный поток в магнитной системе двигателя.
Конструктивно двигатель смешанного возбуждения повторяет классическую машину постоянного тока, но имеет две независимые обмотки на полюсах статора. Параллельная обмотка выполнена из большого числа витков тонкого провода и подключается непосредственно к сети питания параллельно якорной цепи. Последовательная обмотка, намотанная малым числом витков провода большого сечения, включается последовательно в цепь якоря.
В зависимости от способа соединения магнитных потоков обмоток различают две основные схемы:
Характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Степень влияния последовательной обмотки определяется коэффициентом компаундирования, который характеризует долю МДС последовательной обмотки в общей МДС возбуждения.
Механическая характеристика n = f(M) — зависимость скорости вращения от момента нагрузки. Для согласного включения она является мягкой, но менее выраженной, чем у двигателя последовательного возбуждения. Падение скорости при увеличении момента от холостого хода до номинального составляет обычно 10-25%, что значительно меньше, чем у двигателя с последовательной обмоткой, но больше, чем у шунтового (где падение 3-8%).
Скоростная характеристика n = f(Iя) и моментная характеристика M = f(Iя) также носят промежуточный характер. Пусковой момент при согласном включении высок, что является ключевым преимуществом для механизмов с тяжелыми условиями пуска.
| Тип двигателя | Характер механической характеристики | Пусковой момент | Стабильность скорости при изменении нагрузки | Склонность к «разносу» при сбросе нагрузки |
|---|---|---|---|---|
| Параллельного возбуждения (шунтовой) | Жесткая (незначительное падение скорости) | Средний (1.5-2.2*Mном) | Высокая | Отсутствует |
| Последовательного возбуждения (сериесный) | Мягкая (гиперболическая) | Очень высокий (2.5-4*Mном) | Низкая | Высокая (опасность разноса) |
| Смешанного возбуждения (согласное) | Умеренно падающая | Высокий (2-3*Mном) | Средняя | Отсутствует или незначительна |
Регулирование скорости вращения двигателей смешанного возбуждения осуществляется теми же методами, что и для других двигателей постоянного тока:
Для изменения направления вращения (реверса) необходимо изменить полярность тока либо в цепи якоря, либо в обеих обмотках возбуждения одновременно. Изменение полярности только в одной из обмоток возбуждения приведет к переходу от согласного к встречному включению (или наоборот), что кардинально изменит характеристики двигателя и может привести к аварийной ситуации.
Преимущества двигателей смешанного возбуждения:
Недостатки:
Двигатели смешанного возбуждения находят применение в тех электроприводах, где требуются высокий пусковой момент и относительно стабильная скорость работы. Их традиционное использование включает:
При согласном включении магнитные потоки обеих обмоток суммируются. С ростом нагрузки увеличивается ток последовательной обмотки, усиливая общий поток, что компенсирует падение скорости. При встречном включении поток последовательной обмотки направлен против потока параллельной обмотки. Рост нагрузки ослабляет результирующий поток, что приводит к резкому увеличению скорости и неустойчивой работе. Согласное включение является основным и наиболее распространенным.
Правильная полярность определяется экспериментально. После предварительного определения выводов параллельной (по высокому сопротивлению) и последовательной (по низкому сопротивлению) обмоток, двигатель запускают в режиме холостого хода с подключенной только параллельной обмоткой. Фиксируют скорость. Затем, не останавливая двигатель, кратковременно подключают последовательную обмотку. Если скорость заметно снизилась — включение согласное (поток увеличился). Если скорость возросла — включение встречное. Для постоянной работы необходимо установить соединение, соответствующее согласному включению.
Да, но с существенными оговорками. При питании только параллельной обмотки двигатель будет работать как шунтовой, но с недовозбужденным магнитным потоком, что приведет к завышенной скорости и снижению момента. При питании только последовательной обмотки двигатель будет работать как сериесный, со всеми вытекающими рисками, включая «разнос» на холостом ходу. Эксплуатация в таких режимах возможна только если это прямо предусмотрено паспортными данными машины и при условии, что напряжение питания скорректировано для компенсации отсутствующей МДС.
Пуск осуществляется с обязательным включением в цепь якоря пускового реостата или с использованием системы плавного пуска (тиристорного преобразователя). Последовательная обмотка при этом участвует в процессе, обеспечивая повышенный начальный момент. Важно, чтобы параллельная обмотка была подключена на полное напряжение сети до начала пуска для создания основного магнитного потока. Пуск при отключенной параллельной обмотке недопустим.
Принцип действия и конструкция аналогичны. Ключевое отличие — в режиме работы и способе самовозбуждения. В генераторе остаточный магнитный поток индуцирует ЭДС в якоре, которая подается на параллельную обмотку, усиливая поток. Последовательная обмотка, включенная последовательно с нагрузкой, создает дополнительный поток, пропорциональный току нагрузки. При согласном включении это позволяет компенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении и индуктивную реакцию якоря, поддерживая напряжение на клеммах генератора практически постоянным при изменении нагрузки в широких пределах.
Электродвигатели смешанного возбуждения представляют собой компромиссное техническое решение, объединяющее ключевые достоинства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Несмотря на вытеснение их в ряде областей более надежными и простыми в обслуживании асинхронными и вентильными двигателями, они сохраняют свою актуальность в специфических применениях, требующих сочетания высокого пускового момента и приемлемой стабильности скорости. Понимание принципов их работы, характеристик и правил включения остается важной частью знаний для специалистов, занимающихся эксплуатацией, ремонтом и проектированием систем электропривода постоянного тока.