Электродвигатели смешанного возбуждения

Электродвигатели смешанного возбуждения: принцип действия, конструкция, характеристики и области применения

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.

Конструктивные особенности и схема включения

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:

• Согласное (кумулятивное) включение. Магнитные потоки последовательной и параллельной обмоток складываются. При увеличении нагрузки ток якоря и, соответственно, ток в последовательной обмотке растет, усиливая общий поток возбуждения. Это приводит к увеличению электромагнитного момента и компенсации падения скорости из-за увеличения падения напряжения в цепи якоря.
• Встречное (дифференциальное) включение. Магнитные потоки обмоток направлены встречно. Увеличение нагрузки ослабляет результирующий поток, что вызывает значительное увеличение скорости вращения. Данная схема применяется реже из-за склонности к неустойчивой работе и используется в специальных случаях, требующих особых механических характеристик.

Механические и рабочие характеристики

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.

Сравнительная таблица характеристик двигателей постоянного тока

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 и реверс

Регулирование скорости вращения двигателей смешанного возбуждения осуществляется теми же методами, что и для других двигателей постоянного тока:

• Изменение напряжения на якоре. Осуществляется с помощью регулируемого источника питания (тиристорный преобразователь, система «генератор-двигатель»). Позволяет плавно регулировать скорость ниже номинальной при сохранении жесткости характеристики.
• Изменение магнитного потока. Регулируется с помощью реостата в цепи параллельной обмотки возбуждения. Ослабление потока позволяет увеличить скорость выше номинальной. При этом необходимо учитывать влияние последовательной обмотки, которое остается неизменным.
• Введение добавочного сопротивления в цепь якоря. Наиболее простой, но неэкономичный способ, приводящий к большим потерям энергии и значительному размягчению механической характеристики.

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 и недостатки

Преимущества двигателей смешанного возбуждения:

• Высокий пусковой момент при ограниченном пусковом токе.
• Отсутствие опасности «разноса» при сбросе нагрузки в отличие от двигателей последовательного возбуждения.
• Лучшая по сравнению с шунтовыми двигателями перегрузочная способность и устойчивость к колебаниям нагрузки.
• Более пологая, чем у сериесных двигателей, механическая характеристика, обеспечивающая лучшую стабильность работы при изменениях момента сопротивления.

Недостатки:

• Более сложная конструкция и дороговизна из-за наличия двух обмоток возбуждения.
• Сложность схемы управления и необходимость правильного согласования обмоток.
• Наличие коллекторно-щеточного узла, требующего обслуживания и ограничивающего применение во взрывоопасных средах.
• В целом, более низкая надежность по сравнению с асинхронными двигателями.

Области применения

Двигатели смешанного возбуждения находят применение в тех электроприводах, где требуются высокий пусковой момент и относительно стабильная скорость работы. Их традиционное использование включает:

• Приводы тяжелого оборудования: прессы, прокатные станы, подъемно-транспортные машины (краны, лебедки, лифты старой конструкции).
• Силовые установки на транспорте: тяговые двигатели для электровозов, трамваев, троллейбусов (в современных системах часто вытесняются асинхронными приводами с частотным регулированием).
• Приводы некоторых станков, где возможны ударные нагрузки.
• Генераторы постоянного тока (как генераторы смешанного возбуждения) для поддержания стабильного напряжения при изменении нагрузки.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное различие между согласным и встречным включением обмоток возбуждения?

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.

Как определить начало и конец обмоток для правильного (согласного) соединения?

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.

Можно ли использовать двигатель смешанного возбуждения, запитав только одну из обмоток возбуждения?

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.

Каковы особенности пуска двигателя смешанного возбуждения?

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.

Чем генератор смешанного возбуждения отличается от двигателя?

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.

Заключение

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.