Двигатели
независимого и параллельного возбуждения.
Схема включения двигателя независимого возбуждения показана на рис.
5.19.
Рис. 5.19.
В цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление
Rд, например пусковой реостат. Для регулирования тока
возбуждения в цепь обмотки возбуждения может быть включен регулировочный
реостат Rр. У двигателя параллельного возбуждения обмотки
якоря и возбуждения подключены к одному источнику питания, и напряжение
на них одинаковое. Следовательно, двигатель параллельного возбуждения
можно рассматривать как двигатель независимого возбуждения при Uя=
Uв.
Механические
характеристики.
Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные
и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению
питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если
хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется
искусственной.
Уравнения электромеханической ω=f(I я) и механической ω=f(M эм.)
характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для
якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа:
U я=E я+I я)(R я+R д), (5.35)
где R я – активное сопротивление якоря.
Преобразуя (5.35) с учетом (5.6), получим уравнение электромеханической
характеристики
ω=(U я-I я(R я+R д))/kФ.
(5.36)
В соответствии с (5.10) ток якоря I я=M эм./kФ
и выражение (5.36) преобразуется в уравнение механической характеристики:
ω=Uя/ kФ – ( R я+
R д)/( kФ) 2)Mэм. . (5.37)
Это уравнение можно представить в виде ω= ω о.ид.- Δ ω,
где
ω о.ид.=Uя/kФ
(5.38)
ω о.ид — угловая скорость
идеального холостого хода ( при Iя=0 и, соответственно,
Мэм.=0 ); Δ ω= Мэм. [(Rя+Rд)/(kФ)2]–
уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя
и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.
Семейство механических характеристик при номинальном напряжении
на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря
изображено на рис. 5.20,а.
Рис.5.20
Механические характеристики двигателей
принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и
линейности.
Естественная механическая характеристика, соответствующая (5.37)
при Rд=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика
линейная; отклонение от линейного закона может быть вызвано реакцией якоря, приводящей
к изменению потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента
нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость
характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря
(прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики
устойчивые, так как dω/dMэм.<0, и обеспечивают саморегулирование
двигателя, т.е. он автоматически приспосабливается к изменяющейся нагрузке. Увеличение
статического момента сопротивления на валу двигателя приводит к уменьшению угловой
скорости и ЭДС якоря. Ток якоря, выражение для которого можно записать на основании
(5.35),
Iя= (Uя-Eя)/(R я+
R д)=(Uя -kωФ;)/( R я R д ), (5.39)
возрастает. Соответственно растет электромагнитный
момент вплоть до нового значения момента сопротивления (переход из
точки А в точку В на механической характеристике).
По аналогии на основании (5.37) может быть построено семейство
искусственных характеристик при различных значениях Uя или Ф. Анализ
таких характеристик будет проделан в разделе исполнительных двигателей постоянного
тока (§ 5.7).
Рабочие характеристики.
Рабочие характеристики двигателя – это зависимости угловой
скорости ω, электромагнитного Мэм. и полезного М2 моментов
и кпд η от полезной механической мощности на валу двигателя P2=M2ω при
номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений (рис.
5.20,б).
Однако у рассматриваемых двигателей рабочие характеристики
построены не в функции полезной мощности двигателя P2, а в функции
тока якоря Iя. Объясняется это тем, что в двигателях постоянного тока
электрическая мощность, идущая на преобразование в механическую, поступает через
цепь якоря. Ток якоря двигателей независимого и параллельного возбуждения, у
которых скорость слабо зависит от нагрузки, практически прямо пропорционален
мощности P2. Уравнения же рабочих характеристик через ток Iя получить
гораздо проще. Характеристики ω= f(Iя) и Mэм.=а(Iя)
могут быть построены соответственно на основании уравнений (5.36) и (5.10). Без
учета реакции якоря эти характеристики линейные, у реальных машин под действием
реакции якоря (изменение Ф) характеристики могут оказаться нелинейными.
Полезная составляющая момента двигателя M2 меньше
электромагнитного момента на значение момента холостого хода M0=(ΔPмех.+ΔPм)/ ω,
где ΔPмех. – механические потери мощности (трение); Δ Pм –
магнитные потери.
Характеристики полезного момента M2 и КПД η начинаются
из точки реального холостого хода, которому соответствует ток якоря Iяо (рис.
5.20,б). Кривая КПД имеет типичный для всех электрических машин характер, т.к.
в двигателе имеются постоянные потери (ΔPмех.+ΔPм+UвIв),
практически не зависящие от нагрузки (тока якоря), и переменные потери в якоре
I 2 я Rя .
Регулирование
скорости.
Угловую скорость двигателя при неизменном моменте сопротивления
можно регулировать (см. (5.37)) тремя способами:
1)якорным – изменением напряжения на обмотке якоря Uя;
2)полюсным – изменением магнитного потока возбуждения Фв;
3)реостатным – изменением добавочного сопротивления Rд в
цепи якоря.
Регулировочные характеристики двигателей независимого возбуждения
при якорном и полюсном способах управления будут подробно рассмотрены в разделе
исполнительных двигателей (см. §5.7 ). При реостатном способе через реостаты
Rд (см. рис. 5.19) должен длительно
пропускаться значительный ток, что вызывает большие потери мощности, поэтому
данный способ неэкономичен и применяется редко.
Пуск.
В соответствии с уравнением равновесия моментов (2.29) условием
пуска двигателя является неравенство Мп >Мст. Если это
условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение
и разгоняется до установившегося режима. Ввиду того, что ротор обладает моментом
инерции, разгоняется он не мгновенно – нарастание скорости происходит по закону,
близкому к экспоненте.
Пуск двигателя постоянного тока осложняется тем, что при ω=0
ЭДС Eя=0 и пусковой ток якоря Iяп= Uя/ Rя может
в 10 – 20 раз превышать номинальный ток, что опасно как для двигателя (усиление
искрения, динамические перегрузки), так и для источника питания. Поэтому важнейшими
показателями пускового режима являются кратность пускового тока Kiп=
Iп/ Iном и кратность пускового момента Кмп=
Мп/ Мном. При пуске необходимо обеспечить требуемую кратность
пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока.
Прямой пуск применяют обычно при кратности пускового тока K iп?6.
При большем значении Kiп применяют способы пуска, обеспечивающие снижение
тока Iяп либо за счет подачи пониженного напряжения на обмотку якоря,
либо за счет введения добавочного сопротивления в цепь якоря. Первый способ применяется
в основном при работе двигателей в системах автоматического регулирования с якорным
способом управления. Второй способ, называемый реостатным, распространен наиболее
широко в нерегулируемом приводе. Сопротивление пускового реостата Rп=
Rд (см. рис. 5.19) выбирают таким, чтобы ограничить Iяп до
(1,4 – 1,8) Iя.ном у двигателей средней мощности и до (2,0 – 2,5)
Iя.ном у двигателей малой мощности. По мере разгона якоря ток якоря
уменьшается и пусковой реостат постепенно выводится.
Реверсирование.
Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности
напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется
знак электромагнитного момента двигателя Мэм и соответственно направление
вращения ротора.
Торможение.
У двигателей независимого и параллельного возбуждения возможны
три тормозных режима: рекуперативное торможение, торможение противовключением
и динамическое. При анализе тормозных режимов необходимо строить механические
характеристики машины во всех четырех квадрантах плоскости Мэм, ω.
Для построения механических характеристик можно пользоваться одним и тем же уравнением
(5.37) с учетом знака Мэм в различных режимах работы машины.
Рекуперативное торможение, или генераторное торможение с
отдачей энергии в сеть, может быть осуществлено при ω>ω о.ид.
В этом случае ЭДС якоря Eя > Uя (см. (5.6) и (5.38)), ток
якоря меняет направление, машина переходит в генераторный режим и электромагнитный
момент становится тормозным. Механической характеристикой в режиме рекуперативного
торможения является продолжение механической характеристики двигателя во II квадранте
(ω>0, Mэм<0). Режим рекуперативного торможения возникает, например,
при регулировании напряжения на якоре (рис.
5.21,а, Uя2< Uя1).
Рис. 5.21
В момент уменьшения напряжения питания двигатель переходит
из точки А характеристики 1 в точку В характеристики 2, момент Мэм меняет
знак и начинается торможение двигателя до точки С. Торможение до
остановки таким способом невозможно и он используется, в основном,
при торможении на высоких скоростях. Способ экономичен благодаря
возможности отдачи электрической энергии в сеть.
Торможение противовключением может происходить в двух случаях:
1)если внешний момент, больший чем пусковой момент двигателя,
заставляет вращаться якорь против его естественного направления вращения (работа
в IV квадранте);
2)если изменяется полярность напряжения на якоре (или реже
на обмотке возбуждения), а якорь по инерции продолжает вращаться в прежнем направлении.
Далее рассматривается наиболее часто встречающийся второй случай
с изменением полярности напряжения на якоре. При этом ток якоря Iя=(-Uя-
Eя)/ Rя меняет направление и значение его резко возрастает,
т.к. теперь напряжение и ЭДС действуют в одном направлении. Поэтому при торможении
противовключением в цепь якоря обязательно включается добавочное сопротивление
Rд . Изменение полярности напряжения на якоре означает, что изменится
и знак скорости идеального х.х. ω о.ид, т.е. механическая характеристика
пройдет через III квадрант (рис. 5.21,б).
В момент переключения напряжения двигатель переходит из точки А естественной
характеристики двигательного режима I в точку В реостатной характеристики тормозного
режима 2, момент Мэм меняет знак и начинается интенсивное снижение ω.
В точке С скорость двигателя равна нулю, и его нужно отключить от источника питания.
Если этого не сделать, то ротор начнет вращаться в противоположном направлении
и перейдет в установившийся режим в точке D реостатной или, если Rд отключить,
в точке D’ новой естественной характеристики 3, т.е. произойдет реверсирование
двигателя.
Динамическое торможение осуществляется отключением цепи якоря
от источника постоянного тока U и замыканием ее на некоторое добавочное сопротивление
Rд, называемое обычно тормозным реостатом (рис.
5.22, а, перевод переключателя К из левого положения в правое).
Рис. 5.22
При этом напряжение, прикладываемое к якорю, Uя=0,
ток якоря (см. 5.39) Iя=-Eя/(Rя+Rд)
меняет направление и электромагнитный момент Мэм становится
тормозным. Запасенная во вращающихся частях привода кинетическая
механическая энергия преобразуется в электрическую, и машина работает
в генераторном режиме, отдавая электрическую энергию тормозным сопротивлениям.
Уравнение механических характеристик (5.37) при Uя=0 принимает
вид ω=-Мэм(Rя+Rд)/(kФ)2. Механические
характеристики тормозного режима расположены во II квадранте плоскости Мэм,ω (рис.
5.22, б, Rд2>Rд3).
В момент переключения двигатель переходит из точки А естественной
характеристики двигательного режима 1 в точку В характеристики тормозного режима
2, момент Мэм меняет знак и начинается динамическое торможение. Угловая
скорость уменьшается, но при этом довольно резко уменьшается и тормозной момент
(переход из точки В в С). С целью увеличения тормозного момента производится
уменьшение добавочного сопротивления Rд (переход из точки С в точку
D). Торможение происходит до нулевой скорости.
Двигатели
последовательного и смешанного возбуждения.
У двигателя последовательного возбуждения (рис.
5.23,а) ток якоря протекает по обмотке возбуждения (Iв= Iя)
и это определенным образом сказывается на основных характеристиках двигателя.
При отсутствии насыщения магнитопровода можно принять, что
Ф=KфIя, (5.40)
где Kф – коэффициент пропорциональности.
С учетом (5.40) уравнения (5.10) и (5.37) принимают вид
Мэм=KKфIя2, (5.41)
ω = (U/ √(KKфMэм))
-(Rя+Rв/KKф), (5.42)
где Rв – сопротивление обмотки возбуждения.
Механическая характеристика (рис.
5.23, б пунктирная линия) мягкая, имеет гиперболическую форму и обеспечивает
устойчивую работу двигателя. Мягкость характеристики объясняется тем, что с увеличением
момента нагрузки и соответственно уменьшением скорости растут ток и поток возбуждения.
При больших нагрузках начинает сказываться насыщение магнитопровода и характеристика
отличается от расчетной (сплошная линия). Двигатель последовательного возбуждения
нельзя пускать без нагрузки на валу, так как при Мэм → 0, угловая
скорость ω → ∞.
Квадратичная зависимость момента от тока позволяет при одинаковой
кратности пускового тока получать у двигателя последовательного возбуждения больший
пусковой момент, чем у двигателя независимого или параллельного возбуждения.
Пуск, реверсирование, торможение и регулирование угловой скорости
двигателей последовательного возбуждения осуществляется теми же способами, что
и у двигателей независимого и параллельного возбуждения с учетом специфики включения
обмоток.
Рис.5.23
Двигатели смешанного возбуждения по своим характеристикам
занимают промежуточное положение между двигателями независимого и
последовательного возбуждения. Конкретный вид характеристик зависит
от того, согласно или встречно(по потоку) включены между собой обмотки
возбуждения.
Назад | Оглавление | Вперед
Источник: //servomotors.ru/documentation/electromechanical_automation_devices/book/part5_6.html