Электрические и магнитные цепи электрические цепи постоянного тока
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
12.7. Характеристики двигателей постоянного тока Для разработчиков и пользователей электрических приводов важнейшими характеристиками двигателей являются механические и регулировочные характеристики. Первые определяют реакцию двигателя на нагрузку, авто- рые – на управляющее воздействие. У двигателей постоянного тока эти характеристики обладают целым рядом особенностей, определивших преимущественное использование этих двигателей в регулируемых высококачественных приводах. Уравнение механической и регулировочной характеристики можно получить подстановкой выражений для противо-ЭДС (12.2) и вращающего момента) в уравнение (12.3) яд яд я я 2 2 ; Ф Ф E E R R R R U U n M M C C C + + = − Ω = − Ψ Ψ . (12.7) В уравнениях (12.7) три величины могут быть регулируемыми переменными напряжение на якоре двигателя я , магнитный поток Фили потокос- цепление Ψ и добавочное сопротивление д , включённое последовательно в цепь якоря. При постоянных значениях этих величин уравнение (12.7) соответствует механическим характеристикам двигателя, те. зависимости ( ) n M . При постоянной нагрузке двигателя c const M M = = и вариации одной из трёх переменных мы получим соответствующие регулировочные характеристики я U , (Фили д ) n R . Механическая характеристика двигателя, полученная при номинальных значениях напряжения на якоре и тока обмотки возбуждения и отсутствии добавочного сопротивления д , называется естественной. Все остальные механические характеристики называются искусственными. 12.7.1. Характеристики двигателей параллельного возбуждения Электрическая цепь обмотки возбуждения двигателей параллельного возбуждения подключается параллельно цепи якоря (рис. 12.4, б. Если при этом управление двигателем производится таким образом, что напряжение вцепи обмотки возбуждения не зависит от напряжения якоря, то его характеристики будут идентичны двигателю с независимым (риса) и с магнитоэлектрическим (риса) возбуждением. Уравнения механических и регулировочных характеристик двигателя соответствуют выражениям (12.7). Естественная и искусственные механические характеристики представляют собой прямые линии 0 n n bM = − , (12.8) где я 0 Ф E U n C = – скорость идеального холостого хода я д 2 Ф E R R b C C + = . Линейность и отрицательный наклон механических характеристик обеспечивают двигателю хорошую управляемость и устойчивость при работе с различными видами нагрузки. Скорость холостого хода двигателя не зависит от параметров цепи якоря и определяется только напряжением на якоре я и величиной магнитного потока Ф. Коэффициент b определяет наклонили жёсткость механической характеристики. Чем меньше величина сопротивления в числителе выражения, тем жёстче механическая характеристика и тем меньше изменения скорости вращения при изменении нагрузки. Следовательно, максимальной ж- сткостью обладает естественная механическая характеристика. Полагая 0 n = , из уравнения (12.8) можно определить пусковой момент двигателя п я я д Ф /( ) M C Направление вращения двигателя определяется знаком скорости холостого хода и может изменяться путём изменения полярности напряжения питания якоря или обмотки возбуждения. В последнем случае изменится знак полярность) магнитного потока Ф. Очевидно, что одновременное изменение полярности источников питания обеих цепей не приведёт к изменению направления вращения. На рис. 12.12 показаны характеристики двигателя параллельного возбуждения при различных способах управления и схемы их реализации. Управление двигателем путём изменения напряжения на его якоре, называемое также якорным управлением, является наиболее сложными совершенным (риса. При питании двигателя от источника постоянного тока его обычно реализуют с помощью широтно-импульсного регулятора (ШИР) (см. разделы 5.3.3 и 5.4.3). Среднее значение выходного напряжения ШИР является близкой к линейной функцией сигнала управления я s ≈ ⋅ . Рис. 12.12 Механические и регулировочные характеристики двигателя при якорном управлении линейны, что очень важно для реализации высококачественных приводов. Регулирование производится вниз от номинальной скорости вращения при постоянной жёсткости механических характеристик, равной жёст- кости естественной характеристики. Диапазон регулирования при этом максимален вплоть до нулевой скорости вращения. В случае использования реверсивного широтно-импульсного регулятора скорость вращения можно регулировать в пределах ном ном n n + − … Основным недостатком якорного управления является относительно большая мощность регулятора, т.к. он работает вцепи якоря, мощность которой в 3 …4 раза больше мощности цепи обмотки возбуждения. Регулирование скорости вращения выше номинальной в двигателях с электромагнитным возбуждением, если это возможно по условиям эксплуатации двигателя, осуществляется изменением величины магнитного потока главных полюсов и называется полюсным управлением. Оно реализуется путём изменения тока обмотки возбуждения. В простейшем варианте это осуществляется с помощью включённого последовательно с обмоткой реостата (рис. 12.12, б. При необходимости автоматического или дистанционного управления для регулирования используют ши- ротно-импульсный регулятор, аналогично схеме якорного управления риса. В случае питания цепи возбуждения от источника переменного тока для регулирования используют управляемый выпрямитель. Механические характеристики приполюсном управлении линейны, носильная (квадратичная) зависимость жёсткости 1/b от величины магнитного потока приводит к тому, что она заметно уменьшается с ростом скорости вращения (рис. 12.12, б) и двигатель сильнее реагирует на изменения момента нагрузки. Регулировочные характеристики двигателя приполюсном управлении принципиально нелинейны. При нулевом моменте нагрузки регулировочная характеристика представляет собой гиперболу, а при нагрузке отличной от нуля – кривую второго порядка, имеющую максимум в области малых токов возбуждения. Нелинейность и неоднозначность регулировочных характеристик являются большими недостатками полюсного управления, которые нужно учитывать при разработке и эксплуатации. Достоинствами этого способа являются возможность получения при номинальном напряжении питания скоростей вращения, превышающих номинальную скорость, а также относительно малая мощность, расходуемая при регулировании. Третий способ регулирования скорости вращения реализуется включением реостата в цепь якоря двигателя (рис. 12.12, в. Оба вида характеристик при этом линейны, но регулирование возможно только в области скоростей вращения ниже номинальной. С увеличением сопротивления д жёсткость механических характеристик быстро уменьшается, а потери растут, т.к. через реостат протекает весь ток якоря двигателя. Диапазон регулирования зависит от нагрузки и при малом моменте регулирование становится вообще невозможным. Единственным достоинством этого способа является простота реализации, нов современных приводах он находит применение только в устройствах ограничения пусковых токов. Вопросы для самопроверки 1. Что такое механические характеристики 2. Какие способы регулирования скорости вращения возможны для двигателей постоянного тока 3. Что такое естественная (искусственная) механическая характеристика. Что такое жёсткость механической характеристики 5. Какие параметры определяют жёсткость механической характеристики двигателя независимого возбуждения 6. Какая механическая характеристика двигателя независимого возбуждения обладает максимальной жёсткостью? 7. Какие параметры определяют пусковой момент двигателя независимого возбуждения 8. Как изменить направление вращения двигателя независимого возбуждения. Какой вид имеют регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения при якорном управлении 10. В каком диапазоне можно регулировать скорость вращения двигателя независимого возбуждения при якорном управлении 11. Какими средствами реализуется регулирование скорости вращения двигателя независимого возбуждения при якорном управлении 12. Какими средствами реализуется регулирование скорости вращения двигателя независимого возбуждения приполюсном управлении 13. В каком диапазоне можно регулировать скорость вращения двигателя независимого возбуждения приполюсном управлении 14. Укажите достоинства и недостатки якорного управления двигателем независимого возбуждения 15. Укажите достоинства и недостатки полюсного управления двигателем независимого возбуждения 16. Укажите достоинства и недостатки управления двигателем независимого возбуждения с помощью реостата вцепи якоря Тормозные режимы двигателей параллельного возбуждения Тормозные режимы в электрических машинах возникают при изменении знака вращающего момента или скорости вращения. Механическая мощность машины при этом становится отрицательной, те. вращение ротора происходит за счёт энергии нагрузки навалу машины. Следовательно, тормозные режимы соответствуют участкам механических характеристик, расположенным во втором ив четвёртом квадрантах (рис. 12.13). Торможение с отдачей энергии в сеть или рекуперативное торможение двигателя соответствует встречному направлению протекания тока в якоре по отношению к напряжению (участок ab на рис. 12.13). Из выражения (12.4) это соответствует условию я я я я 0 Ф> / Ф E E E U C n U n U C n > ⇔ ⇒ > = , которое можно выполнить либо повышением скорости вращения, либо понижением значения скорости холостого хода 0 n . В первом случае двигатель разгоняется за счёт вращающего момента, действующего навал двигателя со стороны нагрузки и может находиться в этом режиме длительное время, например, при движении транспортного средства под уклон. Во втором – скорость холостого хода понижается путём понижения напряжение на якоре я или увеличения тока возбуждения, те. увеличения магнитного потока главных полюсов Ф. Это может происходить при якорном или полюсном регулировании скорости вращения. Переход в генераторный режим в этом случае носит кратковременный характер, и после снижения скорости машина возвращается в двигательный режим. Режим электромагнитного тормоза или торможения противовключением (участок cd на рис. 12.13) соответствует согласному направлению действия ЭДС и напряжения якоря, те. переход в этот режим возможен при изменении полярности одной из величин. В соответствии с (12.2), направление действия ЭДС якоря зависит от направления вращения и направления магнитного потока главных полюсов машины. Направление вращения двигателя может измениться при увеличении момента нагрузки до значения, превышающего пусковой момент п. Тогда двигатель вначале остановится, а затем изменит направление вращения и перейдёт в тормозной режим. Длительная работа в этом режиме опасна, т.к. при этом вся энергия, получаемая двигателем от источника питания и от нагрузки, рассеивается в нём в виде тепла. Кратковременно режим торможения Рис. 12.13 формируют приостановке и при реверсе. Для этого изменяют полярность питания якоря или обмотки возбуждения. После чего двигатель останавливается и, если при этом питание не отключается, а п, то разгоняется в противоположном направлении. Согласное действие ЭДС и напряжения питания при торможении и реверсировании создаёт вцепи якоря ток, многократно превышающий номинальное значение. Поэтому при переходе в тормозной режим для ограничения тока в цепь якоря включают добавочное сопротивление. Очень эффективными часто используемым на практике является режим динамического торможения. Он формируется путём отключения цепи якоря от источника питания и замыкания её на добавочное сопротивление (рис. 12.13). Уравнение механической характеристики для этого режима работы получается из (12.7) при условии я 0 U = я д 2 Ф E R R n M C C + = − . (12.9) Выражение (12.9) является уравнением прямой линии, проходящей через начало координат и расположенной во втором и четвёртом квадрантах штриховая линия на рис. 12.13). Название этого вида торможения связано стем, что тормозной момент возникает только в динамике, те. при вращении якоря. Режим динамического торможения является генераторным режимом, в котором механическая энергия, подведённая к ротору со стороны нагрузки, преобразуется в электрическую энергию, а затем рассеивается в виде тепла в активных сопротивлениях цепи якоря. Эффективность торможения при прочих равных условиях зависит от величины добавочного сопротивления д . Оно уменьшает жёсткость тормозной характеристики и ограничивает тем самым тормозной момент и ток вцепи якоря. Кроме того, на добавочном сопротивлении рассеивается часть энергии, которая в противном случае рассеивалась бы в обмотке якоря. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите возможные режимы торможения двигателей независимого возбуждения. 2. По какому признаку можно определить тормозной режим на механической характеристике 3. Как перевести двигатель независимого возбуждения в режим рекуперативного (динамического) торможения 4. Как перевести двигатель независимого возбуждения в режим торможения противовключением? 5. Почему в режиме противовключения ток двигателя превосходит пусковой ток 240 6. Во что преобразуется кинетическая энергия вращающихся масс при динамическом (рекуперативном) торможении 7. Какой режим торможения является оптимальным сточки зрения преобразования энергии 12.7.3. Характеристики двигателей последовательного возбуждения Двигатель последовательного возбуждения отличается от двигателя параллельного возбуждения наличием электрической связи между цепями якоря и возбуждения в я I I = . Поэтому уравнение механической характеристики можно получить из уравнения (12.7), если ввести в него эту зависимость. Полагая магнитную цепь двигателя ненасыщенной, определим магнитный поток главных полюсов машины как в я Ф kI kI = = , где k – некоторый постоянный коэффициент. Тогда электромагнитный момент и поток двигателя из (12.6) будут равны я я Ф Ф / M C I CkI Mk C = = ⇒ = (12.10) Подставляя выражение для Ф в уравнение (12.7), получим яд яд q Ck Ck M Ck M Ck + + ⎛ ⎞ = − Ω = − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (12.11) где / 60 /(2 ) E q C C = = π . Из уравнения (12.11) следует, что механические характеристики двигателя последовательного возбуждения нелинейны. Причём, приуменьшении момента нагрузки 0 M → скорость вращения стремится к бесконечности, что создаёт опасность разрушения двигателя при малых нагрузках и принципиальную невозможность создания режима холостого хода, а также режима рекуперативного торможения. При увеличении нагрузки M → ∞ и скорость вращения стремится к асимптоте с ординатой яд Припуске ЭДС вращения равна нулю и ток вцепи ограничивается только сопротивлениями последовательно соединённых обмоток и добавочным сопротивлением я я д в /( ) I U R R R = + + . Тогда из (12.10) пусковой момент двигателя п яд в U M Ck R R R ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ + + ⎝ ⎠ Механические характеристики двигателей последовательного возбуждения имеют гиперболический характер (рис. 12.14) и обеспечивают устойчивую работу практически при любом характере нагрузки. Поскольку у двигателей последовательного возбуждения вращающий момент я, ау двигателей параллельного возбуждения я, то при той же кратности пускового тока двигатель последовательного возбуждения будет развивать значительно больший момент. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения естественная механическая характеристика жёст- кая ( const Ω ≈ ) и можно считать, что мощность навалу приблизительно пропорциональна моменту 2 P M M = Ω ≡ . В то время как у двигателей последовательного возбуждения 2 / n U M P M ≈ ⇒ ≡ и при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность меняется существенно меньше, чему двигателей параллельного возбуждения. Поэтому для двигателей последовательного возбуждения перегрузки по моменту менее опасны и эти двигатели имеют существенные преимущества при эксплуатации в приводах с тяжёлыми условиями пуска и изменений нагрузки. До недавнего времени они широко применялись в электротранспорте ив подъемно- транспортных механизмах, нос развитием преобразовательной техники их всё чаще заменяют более надёжными и дешёвыми асинхронными двигателями. Регулирование скорости вращения двигателей последовательного возбуждения возможно теми же способами, что и двигателей параллельного возбуждения. На риса показаны характеристики и схема регулирования скорости двигателя с помощью управляемого выпрямителя (УВ), питающегося от сети переменного тока. Приуменьшении напряжения характеристики становятся мягче, пусковой момент уменьшается, но положение асимптоты, к которой стремится скорость вращения при увеличении нагрузки, сохраняется. Управление магнитным потоком в двигателях последовательного возбуждения обычно осуществляют с помощью реостата ш, шунтирующего об- Рис. 12.14 мотку возбуждения. Приуменьшении сопротивления шунта ток в обмотке возбуждения уменьшается. Механические характеристики становятся мягче, и асимптота скорости вращения смещается вниз. Похожая картина наблюдается при увеличении добавочного сопротивления д, стой лишь разницей, что искусственные характеристики не пересекают естественную характеристику. 12.7.4. Тормозные режимы двигателей последовательного возбуждения Перевод двигателя последовательного возбуждения в генераторный режим вращающим моментом нагрузки невозможен, т.к. скорость холостого хода у него равна бесконечности, что выражается в отсутствии участка механической характеристики во втором квадранте. Поэтому рекуперативное торможение осуществляют переключением обмотки возбуждения на параллельное соединение. Режимы торможения противовключением и динамического торможения можно получить также как в двигателях параллельного возбуждения. Характеристики двигателей смешанного возбуждения Двигатели последовательного возбуждения имеют ряд преимуществ перед двигателями с параллельным возбуждением, но опасность разрушения двигателя при малых нагрузках, а также некоторая сложность режима рекуперации энергии заставляют принимать меры, исключающие эти недостатки. Для этого на полюсах двигателя наматывают две обмотки. Одну из них включают параллельно обмотке якоря ОВ 1 , а другую – последовательно ОВ 2 (рис. 12.15, а. В зависимости от числа витков и величины тока в обмотках соотношение МДС обмоток может быть разным. Обычно МДС одной из обмоток в номинальном режиме составляет около 70% общей МДС, и эта обмотка считается основной. Кроме того, обмотки могут быть включены согласно или встречно. При всех этих комбинациях получаются различные характеристики и свойства двигателя. Наиболее часто встречаются двигатели, у которых обмотки соединены согласно и основной является параллельная обмотка. Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения представляет собой нечто среднее между характеристиками двигателей параллельного и последовательного 2 возбуждения (рис. 12.15, б. Она позволяет получить значительный пусковой момент и обеспечивает устойчивую работу при любом характере нагрузки двигателя. При этом исключается возможность чрезмерного повышения скорости вращения при холостом ходе. Рис. 12.15 Используя шунтирующие и добавочные сопротивления в цепях обмоток возбуждения можно получить практические любую промежуточную механическую характеристику. Вопросы для самопроверки 1. Чем объясняется увеличение скорости вращения двигателя последовательного возбуждения приуменьшении нагрузки навалу. Почему в двигателях последовательного возбуждения невозможно создать режим рекуперативного торможения повышением скорости вращения 3. Укажите достоинства, недостатки и область применения двигателей последовательного возбуждения. 4. Как реализуют рекуперативное (динамическое) торможение в двигателях последовательного возбуждения 5. Как реализуют реверсирование в двигателях последовательного возбуждения 6. Какое включение обмоток чаще всего используется в двигателях смешанного возбуждения |