Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
Моментная характеристика Моментная характеристика двигателя М (IЯ) представляет собой зависимость вращающего момента двигателя от тока нагрузки, потребляемого якорем от сети: М = cM Ф IЯ . При условии, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки Ф = const, моментная характеристика двигателя М (IЯ) является прямолинейной и проходит через начало координат. Механическая характеристика Механическая характеристика двигателя n (М) представляет собой зависимость частоты вращения якоря от тормозного момента нагрузки на валу двигателя. Из формул вращающего момента двигателя М = cM Ф IЯ и частоты вращения якоря n = ( U – RЯ IЯ ) / сЕ ФВ можно получить уравнение механической характеристики: n = (U / сЕ ФВ ) – RЯ М / сЕ cM ФВ 2 = nо - Δ n , - здесь nо = U / сЕ ФВ - частота вращения идеального холостого хода при работе двигателя без потерь М = 0, IЯ = 0, Δ n = RЯ М / сЕ cM ФВ 2 = RЯ IЯ / сЕ ФВ - изменение частоты вращения, обусловленное возрастанием тока нагрузки при увеличении тормозного момента нагрузки, RЯ IЯ = Δ UЯ - падение напряжения в обмотке якоря. С целью тепловых потерь в якоре и повышения экономичности двигателя обмотку якоря выполняют с очень малым сопротивлением, поэтому падение напряжения в обмотке якоря в номинальном режиме обычно невелико и составляет 5 - 10 % от напряжения питающей сети. При условии, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки Ф = const, механическая характеристика двигателя n (М) также является линейной и имеет слабо падающий вид при возрастании тормозного момента нагрузки на валу двигателя. Уменьшение частоты вращения двигателя при увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной невелико и составляет около Δ n = 5 - 10 % от частоты вращения идеального холостого хода nо, что объясняется малым падением напряжения в обмотке якоря двигателя. Энергетическая (экономическая) характеристика К энергетической характеристике двигателя постоянного тока относится зависимость КПД от коэффициента загрузки η (β ) или от механической мощности нагрузки на валу двигателя η (P2) . На этой зависимости можно выделить три характерных участка: 1. Оптимальный режим работы ДПТ близкий к номинальному (коэффициент загрузки β = 0,7 - 1,0), в котором двигатель имеет высокий КПД порядка 0,8 - 0,9 и выше. 2. Режим сильной недогрузки β < 0,3 - 0,4 , в котором КПД значительно снижается по сравнению с номинальным режимом. 3. Режим перегрузки β > 1,0 , в котором КПД снижается незначительно по сравнению с номинальным режимом, но длительная работа с перегрузкой приводит к перегреву и резкому сокращению срока службы двигателя. Пуск двигателей постоянного тока В момент пуска двигателя постоянного тока, когда якорь неподвижен, а обмотка якоря включена в сеть, двигатель находится в самом тяжелом режиме и в его обмотках протекает большой пусковой ток во много раз превышающий номинальное значение. Поскольку большой пусковой ток протекает по обмоткам электродвигателя кратковременно только в процессе пуска - всего несколько секунд, то он не вызывает сильного нагрева двигателя, если пуски двигателя не являются слишком частыми. Поэтому рекомендуется избегать частых пусков электрического двигателя, а сам процесс пуска и разгона двигателя до номинального режима не должен быть длительным. Кроме того, при пуске электродвигателей большой мощности в питающей сети могут возникать недопустимые падения напряжения, что приводит к неустойчивой работе пусковой аппаратуры, подгоранию контактов и затруднению пуска самого двигателя, а также к нарушению работы уже включённых в сеть двигателей, осветительных устройств и другого электрооборудования. В этих случаях возникает необходимость ограничивать пусковой ток электродвигателей при включении их в питающую сеть. Прямой пуск Прямой пуск ДПТ обычно используется для пуска двигателей малой мощности - обмотка якоря и обмотка возбуждения при выведенном регулировочном реостате RРР = 0 с помощью простейшей пусковой аппаратуры (контактора, пускателя, рубильника) включаются в питающую сеть на номинальное напряжение U = Uном . Для повышения пусковых качеств двигателя и увеличения пускового момента МП = cM Ф IЯП пуск двигателя следует производить при максимальном магнитном потоке, для чего перед пуском необходимо полностью вывести регулировочный реостат в цепи возбуждения RРР = 0 . Преимущества прямого способа пуска: - способ очень прост, экономичен, не требует специальной аппаратуры. Недостатки прямого способа пуска: Большой пусковой ток - кратность пускового тока IЯ П / IЯ ном ≈ 10 - 20 , что вызывает: - большие электрические и тепловые перегрузки питающей сети, пусковой аппаратуры и самого двигателя особенно при частых пусках; - дестабилизацию напряжения питающей сети - в момент пуска напряжение кратковременно снижается, что нарушает работу включённых в сеть потребителей; - резкое ухудшение коммутации, что вызывает сильное искрение и даже появление «кругового огня» на коллекторе (короткое замыкание), что в свою очередь вызывает быстрый износ и разрушение коллектора; - появление большого пускового момента и сильных динамических (ударных) нагрузок на вал двигателя и передаточные устройства. Кроме того, очень большой пусковой ток может вызвать перегорание плавких предохранителей и сбои при запуске двигателя. Появление большого тока при прямом пуске объясняется тем, что рабочий ток якоря зависит только от величины противо-ЭДС IЯ = (U - E)/ RЯ . Величина противо-ЭДС, наводимой в обмотке якоря, в свою очередь зависит от частоты вращения якоря E = сЕ ФВ n и в номинальном режиме составляет Е = (0,9 - 0,95)U. Падение напряжения в обмотке якоря двигателя (U - E) = RЯ IЯ = Δ UЯ в номинальном режиме обычно невелико и составляет порядка 5 - 10 % от номинального напряжения сети. При пуске двигателя в начальный момент якорь неподвижен n = 0 и наводимая в нём противо-ЭДС равна нулю E = сЕ ФВ n = 0, поэтому при прямом пуске всё приложенное к якорю напряжение уравновешивается падением напряжения в обмотке якоря и пусковой ток достигает очень большой величины: IЯП = (U - E)/ RЯ = (U - сЕ ФВ n)/ RЯ = U / RЯ = (20 – 10) IЯ ном. Большая кратность пускового тока определяется отношением величины приложенного к якорю напряжения и падения напряжения в обмотке якоря в номинальном режиме: IЯ П / IЯ ном = U / Δ UЯ ном = 20 - 10 . Большой пусковой ток недопустим особенно при пуске двигателей средней и большой мощности, поэтому при пуске таких двигателей используют способы, которые ограничивают пусковой ток до кратности порядка 2 – 2,5 от номинального тока, что позволяет двигателю развивать достаточный пусковой момент и в значительной степени устраняет недостатки прямого пуска. Снижение пускового тока и улучшение условий пуска двигателя может быть достигнуто следующими способами: 1. Изменением напряжения при независимом питании якоря двигателя от источника с регулируемым напряжением, например, тиристорного выпрямителя. 2. Изменением сопротивления цепи якоря с помощью пускового реостата, включённого последовательно с обмоткой якоря (реостатный способ пуска). Пуск ДПТ при пониженном напряжении Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска двигателей средней и большой мощности с целью снижения пускового тока и устранения связанных с этим недостатков прямого пуска. При этом способе обмотка возбуждения при выведенном регулировочном реостате RРР = 0 включена на номинальное напряжение, а на обмотку якоря в момент пуска подается от регулируемого источника питания пониженное по сравнению номинальным напряжение ΔU < Uном . В процессе разгона двигателя напряжение на якоре плавно повышают и после окончания пуска якорь двигателя подключается на номинальное напряжение питающей сети U = Uном и двигатель выходит на естественную рабочую характеристику. Такой способ сложен и дорог, однако при этом снижается пусковой ток до допустимой величины IЯ П / IЯ ном ≈ 2 – 2,5 , что позволяет двигателю развивать достаточный пусковой момент и в значительной степени устраняет недостатки прямого пуска. Реостатный способ пуска дпт В настоящее время наибольшее распространение получил реостатный способ пуска - обмотка возбуждения при выведенном регулировочном реостате RРР = 0 включена на номинальное напряжение, а для ограничения пускового тока в цепь якоря последовательно с обмоткой якоря двигателя включается специальный пусковой реостат RПР . Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал допустимого значения IЯП = (U - E)/ (RЯ + RПР) ≤ (2 – 2,5) IЯ ном . В момент подачи напряжения на двигатель при замыкании пускателя QF обмотка возбуждения включается в сеть, а ручка пускового реостата находится в исходном положении «0», в котором цепь якоря разомкнута. Для запуска двигателя ручка пускового реостата переводится в положение «1» и двигатель запускается при полностью включённом реостате, что обеспечивает заданное снижение пускового тока якоря. В процессе разгона двигателя пусковой реостат ступенями выводится (положения 1 → 2 → 3) и после окончания пуска реостат полностью выведен (положение 3, RПР = 0), а двигатель выходит на естественную (безреостатную) рабочую характеристику. Следует отметить, что реостат, включённый последовательно в цепь якоря и рассчитанный на длительную работу, может использоваться как в качестве пускового RПР, так и в качестве регулировочного R*. Реверсирование двигателей постоянного тока Изменение направления вращения якоря двигателя можно осуществить одним из двух способов: 1. Изменением полярности включения в сеть обмотки якоря; 2. Изменением полярности включения в сеть обмотки возбуждения. При реверсировании двигателя под напряжением применяется только первый способ - обмотка возбуждения остаётся включённой в питающую сеть, а переключатель QF из положения 1-1 переводится в положение 2-2, в результате чего обмотка якоря отключается от сети и снова включается в сеть с изменённой полярностью. Второй способ при реверсировании двигателя под напряжением не применяется, поскольку при отключении от сети обмотки возбуждения в ней наводится значительная ЭДС самоиндукции е = - d Ф /d t , опасная для целостности изоляции обмотки. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока Из уравнения электрического равновесия двигателя постоянного тока с регулировочным реостатом в цепи якоря U = E + (R Я + R*) IЯ и формул ЭДС Е = сЕ Ф n и вращающего момента М = cM Ф IЯ можно получить формулу частоты вращения ДПТ с параллельным возбуждением: n = (U / сЕ Ф ) – (RЯ + R*) М / сЕ cM Ф 2 , - здесь U / сЕ Ф = nо - частота вращения идеального холостого хода при работе двигателя без потерь М = 0, Ф - магнитный поток машины (без учёта реакции якоря Ф = ФВ). Из полученной формулы следует, что частоту вращения ДПТ можно регулировать следующими способами: 1. Изменением магнитного потока возбуждения - полюсный способ. 2. Изменением подаваемого на якорь напряжения - якорный способ. 3. Изменением сопротивления реостата в цепи якоря - реостатный способ. Полюсный способ Полюсный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением магнитного потока возбуждения Ф = var с помощью изменения сопротивления регулировочного реостата в цепи возбуждения RРР = var . В номинальном режиме регулировочный реостат с целью снижения тепловых потерь полностью выведен (положение 1, RРР = 0). При регулировании реостат RРР частично (положение 2) или полностью (положение 3) вводится и его сопротивление возрастает RРР á. В результате возрастает сопротивление цепи возбуждения (RРР á + RОВ), что вызывает снижение тока возбуждения IB â и уменьшение магнитного потока двигателя Ф â. Снижение магнитного потока приводит в свою очередь к увеличению частоты вращения идеального холостого хода nоá и рабочей частоты вращения якоря n á > n ном: n = (U / сЕ Ф) – RЯ М / сЕ cM Ф 2 . Преимущества: 1. Простота; 2. Плавность регулирования частоты вращения двигателя; 3. Способ экономичен вследствие малых тепловых потерь в реостате (RРР IВ2 ); 4. Большой диапазон регулирования вверх от номинала D = n / n ном = 2 : 1 и даже 5 : 1 – для специальных конструкций двигателей. Недостатки – способ не позволяет регулировать частоту вращения вниз от номинала. ЯКОРНЫЙ СПОСОБ Якорный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением напряжения, подаваемого на якорь U = var, при независимом питании обмотки возбуждения. Для питания обмотки якоря двигателя обычно используется тиристорный регулируемый источник напряжения, с помощью которого можно плавно понижать напряжение на якоре Uâ < U ном , что приводит в свою очередь к снижению частоты вращения идеального холостого хода nоâ и рабочей частоты вращения якоря n â < n ном: n = (U / сЕ Ф) – RЯ М / сЕ cM Ф 2 . Преимущества: 1. Плавность регулирования частоты вращения двигателя; 2. Высокая экономичность; 3. Большой диапазон регулирования вниз от номинала D = n / n ном = 1 : 10; Недостатки – способ дорог. NB. Якорный способ регулирования в сочетании с полюсным регулированием реостатом в цепи возбуждения позволяет в широком диапазоне плавно регулировать частоту вращения двигателя как вниз, так и вверх от номинала. РЕОСТАТНЫЙ СПОСОБ Реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря R* = var. В номинальном режиме регулировочный реостат в цепи якоря с целью снижения тепловых потерь полностью выведен (положение 1, R* = 0). При регулировании реостат частично (положение 2) или полностью (положение 3) вводится и его сопротивление возрастает R* á. В результате увеличивается сопротивление цепи якоря (R* á + RЯ), что при сохранении частоты вращения идеального холостого хода nо= const приводит к снижению частоты вращения якоря n â < n ном : n = (U / сЕ Ф ) – (RЯ + R*) М / сЕ cM Ф 2 Преимущества: 1. Простота; 2. Плавность регулирования частоты вращения двигателя; 3. Большой диапазон вниз от номинала D = n / n ном = 1 : 2 Недостатки: 1. Способ неэкономичен вследствие больших тепловых потерь в реостате (R* IЯ2 ); 2. Снижается жёсткость механической характеристики, что снижает стабильность работы двигателя |dn/dM| á. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА Работа электропривода большинства производственных механизмов состоит из трех этапов: пуск в ход, технологическая операция и останов. После отключения двигателя от сети его останов (торможение) происходит под действием сил трения, при этом кинетическая энергия движущихся частей выделяется в виде тепла в узлах трения механизма и двигателя. В тех случаях, когда запас кинетической энергии велик, а силы трения малы, время торможения может составить десятки секунд и даже несколько минут. Сокращение времени торможения, особенно когда длительность технологической операции мала, может значительно повысить производительность рабочего механизма, так как в режиме торможении обычно полезной работы не совершается. Для сокращения времени торможения в большинстве случаев применяют механические тормоза, которые имеют ряд существенных недостатков - быстрый износ трущихся поверхностей, трудность регулирования силы трения, громоздкость тормозного механизма и др. В настоящее время для торможения электропривода широко используются тормозные свойства самого приводного двигателя, что во многих случаях позволяет отказаться от механических тормозов. Механические тормоза необходимы как запасные или аварийные, если откажет электрическое торможение, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии при неработающем двигателе. Во всех тормозных режимах двигатель развивает электромагнитный момент, действующий против направления вращения ротора и потому называемый тормозным моментом. Под действием тормозного момента в одних случаях происходит быстрый останов, в других - поддержание частоты вращения заданной величины. Для сокращения времени переходных процессов двигатель постоянного тока может использоваться в нескольких режимах электрического торможения. ТОРМОЖЕНИЕ ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЕМ Для торможения ДПТ способом противовключения используется схема реверсирования - обмотка возбуждения остаётся включённой в питающую сеть, а переключатель QF из положения 1-1 переводится в положение 2-2, в результате чего обмотка якоря отключается от сети и снова включается в сеть с изменённой полярностью. При этом изменяется направление тока якоря и направление электромагнитного момента, который теперь действует против вращающегося по инерции якоря, т.е. является тормозящим моментом. Преимущества - способ прост и эффективен, торможение практически мгновенное. Недостатки:1). Опасность реверсирования двигателя. 2). Очень большой тормозной ток, практически в 2 раза превышающий пусковой, что вызывает серьёзные нарушения в работе питающей сети и самого двигателя (см. Прямой пуск ДПТ). ДИНАМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ Для торможения ДПТ динамическим способом обмотка возбуждения остаётся включённой в питающую сеть, а переключатель QF из положения 1-1 переводится в положение 2-2, в результате чего обмотка якоря отключается от сети и замыкается накоротко или на тормозной резистор R т с целью снижения тока якоря. Отключённый от сети U = 0 и замкнутый на резистор двигатель переходит в генераторный режим и вырабатывает электрическую энергию за счёт кинетической энергии вращающегося привода E = сЕ ФВ n . При этом изменяется направление тока якоря IЯ = (U - E)/ RЯ и направление электромагнитного момента, который теперь действует против вращающегося по инерции якоря, т.е. является тормозящим моментом. Преимущества - способ прост и эффективен. Недостатки - большой тормозной ток при замыкании обмотки якоря накоротко (практически равный пусковому). ГЕНЕРАТОРНОЕ (РЕКУПЕРАТИВНОЕ) ТОРМОЖЕНИЕ Режим генераторного торможения возникает самопроизвольно при условии, когда частота вращения якоря n становится больше частоты вращения идеального холостого хода: n > nо. Такой режим возникает, например, при опускании груза, когда под действием его веса частота вращения якоря увеличивается и становится больше синхронной. При этом двигатель переходит в генераторный режим, а кинетическая энергия привода превращается в электрическую энергию и поступает в питающую сеть. Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим, спуск груза притормаживается и тем самым ограничивается скорость опускания груза, хотя двигатель продолжает вращаться в том же направлении с повышенной частотой n > nо. |