Рис. 2.62 – Схема двигателя с последовательным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.62, а) ток возбуждения Iв = Iа, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря 1а < (0,8 ÷ 0,9) Iном, когда магнитная система машины не насыщена Ф = kфIа, причем коэффициент пропорциональности kФ в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем Iа, и при больших нагрузках (Iа > Iном) можно считать, что Ф = const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n = f(Ia) и M – f(Ia).

При токе якоря Iа < (0,8 ÷ 0,9) Iном частота вращения

,                   (2.78)

где с1 и с2 – постоянные.

Следовательно, скоростная характеристика двигателя n = f (Ia) имеет форму гиперболы (рис. 2.62, б).

При токе якоря Iа > Iном частота вращения

,            (2.78а)

где с'1 и с'2 – постоянные.

В этом случае скоростная характеристика n = f(Ia) становится линейной.

Аналогично может быть получена зависимость электромагнитного момента от тока якоря–M = f(Ia). При Iа < (0,8 ÷ 0,9) Iиом электромагнитный момент

,                                   (2.79)

где c3 – постоянная.

Следовательно, моментная характеристика М = f(Iа) имеет форму параболы (рис. 2.62, б).

При Iа > Iном электромагнитный момент

,                                                  (2.79а)

где с'3–постоянная.

В этом случае зависимость M = f(Ia) становится линейной.

Механические характеристики n = f(M) (см. рис. 2.63, а) могут быть построены на основании зависимостей ni = f(Ia) и M=f(Ia). При токе якоря, меньшем (0,8 ÷ 0,9) Iном, частота вращения изменяется по закону

,                      (2.80)

где с»1–постоянная.

При токе якоря, большим Iном, зависимость n = f(M) становится линейной.

Кроме естественной характеристики 1, путем включения добавочных пусковых сопротивлений rп в цепь якоря можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям rп2, rп3 и rп4; причем чем больше гп, тем ниже располагается характеристика.

Из рис. 2.63, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются «мягкими» и имеют гиперболический характер.

Рис. 2.63 – Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением

При малых нагрузках частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 –0,25) Iном; только двигатели очень малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеют место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Объясняется это тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность

,                                     (2.81)

где с4 – постоянная.

При мягкой характеристике двигателя с последовательным возбуждением частота вращения n обратно пропорциональна , вследствие чего

,                                   (2.81а)

где c'4 – постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р2, а следовательно, мощность Р1 и ток Iа у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки; например, при заданной кратности перегрузки по моменту М/Мном = kM ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в kM раз, а в двигателе с последовательным возбуждением–только в  раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока Iп/Iном = ki пусковой момент его Мп = k2iМном, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением Мп = kiМном.

На рис. 2.63, б приведены рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением. Характеристики n = f(P2) и M = f(Р2), как следует из рассмотренных ранее положений, являются нелинейными; характеристики P1 = f (P2), Iа = f(P2) и η = f(Р2) имеют примерно такую же форму, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Рис. 2.64 – Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.64, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.64, б, кривые 3 и 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения м. д. с. параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристику двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой м. д. с. параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со. смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения холостого хода n0 имеет конечное значение.

2.11 Пуск в ход электродвигателей постоянного тока

Для пуска двигателей постоянного тока могут быть применены три способа:

1) прямой пуск, при котором обмотка якоря подключена непосредственно к сети;

2) реостатный пуск с помощью пускового реостата, включаемого в цепь якоря для ограничения тока при пуске;

3) пуск путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения Iном∑r во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5–10% от Uном, поэтому при прямом пуске ток якоря Iп = Uном/∑r = (10 ÷ 20) Iном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. По этой причине прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ∑r относительно велико, и лишь в отдельных случаях–для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей Iп = (4 ÷ 6) Iном.

Переходный процесс изменения частоты вращения n и тока якоря ia в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Тм. Для установления характера изменения n и ia при пуске двигателя с параллельным возбуждением будем исходить из уравнений:

;                                                    (2.82а)

,                           (2.82б)

где J – момент инерции вращающихся масс электродвигателя и сочлененного с ним производственного механизма; Мн–тормозной момент, создаваемый нагрузкой.

Из (2.82б) определяем ток якоря

.                                           (2.83)

Подставляя его значение в (2.82а), получаем

                               (2.84а)

,                                       (2.84б)

или

U где  – частота вращения при идеальном холостом ходе;

 уменьшение частоты вращения при переходе

от холостого хода к нагрузке; nн = n0 – Δnн–установившаяся частота вращения при нагрузке двигателя;  – электромеханическая постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса.

При этом Iн = Мн/(смФ) – установившийся ток якоря после окончания процесса пуска, определяемый нагрузочным моментом Мн.

Решая уравнение (2.84б), получаем

.                                            (2.85а)

Постоянную интегрирования А находим из начальных условий: при t = 0; n = 0 и А = – nн. В результате имеем

.                                           (2.85б)

Рис. 2.65 – Переходный процесс изменения частоты вращения и тока якоря при прямом пуске двигателя постоянного тока

Зависимость тока якоря от времени при пуске двигателя определяется из (2.83). Подставляя в него значение

,                                           (2.85в)

полученное из (2.846) и (2.856), и заменяя nн = n0 – Δn, имеем

.                                 (2.86а)

Учитывая значение Δnн, n0, Тм и Мн/смФ, получим

,                                         (2.86б)

где Iнач = U/∑r – начальный пусковой ток.

На рис. 2.65 приведены зависимости изменения тока якоря и частоты вращения (в относительных единицах) при прямом пуске двигателя с параллельным возбуждением. Время переходного процесса при пуске принимается равным (3–4) Тм. За это время частота вращения n достигает (0,95 – 0,98) от установившегося значения nн, а ток якоря Iа также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее распространение. В начальный момент пуска при n = 0 ток Iп = U/(∑r + rп). Максимальное сопротивление пускового реостата rп подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощностей ток якоря при пуске Iп = (1,4 ÷ 1,8) Iном, а для машин малой мощности Iп = (2 ÷ 2,5) Iном. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 2.66, а), соответствующей максимальному значению сопротивления rп пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мп.макс.

Рис. 2.66 – Изменение частоты вращения и момента при реостатном пуске двигателей с параллельным и последовательным возбуждением

Регулировочный реостат rр.в в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения Iв и поток Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения растет э. д. с. Е и уменьшается ток якоря Ia=(U – E)/(∑r +rп). При достижении некоторого значения Мп.мин часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Мп.макс. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до достижения Mп.мин. Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6,5,4,3 и 2 (см. жирные линии на рис. 2.66, а) до выхода на естественную характеристику 1. Средний вращающий момент при пуске Мп.ср = 0,5 (Мп.макс +Мп.мин) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же образом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис. 2.66, б). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности Mп.макс – Мп.мин).

Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.

На рис. 2.67 показаны зависимости тока якоря ia, электромагнитного момента М, момента нагрузки Мн и частоты вращения n при реостатном пуске двигателя (упрощенные диаграммы).

Рис. 2.67 – Переходный процесс изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя постоянного тока

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря ia достигает некоторого максимального значения, а затем уменьшается согласно уравнению (2.85б) до минимального значения. При этом электромеханическая постоянная времени и начальный ток будут иметь различные для каждой ступени пускового реостата значения:

;

В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Частота вращения n изменяется согласно уравнению

,                                         (2.86в)

где nнач–начальная частота вращения при работе на соответствующей ступени пускового реостата.

Заштрихованная на рис. 2.67 область соответствует значениям динамического момента Мдин = М – Мн, обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществлять путем плавного повышения напряжения, подаваемого на его обмотку. Но для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.

2.12 Принципы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока определяется формулой

.                                    (2.87)

Следовательно, ее можно регулировать тремя методами:

1) включением добавочного резистора или реостата rдоб в цепь обмотки якоря;

2) изменением магнитного потока Ф;

3) изменением питающего напряжения U.

На примере двигателя с параллельным возбуждением рассмотрим принципиальные особенности, свойственные этим методам регулирования.

Включение реостата в цепь якоря. При включении реостата в цепь якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата:

.          (2.88)

Это наглядно показано на рис. 2.68, где приведены характеристики двигателя с параллельным возбуждением: 1 – естественная (при rдо6 = 0); 2-реостатная (при rдоб > 0) Частоты вращения n0 при холостом ходе для обеих характеристик равны, в то время как значения уменьшения частоты вращения Δn при нагрузке различны. При одном и том же токе якоря

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23