Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока

63

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ)

1.1 Устройство КДПТ

К основным элементам КДПТ (в общем случае) относятся.

1) Статор (индуктор).

Неподвижная часть ДПТ. Включает в себя полюса и ярмо, к которому прикрепляются полюса.

Ярмо (станина) выполняет две функции:

- механической детали (корпуса);

- активной части (участка магнитопровода), т.е. должна быть выполнена из ферромагнитной стали.

Через станину (ярмо) проходит постоянный магнитный поток, не индуктирующий в ней вихревых токов, то есть она может выполняться монолитной.

2) Полюса.

Полюса равномерно распределены на внутренней поверхности станины.

2-1) Главные полюса.

Два варианта:

- на главных полюсах располагаются катушки возбуждения.

- главные полюса представляют собой постоянные магниты.

Хотя через сердечники главных полюсов проходит постоянный поток, они чаще всего выполняются все же шихтованными - состоящими из отдельных пластин, стянутых заклепками, шпильками или др. Такое решение диктуется скорее удобством изготовления полюса, чем стремлением ограничить вихревые токи.

Ось, проходящая ровно посередине между главными полюсами (поперечная ось), называется геометрической нейтралью.

2-2) Добавочные полюса (могут и отсутствовать).

Добавочные полюса предназначены для обеспечения безыскровой коммутации (компенсирования реактивной ЭДС). Обмотки, устанавливаемые на добавочных полюсах, включаются последовательно в цепь якоря.

3) Ротор (чаще называется якорем).

3-1) Сердечник, набранный из листов электротехнической стали.

3-2) Обмотка якоря, по которой течет переменный ток.

Обмотка якоря располагается в пазах сердечника ротора.

Обмотка якоря состоит из секций, каждая из которых присоединяется своими концами к двум коллекторным пластинам и содержит один или несколько витков [32].

В зависимости от числа секций, расположенных в одном пазу ротора, обмотка якоря может выполняться:

- однослойной (при P_ном < 0,5 кВт [32]);

- двуслойной.

Во втором случае в каждом пазу ротора обмотка располагается в два слоя: одна сторона каждой секции -- в верхнем слое соответствующих пазов, а другая сторона -- в нижнем слое другого паза. При этом обеспечивается более удобное расположение выходящих из пазов лобовых частей обмотки якоря. При двуслойной обмотке якоря число пазов якоря Z равно числу секций S [32].

Рис.1. Секция волновой обмотки	В ДПТ с номинальной мощностью до Рном = 80 ? 100 кВт используется простая волновая обмотка (рис.1); при мощностях Рном < 50 кВт - с числом витков в секции wc > 1 [32]. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь, т.е к каждой коллекторной пластине присоединены два вывода от двух соседних секций [32].

4) Коллектор.

Коллектор предназначен для изменения направления тока в проводах обмотки, при переходе проводников из зоны действия одного полюса в зону действия другого полюса (т.е. через геометрическую нейтраль) [42].

Коллектор размещается на общем с якорем валу и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала.

Поскольку каждая секция обмотки имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S [32].

Число коллекторных пластин (и секций) должно быть таким, чтобы:

- пульсации электромагнитного момента были невелики;

- напряжение между соседними коллекторными пластинами не превышало 18--22 В (актуально при высоком напряжении питания) [32].

5) Щетки коллектора

Щетки коллектора служат для обеспечения контакта между цепью источника питания и пластинами коллектора (секциями обмотки якоря).

Число щеток равно числу главных полюсов [37].

Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения направления тока в них на обратное называется коммутацией [25].

Щетки могут быть угольными, графитовыми, композитными и др.

Щетки ДПТ устанавливаются в щеткодержатели, которые ориентируют и прижимают с помощью пружин щетку к пластинам коллектора. Отметим, что со временем щетки изнашиваются, и сила их нажатия на коллектор ослабевает.

Щеткодержатели размещают на специальных пальцах траверсы, смонтированной на внутренней стороне подшипникового щита. Траверса имеет возможность поворота вокруг оси машины и фиксации её в любом выбранном положении. Это позволяет при необходимости регулировать положение щеток на коллекторе из условия минимального искрения в щеточном контакте.

Щетки должны быть расположены в пространстве таким образом, чтобы коммутация происходила в моменты периода ЭДС через ноль [12].

Направление потока реакции якоря совпадает с линией, на которой размещены щетки машины. При установке щеток на геометрической нейтрали поток, создаваемый током якоря (поле якоря), направлен поперек оси полюсов. Отсюда название - поле поперечной реакции якоря [32].

Поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля и нейтральная линия на поверхности якоря, на которой индукция В = 0, поворачивается из положения геометрической нейтрали на некоторый угол в против направления вращения (для двигателя) в положение, которое называется линией физической нейтрали [32].

Чем больше нагружена машина, тем больше ток якоря, происходит большее искажение поля и увеличение угла в.

Большинство ДПТ на ЛА выполняется цилиндрической формы. Отношение длины к внешнему диаметру составляет от 1,0 до 2,5 [7].

1.2 Принцип действия КДПТ

Коллектор ДПТ с помощью щеток инвертирует постоянный ток внешнего источника (сети) в переменный ток в секциях якорной обмотки. Форма тока якоря близка к прямоугольной (если пренебречь временем коммутации) [19].

ОВ (на которую также подается напряжение постоянного тока либо от того же источника, либо от отдельного источника в случае независимого возбуждения) или постоянный магнит создает магнитного поле возбуждение.

Электромагнитный момент, вращающий ротор КДПТ, представляет собой произведение силы, действующей на все N проводников обмотки якоря, на плечо (половину диаметра якоря).

1.3 Выражение для электромагнитного момента КДПТ

Среднее значение магнитной индукции определяется как отношение суммарного потока всех полюсов на поверхность расточки якоря:

В=2рФ/(рDl). (2)

С учетом параллельных ветвей ток, протекающий по проводнику, соотносится с током якоря I_я следующим образом: I_я1=I_я/(2a).

Подставим введенные соотношения в выражение для электромагнитного момента, который, как известно, является произведением силы, действующей на все N проводников обмотки якоря двигателя, на плечо (половину диаметра якоря). В результате получим:

(3)

Угловая частота основной гармоники тока якоря всегда равна электрической угловой частоте вращения ротора, что обеспечивает взаимную неподвижность полей возбуждения и якоря и, следовательно, создание одинаково направленного момента при любой скорости ротора [19].

Мгновенное значение электромагнитного момента также может быть записано в виде выражения:

(4)

В машинах переменного тока изменение потокосцепления происходит вследствие изменения магнитной индукции, а в машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления секции якоря с полем возбуждения из-за вращения ротора [12].

1.4 Уравнение движения (применимо ко всем двигателям)

При вращении якоря ДПТ преодолевает момент собственного сопротивления вращению M₀ (момент холостого хода) и статический момент сопротивления внешней нагрузки М_с.

Момент M₀ расходуется на покрытие:

- механических потерь (трение в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины)

- потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

Таким образом, на вал (к нагрузке) поступает электромагнитный момент двигателя за вычетом момента M₀

М_в=М-М₀ (5)

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, движущие и тормозящие вращающие моменты, действующие на это тело, уравновешивают друг друга. Поэтому в ДПТ при установившемся режиме работы (когда двигатель вращается с постоянной скоростью) электромагнитный момент

М_в =М_с

М=М_с+М₀

В переходных режимах в системе действует также динамический момент М_дин и наблюдается следующее равенство моментов: М=М_с+М₀+М_дин.

Зависимость угловой скорости двигателя от времени определяется уравнением движения:

М_в-М_с = Jd/dt. (7)

В уравнении (7) индекс "в" у момента на валу, как правило, опускается.

1.5 Выражение для противоЭДС

Проводники обмотки якоря двигателя вращаются в магнитном поле полюсов, и поэтому в обмотке якоря двигателя (как и у генератора) индуктируется ЭДС Е. В двигателе эта ЭДС направлена против тока I_я и приложенного к зажимам якоря напряжения U. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоЭДС [33].

ЭДС, наводимая в одном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле:

Е₁=Вlv, (8)

где v - линейная скорость движения проводника:

v=D/2 (9)

Полная ЭДС якоря

(10)

1.6 Достоинства и недостатки КДПТ

1.6.1 Достоинства КДПТ

1) Большая кратность пускового момента (в особенности, если допустим прямой пуск) [23].

2) Большая перегрузочная способность [4].

3) Возможность получения различной скорости вращения при любой частоте напряжения сети.

4) Практически линейные регулировочные характеристики, обеспечивающие возможность достижения широкого диапазона регулирования [23].

5) Простота регулирования скорости [4].

6) Простота реверсирования [5].

7) Возможность управления ДПТ по слаботочным цепям возбуждения [5].

1.6.2 Недостатки КДПТ

Недостатки КДПТ в основном связаны с наличием щеточно-коллекторного узла.

1) Более высокая стоимость по сравнению с АД.

2) Более сложная эксплуатация по сравнению с АД.

Щеточно-коллекторные узлы ДПТ необходимо регулярно осматривать, при необходимости коллекторы чистить, а изношенные щетки заменять. При загрязнении внутренних полостей машины они продуваются сжатым воздухом под давлением (1...1,5)*10⁵ Н/м² [2].

3) Худшие массогабаритные показатели по сравнению с АД.

4) Нестабильность параметров, вызванная изменением состояния щеточно-коллекторного контакта.

5) Меньшая надежность и ресурс.

В среднем 25% отказов у КДПТ происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла [8]; срок службы современных КДПТ составляет 200-500 часов и не превышает 1000 часов при сроке службы планера 30000 часов [21].

6) Акустический шум.

7) Возможное искрение на коллекторе.

Как отмечалось ранее, рост высоты приводит к снижению электрической прочности, влажности и плотности воздуха. Это приводит к возрастанию искрения в контакте, ухудшению естественной «смазки» и быстрому механическому износу контактов. По этим причинам использование щеточного контакта в естественных условиях при высотах более 18...20 км практически невозможно [8]. Кроме того, искрение под щетками ужесточает требования к окружающей среде и дополнительно ограничивает, тем самым, область применения, исключая, например, присутствие воспламеняющихся газов или паров.

8) Радиопомехи.

Источником радиопомех главным образом является искрение, возникающее при коммутации коллекторных машин (следствие недостатка 7).

При искрении и дугообразовании создается непрерывный спектр высокочастотных колебаний, которые наводят помехи в радиоприемных и телевизионных устройствах [25].

Коммутация создает электромагнитные колебания высокой частоты (1000--3000 Гц), которые распространяются по электрической сети, присоединенной к машине. Эти колебания вызывают радиопомехи, затрудняющие работу радиотехнической аппаратуры [14].

9) Продукты износа покрывают внутреннюю полость машины тонким проводящим слоем, снижая электрическую прочность изоляции токопроводящих цепей.

10) Ограничение по допустимой скорости ротора ДПТ.

Предельные линейные скорости в контакте щетка - коллектор не должны превышать 80...100 м/с [8] (при диаметре коллектора, например, 100 мм этим линейным скоростям соответствуют частоты вращения 15300...19100 об/мин). Таким образом, применение механического коллектора в высокоскоростных (10⁴ об/мин) и сверхвысокоскоростных (10⁵ об/мин) приводах является недопустимым [23]. Такое ограничение не позволяет создать конструкции коллекторных машин, имеющих высокую мощность при малой массе и габаритах [10].

11) Щеточный контакт не позволяет применить в КДПТ высокоэффективное струйное жидкостное охлаждения [8]. Капли жидкости, попадая на пластины коллектора, смешавшись с угольной пылью, могут перемкнуть пластины и закоротить секции якоря.

12) Плохая работоспособность контактных устройств в условиях ионизирующего излучения и при наличии вибраций [8].

13) Щеточно-коллекторный узел создает дополнительные электрические и механические потери.

1.7 Решение проблем, связанных с щеточно-коллекторным узлом

1.7.1 Использование КДПТ в высотных условиях

На значительных высотах (при отсутствии герметизации пространства, в котором находится машина), плотность воздуха и влажность резко уменьшаются, вследствие чего разрушается оксидная пленка на коллекторе и коэффициент трения между коллектором и щеткой возрастает, что вызывает значительный износ щеток [30].

Решение:

В ДПТ на ЛА применяют специальные меднографитовые щетки марки МГС, предназначенные для работы в высотных условиях до 20 км. Bысотные щетки МГС помогают сохранить оксидную пленку на коллекторе. В основном применяют высотные щетки МГС7, МГС8 и МГС9 [30].

Коллекторные пластины изготовляют из специальной холоднокатаной коллекторной меди. Для коллекторов ДПТ на ЛА применяют кадмиевую медь, обладающую большей механической прочностью и меньшим износом на истирание. Изоляцией между пластинами служит миканит, слюда, пластмасса; изоляцией, отделяющей от корпуса, -- изолирующая пластмасса, миканит и др [30].

1.7.2 Борьба с искрением и радиопомехами

Сущность искрения - возникновение искрового или дугового разряда при размыкании цепи постоянного тока, обладающего индуктивностью. Прерывание тока вызывает резкое повышение напряжения в месте размыкания (сбегающий край щетки), пробой воздушного слоя и образование электрической дуги или искры (в зависимости от мощности контура).

1. Борьба с причинами, вызывающими искрение.

Причины возникновения искрения:

1) Механические причины: нарушение контакта между щетками и коллектором, приводящее к возникновению кратковременного разрыва цепи якоря [14].

- вибрация ДПТ, плохая балансировка машины [25].

Борьба: ликвидация причин, вызвавших вибрацию и причин, усиливающих ее влияние. Увеличение давления на щетки [25].

- неправильный подбор сорта щеток [25].

- некачественная поверхность коллектора: шероховатая, эллиптичная, выступание отдельных коллекторных пластин; выступание слюдяных изолирующих прокладок над пластинами [25];

- плохая стяжка пластин [25];

- плохое закрепление щеток и щеткодержателей;

- неправильный выбор давления пружины на щетку (щетка может отрываться от коллектора).

Борьба:

- поверхность коллектора протачивают, шлифуют и держат в чистоте;

- качественно закрепляют щетки и щеткодержатели и правильно выбирают давление пружины на щетку.

2) Электромагнитные причины: неудовлетворительная коммутация.

При работе ДПТ под нагрузкой суммарное магнитное поле создается потоком обмотки возбуждения и потоком обмотки якоря. Ось потока якоря совпадает с линией геометрической нейтрали. Суммарное магнитное поле, как и ноль суммарной ЭДС, по сравнению с режимом холостого хода, смещается в двигателе против направления вращения [38].

Суммарную ЭДС обмотки якоря можно разложить на две составляющие, создаваемые потоком возбуждения и потоком якоря. ЭДС, создаваемая потоком якоря, называют реактивной ЭДС Е_а (она включает в себя ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции). При замыкании секции ЭДС Е_а вызывает в ней ток, который при размыкании прерывается. Напряжение в месте разрыва резко возрастает и происходит пробой воздушного слоя в виде искрового разряда. Чем больше ток якоря, скорость его вращения и число витков в секции, тем больше величина ЭДС Е_а и тока и тем сильнее искрение.

Борьба:

2.1. Уменьшение реактивной ЭДС и вызванного ею тока [25].

- число витков в секции следует брать наименьшим. Однако, это не всегда можно осуществить, так как при малом числе витков в секции увеличивается число секций, что ведет к необходимости иметь слишком много коллекторных пластин, в результате чего диаметр коллектора получается большим. Применяют в машинах малой мощности [25];

- для того чтобы одновременно коммутировало наименьшее число секций, следует выбирать ширину щетки близкой к ширине одной коллекторной пластины. Однако при этом коллектор используется плохо (слишком удлиняется), поэтому на практике ширину щетки обычно выбирают в 1,5--3 раза больше коллекторной пластины [25];

- следует выбирать низкую скорость вращения, однако это нежелательно, так как тихоходные машины имеют большой вес и габариты [25];

- следует выбирать более жесткие щетки (с повышенным сопротивлением). Однако жесткие щетки ведут к повышению износа коллектора. Применяется в машинах малой мощности [25].

2.2. Компенсация реактивной ЭДС.

Искрение будет отсутствовать, если размыкание секции будет происходить без обрыва тока в ней. Следовательно, для ликвидации искрения нужно скомпенсировать ЭДС Е_а с помощью какой-либо ЭДС противоположного знака, создаваемой внешним полем.

- сдвиг щеток за физическую нейтраль против вращения (рис.3) [25].

- установка добавочных полюсов (рис.4) [25].

В ДПТ малой мощности размещение дополнительных полюсов затруднительно. Отметим, что в микромашинах обмотка якоря имеет относительно большое сопротивление, что несколько облегчает коммутацию [25].

- применение компенсационной обмотки [25].

Компенсационная обмотка закладывается в пазы полюсных наконечников и соединяется последовательно с обмоткой якоря. Создаваемый ею поток и поток реакции якоря должны быть равны и направлены встречно [25].

Выполнение компенсационной обмотки требует большой дополнительной затраты меди, поэтому ее применяют лишь в специальных типах электрических машин и в машинах большой мощности, предназначенных для работы в тяжелых условиях. В ДПТ малой мощности ввиду ограниченности места размещение компенсационной обмотки встречает трудности и поэтому не применяется [25].

2. Экранирование машины.

- корпус машины уже является экраном и поэтому в известном смысле поглощает радиопомехи. Со стороны коллектора часто на торец корпуса надевают защитный металлический колпак.

- вентиляционные отверстия закрывают медной или латунной сеткой;

- выступающий конец вала замыкают специальной щеткой на корпус двигателя;

- внутренние соединения обмоток выполняют экранированными проводами, в некоторых случаях все проводники помещают в алюминиевую или медную панцирную оплетку. Экран проводов или оплетки соединяют с заземленным корпусом [25].

3. Электрические фильтры.

4. Симметрирование ОВ (при последовательном возбуждении) и обмотки добавочных полюсов.

1.8 Массо-энергетические показатели КДПТ

Возможные пути снижения массы двигателей были изложены в Разделе 1, п.1.8.7.

При прочих равных условиях:

1) Чем выше номинальная частота вращения ДПТ, тем меньше его масса.

2) Чем больше диапазон регулирования D=_max/_min, тем больше масса двигателя или, при заданных габаритах, тем меньше допустимая мощность двигателя [34].

3) Чем выше номинальная мощность ДПТ, тем больше его масса.

Зависимость массы ДПТ от мощности и частоты вращения иллюстрирует формула

Для авиационных коллекторных двигателей постоянного тока длительного режима с самовентиляцией оценить массу (кг) можно с помощью эмпирической формулы:

где P_н - номинальная мощность двигателя, кВт, n_н - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

4) Масса ДПТ, предназначенного для работы в длительном режиме, больше, чем масса ДПТ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном или кратковременном режиме (при одинаковой мощности и допустимой температуре).

5) С ростом номинальной мощности КПД ДПТ увеличивается.

В отличие от ДПТ средней и большой мощности, маломощные двигатели имеют относительно большие потери в меди и потери в подшипниках, что снижает их КПД [16].

Для авиационных ДПТ параллельного и независимого возбуждения Б.А.Ставровским [2] была предложена приближенная эмпирическая формула, связывающая номинальные значения КПД и мощности на валу двигателей, справедливая для диапазона мощностей от 15 Вт до 1250 Вт:

з=-0,05+0,3*lgР_ном, Р_ном в [Вт]

У ДПТ мощностью 10 кВт КПД составляет 83-87%, мощностью 100 кВт -- 88-93% и мощностью 1000 кВт -- 92-96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие КПД. Например, у ДПТ мощностью 10 Вт КПД 30-40% [32].

5) КПД ДПТ, предназначенного для работы в длительном режиме, больше, чем КПД ДПТ, предназначенного для работы в повторно-кратковременном или кратковременном режиме (при одинаковой мощности и типоразмере).

ДПТ одного типоразмера, работающий в повторно-кратковременном или кратковременном режиме, проектируется на повышенные электромагнитные нагрузки, и потому КПД его работы более низкий, чем при длительном режиме работы.

Сравнительно низкое номинальное напряжение большинства ДПТ на ЛА приводит к тому, что даже небольшие падения напряжения в контактных соединениях вызывают относительно большие понижения напряжения на зажимах электродвигателей, что ухудшает их электромеханические характеристики. По этой причине большую роль играет переходное сопротивление между коллектором и щетками, которое создает при номинальном токе падение напряжения до 10% от подводимого к зажимам двигателя напряжения [7].

Основную часть потерь в ДПТ составляют потери в меди и в переходном контакте коллектор-щетки. Потери на трение и в стали составляют не более 15-30% от всех потерь.

1.9 Баланс мощностей

Развиваемая электромагнитным моментом М мощность Р_эм называется электромагнитной мощностью:

Р_эм = М. (13)

С учетом выражений (3) и (10) электромагнитную мощность можно выразить и так:

Р_эм = EI_я. (14)

Уравнение для напряжения на обмотке якоря

U= E+I_яR_яц (15)

Умножим обе части уравнения на I_я и перейдем к уравнению для мощностей

U I_я = E I_я +I_я ²R_я.ц (16)

Р₁ = Р_эм + Р_э, (17)

где Р₁ - электрическая мощность на зажимах якоря (равна потребляемой мощности без учета потерь в переходном контакте щетка-колектор); Р_э - электрические потери в обмотке якоря.

С учетом (5) электромагнитная мощность превышает мощность на валу на величину потерь в стали и механических потерь:

Р_в=Р_эм-Р_ст-Р_мех. (18)

В результате, с учетом (17) и (18) баланс мощностей может быть записан следующим образом:

Р₁= Р_в+Р_э+Р_ст+Р_мех (19)

Электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря и превращается в мощность электромагнитного поля. Эта мощность за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается нагрузке [32].

1.10 Выбор номинальной мощности ДПТ

Рассмотрим зависимости электромагнитной мощности Р_эм, потребляемой мощности Р₁, электрических потерь Р_э и электрического КПД _э от тока якоря.

Электрический КПД - КПД, учитывающий только электрические потери цепи якоря [7].

С учетом (16) и (17):

Р_эм = Р₁ - Р_э = U I_я - I_я ²R_яц (20)

Р_эм = _э Р₁

Из курса математики известно: чтобы определить экстремум функции, необходимо взять ее производную, приравнять выражение к нулю и решить полученное уравнение.

Максимальное значение электромагнитной мощности Р_э достигается при токе якоря, полученном из уравнения:

dР_эм/dI_я = U - 2I_я R_яц = 0 -

Наибольшая электромагнитная мощность развивается при токе якоря I_я = U/2R_яц (половина тока короткого замыкания). Подставив найденное значение в (20) получим:

Р_{эм макс}=U²/(4R_я).

Ей соответствуют Р₁=U²/(2R_я) ; Р_э= U²/(4R_я) и _э = Р_эм/Р₁ = 0.5.

Номинальная мощность выбирается равной максимальному значению в следующих случаях:

- для ДПТ малой мощности (до 200 Вт).

Для таких двигателей низкий КПД и относительно большие потери не имеют существенного значения. Ограничением здесь выступает не условия нагрева, а развитие требуемой мощности в заданных габаритах. При этом достигается наилучшее использование электродвигателя по мощности при минимальном весе и габаритах. Электрический КПД таких двигателей равен 0,5, а полный КПД, вследствие механических и магнитных потерь, составляет от 0,2 в электродвигателях в несколько Ватт [7].

- для ДПТ, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режиме.

Отсюда следует, что при одной и той же мощности двигатель с длительным режимом работы должен иметь большие размеры (больший вес) [3].

Номинальная мощность выбирается равной значению, при которой достигается максимальный КПД:

- для ДПТ большой мощности.

У этих двигателей мощность потерь, приходящаяся на единицу внешней поверхности, значительно выше, чем у двигателей малой мощности. Поэтому относительная величина потерь в этих ЭД ограничивается допустимой температурой перегрева их частей.

Кроме того, для мощных двигателей существенное значение имеет величина потребляемой мощности, для снижения которых необходимо снижать потери.

Поэтому двигатели большой мощности стремятся проектировать на максимальный КПД.

Вследствие этого, номинальная мощность мощных ЭД меньше максимальной мощности, а номинальный КПД соответствует максимуму КПД [7].

1.11 Характеристики ДПТ

Основными статическими характеристиками, описывающими свойства электродвигателя в установившемся режиме, являются механическая, электромеханическая (скоростная), моментная и рабочие характеристики.

Названные характеристики называют естественными, если они построены при номинальном напряжении питания U_ном, номинальном потоке возбуждения Ф_ном и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи статора (R_доб=0). Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной [28].

Особенности характеристик ДПТ связаны со способом возбуждения: главным образом, с тем, зависит или не зависит поток возбуждения от тока нагрузки.

ДПТ с независимым возбуждением

Уравнение электрического равновесия цепи якоря:

U= E+I_яR_я.ц, (21)

где R_я.ц - суммарное сопротивление цепи якоря (для ДПТ с НВ и ПарВ: R_я+R_доб; для ДПТ с ПВ и СВ: R_я+ R_в +R_доб). При этом сопротивление переходных контактов щеток 2?u/I_я будем включать в R_я.

ПротивоЭДС двигателя

E = с₀Ф (22)

С учетом (22) уравнение (21) примет вид:

U= с₀Ф + I_яR_я.ц

Выражение для электромеханической (скоростной) характеристики (I_я):

= U/(с₀Ф) - I_яR_я.ц/(с₀Ф)

Электромагнитный момент двигателя

M=с₀I_яФ

где с₀ = pN/(2a) (см (3) и (10)). В литературе используются коэффициенты с_е и с_м, которые в системе СИ равны друг другу; для общего обозначения здесь введен коэффициент с₀.

p - число пар полюсов, N - число проводников якоря; a - число параллельных ветвей обмотки якоря.

Зависимость электромагнитного момента двигателя от тока якоря (25) называется моментной характеристикой двигателя.

Выражение для механической характеристики получается из выражения (24) после подстановки в него I_я из выражения (25):

=U/(с₀Ф) - МR_я.ц/(с₀Ф)²

Как было отмечено в п.2.4, момент на валу ДПТ М_в меньше электромагнитного момента М. Поэтому даже в режиме холостого хода (когда М_в=0) двигателем должен быть создан момент холостого хода, а по обмотке якоря будет протекать ток (I_я= I_я0 = (3?8)% от I_я.ном) [32].

Характерными точками на механической характеристике являются точка идеального холостого хода ₀ = U/(с₀Ф); М=0 и точка короткого замыкания =0; М_кз = М_п = с₀ФU/R_я.ц.

Скорость идеального холостого хода электродвигатель имеет в том случае, когда не только внешний нагрузочный момент, действующий на его вал, равен нулю, но и момент собственных потерь двигателя на холостом ходу равен нулю (М₀=0) или скомпенсирован. Второе на практике можно осуществить, вращая включенный в сеть электродвигатель другим электродвигателем и добиваясь того, чтобы ток, потребляемый якорем первого двигателя, стал равным нулю [2].

Режим короткого замыкания в практике эксплуатации ДПТ с независимым и параллельным возбуждением недопустим, поскольку в цепи якоря при этом протекает большой ток (I_якз = U/R_яц) и в обмотке выделяется значительная тепловая мощность [10].

Величина, обратная коэффициенту при моменте в формуле (26), определяет жесткость механической характеристики в=dM/d=(с₀Ф)²/R_я.ц.

Жесткость характеризует крутизну механической характеристики и определяет статические свойства электропривода. От жесткости зависит, насколько изменится скорость вращения электропривода при изменениях нагрузочного момента [2]. При абсолютно жесткой механической характеристике скорость двигателя не зависит от нагрузки.

По жесткости механические характеристики (или участки характеристик) принято делить на три группы [2]:

1) абсолютно жесткие, когда в=.

2) жесткие, когда в=40?10 Нм*с/рад

3) мягкие, при в<10 Нм*с/рад.

Жесткость естественной механической характеристики электродвигателя в сильной степени зависит от его мощности. У мощных двигателей магнитный поток Ф значительно больше, а сопротивление якоря R значительно меньше, чем у маломощных. Поэтому жесткость механических характеристик мощных электродвигателей велика, а маломощные имеют мягкие механические характеристики [2].

У ДПТ с НВ и ПарВ жесткость механической характеристики высока. Частота вращения при переходе от режима холостого хода к номинальному режиму уменьшается лишь на 2-8% от n_ном [14].

Влияние реакции якоря на вид характеристик ДПТ.

При отсутствии реакции якоря для ДПТ с независимым возбуждением (Ф=const) приведенные характеристики (24), (25), (26) имеют линейный характер. Механическая характеристика (26) представляет собой прямую линию, соединяющую точку идеального холостого хода и точку короткого замыкания.

В реальности допущение о неизменности магнитного потока не является грубым лишь при малых значениях момента нагрузки (тока) или при наличии компенсационной обмотки, устанавливаемой для повышения качества коммутации [31].

При увеличении нагрузки основной поток все более существенно искажается. Значение момента короткого замыкания с учетом реакции якоря заметно меньше, чем в случае линейной механической характеристики (рис.9).

Уменьшение среднего значения потока под действием реакции якоря вносит искажения в линейный характер также и электромеханической (рис.10) и моментной характеристик (рис.11).

Рис.9. Механическая характеристика	Рис.10. Электромеханическая характеристика	Рис.11. Моментная характеристика
Искажение линейности характеристик ДПТс НВ под действием реакции якоря

Если в качестве базовых величин принять момент и ток короткого замыкания, то реально моментная характеристика будет описываться соотношением

М/М_к=(I_я/I_я.к)^m,

где степень m=0,7-0,9 для большинства ДПТ независимого и параллельного возбуждения [7].

Приведенный нелинейный характер моментной характеристики характеризует чувствительность ДПТ независимого и параллельного возбуждения к изменению момента нагрузки (небольшое изменение момента приводит к существенному изменению тока якоря) [7].

ДПТ с параллельным возбуждением

При питании от источника большой мощности характеристики двигателя ничем не отличаются от характеристик ДПТ с независимым возбуждением.

В маломощном электроприводе часто мощности источника питания и двигателя соизмеримы, поэтому при увеличении нагрузки может снижаться напряжение источника. Этот же эффект имеет место и при малой частоте вращения, в режимах, близких к точке пуска. В результате снижения напряжения в ДПТ с параллельным возбуждением уменьшается ток возбуждения и поток, что уменьшает пусковой момент по сравнению со случаем питания от мощной сети [16] .

Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного или независимого возбуждения. В этом случае поток возбуждения исчезает не сразу, а поддерживается индуктируемыми в ярме вихревыми токами. Однако этот поток будет быстро уменьшаться и скорость n будет сильно увеличиваться («разнос» двигателя). В результате ток якоря значительно возрастет и возникнет круговой огонь, вследствие чего возможно повреждение машины, и поэтому, в частности, в цепях возбуждения не ставят предохранителей и выключателей [32].

Выведем приближенное аналитическое выражение механической характеристики для ненасыщенного ДПТ с последовательным возбуждением. В этом случае Ф=kI_я.

В реальности при I>(0,8?0,9)I_ном вследствие насыщения магнитной цепи k начинает уменьшаться [14].

М = с₀kI_я²

E= с₀kI_я

U = с₀I_я + I_яR_я.ц

I_я = U/(R_я.ц+с₀k)

М = с₀kU²/(R_я.ц+с₀k)²

(27)

Основные статические характеристики ДПТ с последовательным возбуждением приведены на рис. 14.

Рис. 14. Механическая (а), моментная М(I) и электромеханическая (б) характеристики ДПТ последовательного возбуждения [40]. Обозначение R/kб следует читать как Rяц/с0k

Особенности характеристик ДПТ с ПВ

1) При сделанных допущениях механическая характеристика представляет собой гиперболу: скорость вращения ДПТ последовательного возбуждения находится в обратной зависимости от электромагнитного момента.

2) При уменьшении момента сопротивления до нуля скорость вращения неограниченно возрастает, что недопустимо по условиям механической прочности.

Говоря же о реальных двигателях, следует отметить:

- даже в режиме идеального холостого хода существует остаточный магнитный поток Ф_ост, вследствие чего скорость идеального холостого хода ₀ будет иметь конечную величину и определяться выражением: ₀ = U/(c₀Ф_ост). Величина Ф_ост незначительна и ₀ может достигать значительных величин [31].

- в режиме реального холостого хода момент сопротивления, включающий в себя и внутренний момент сопротивления собственно двигателя, не может стать равным нулю, но его уменьшение все же может вызвать недопустимое повышение скорости вращения [31].

Поэтому у ДПТ с ПВ, как правило, запрещается сбрасывать нагрузку на валу более чем на 80% от номинальной [31].

В силу тех же причин не допускается соединение ДПТ с ПВ с приводимым в движение механизмом ременной передачей: Валы должны соединяться жестко: муфтой или зубчатой передачей [39].

Исключением являются микродвигатели, у которых и при полном сбросе нагрузки остаточный момент трения достаточно велик для того, чтобы ограничить скорость холостого хода. Склонность ДПТ с ПВ идти в "разнос" ведет к тому, что их роторы выполняются механически усиленными [31].

Ограничение скорости ДПТ последовательного возбуждения при его запуске на холостом ходу может быть осуществлено включением добавочного резистора (на рис.13 - R_д) для повышения R_яц и включением двигателя на пониженное напряжение [2].

3) Пусковой момент ДПТ с последовательным возбуждением при отсутствии насыщения пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату сопротивления цепи якоря [2]:

М_п= с₀kI_п² = с₀kU²/R_я.ц² (28)

Поэтому при одном и том же допустимом токе I_п=I_доп пусковой момент ДПТ с ПВ больше, чем пусковой момент ДПТ с НВ [31].

4) При увеличении момента нагрузки мощность, развиваемая ДПТ с ПВ (Р=М) с учетом зависимости (8) Р sqrt(М), а в ДПТ с НВ Р М. Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M_c в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения. Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту [32].

5) Механическая характеристика асимптотически приближается к значению =- R_я.ц/с₀k.

6) Жесткость механической характеристики в=dM/d=(с₀Ф)²/R_я.ц двигателя последовательного возбуждения переменна и возрастает с увеличением нагрузки [40].

На рабочем участке характеристика ДПТ с ПВ - мягкая.

Для авиационных двигателей последовательного возбуждения мощностью от 100 Вт до 3 кВт получены следующие приближенные эмпирические формулы, определяющие кратность пускового момента м=М_п/М_ном и значение номинального тока [2]:

м=0,5+1,57*lgP_ном;

I_ном=7,1*10^-2*Р_ном.

ДПТ смешанного возбуждения

Cодержит две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис.16а).

Одна из обмоток является основной, другая -- вспомогательной. Основной обмоткой считается та, которая создает не менее 70% всей МДС машины (F=Iw) [42].

Параллельная и последовательная обмотка могут быть включены согласно (когда Ф_в.сум=Ф_в.пар+Ф_в.пос; т.е. поток с увеличением нагрузки увеличивается) и встречно (Ф_в.сум=Ф_в.пар-Ф_в.пос; т.е. поток с увеличением нагрузки будет уменьшаться).

Если обмотки включены встречно, то с ростом нагрузки суммарный магнитный поток Ф будет уменьшаться и скорость вращения повышаться, становясь при нагрузке большей, чем при холостом ходе [42]. Работа ДПТ при этом обычно неустойчива, и двигатели с встречным включением последовательной обмотки возбуждения не применяются [32].

В ДПТ СВ, применяющихся на практике, основной обмоткой возбуждения является параллельная обмотка, а последовательная обмотка включается встречно. МДС параллельной ОВ в номинальном режиме составляет более 70% от суммарной МДС [39], что соответствует потоку холостого хода Ф₀=(0,8-0,85)Ф_н и скорости идеального холостого хода Щ₀ =(1,3-1,4) Щ_н [25].

Такой двигатель имеет более мягкую механическую характеристику по сравнению с двигателем параллельного возбуждения, но более жесткую по сравнению с двигателем последовательного возбуждения (рис.16б) [31]. Чем больше число витков в согласно-включенной последовательной обмотке, тем мягче получается механическая характеристика двигателя [19].

Важным преимуществом в сравнении с двигателем последовательного возбуждения является то, что при малых нагрузках и даже при холостом ходе двигатель смешаного возбуждения имеет ограниченную частоту вращения [39]. Скорость идеального холостого хода определяется магнитным потоком, обусловленным действием параллельной ОВ.

1.12 Характеристики ДПТ при питании от источника тока

В ряде применений якорная цепь ДПТ независимого возбуждения питается не от источника напряжения, а от источника тока (I_я=const) - рис.17.а. При этом свойства электропривода радикально изменяются. Электромеханическая (I_я) и механическая (M) представляют в данном случае вертикальные прямые (рис.17б): I_я = const ; М=с₀ФI_я = const [40].

Привод приобретает новое свойство "источника момента". Это связано с тем, что источник питания - источник тока - нейтрализует действие ЭДС, она теперь уже не играет роли внутреннего регулятора и не влияет на скорость. В свою очередь, напряжение U становится зависимой переменной (рис.17б): U= E+I_яR_яц = с₀Ф+I_яR_яц и характеристика (U) определяет энергетические режимы работы электропривода [40].

Рис.17. Схема (а) и характеристики (б) ДПТ НВ при питании от источника тока [40]

Режима идеального холостого хода в рассматриваемой структуре нет [40].

Двигательный режим соответствует участку ab [40].

Режим короткого замыкания - точка a, здесь Е = 0 и U = IR [40].

Участок ac соответствует торможению противовключением [40].

В точке с - U = 0 - режим динамического торможения: вся поступившая механическая энергия рассеивается в сопротивлениях якорной цепи [40].

Участок cd соответсвует режиму рекуперативного торможения (если источник тока позволяет передать энергию в сеть). Если источник тока обладает односторонней проводимостью (пунктир на рис.17б) этого режима не будет, и электропривод будет продолжать работать в режиме динамического торможения (пунктир на рис.17б) [40].

1.13 Рабочие характеристики ДПТ

Рабочие характеристики двигателя - это зависимости частоты вращения n, электромагнитного момента М_эм., тока якоря I (иногда потребляемой мощности), КПД з от мощности на валу двигателя P₂=M₂ при номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений (рис.18).

КПД. Кривая КПД имеет типичный для всех электрических машин характер. При отсутствии нагрузки (P₂ =0) КПД равен нулю. В диапазоне изменений нагрузки от 0 до 0,5P_2ном наблюдается достаточно интенсивный рост КПД до максимального значения. Затем по мере дальнейшего роста нагрузки имеет место плавное снижение КПД с сохранением сравнительно высокого значения в области номинального значения нагрузки. При перегрузках КПД значительно снижается, поскольку рост потерь, например, в меди - I_я2R , опережает рост мощности (даже потребляемой - U I_я). [29].

Момент. Одновременно с увеличением мощности на валу Р₂ растет и момент на валу М. Поскольку с увеличением Р₂ и М скорость п несколько уменьшается, то М = Р₂/п растет несколько быстрее Р₂ (выгибаясь вверх).

Ток якоря. Ток якоря при холостом ходе отличен от нуля, так как двигатель затрачивает мощность на покрытие потерь на трение в подшипниках и скользящем контакте. С ростом мощности (момента) ток увеличивается [16]. Для ДПТ с НВ и ПВ, у которых частота вращения с ростом нагрузки уменьшается незначительно, зависимость тока близка к линейной и лишь слегка выгибается вверх [28].

Управление ДПТ

Управление ДПТ можно разделить на следующие операции:

- управление ДПТ при пуске;

- изменение направления вращения (реверсирование);

- регулирование или стабилизация скорости вращения в установившемся режиме;

- управление двигателем при торможении.

1.14 Пуск ДПТ

При пуске двигателя необходимо [14]:

1) Обеспечить пусковой момент, достаточный для достижения необходимой скорости вращения за требуемое время.

2) Предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

То есть, наиболее простым образом обеспечить требуемую кратность пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока [28].

Кроме того, часто предъявляются и другие требования, обусловленные спецификой электропривода, например:

- плавность пуска (важно, например, для транспорта) [34];

- высокий КПД двигателя при пуске [34].

Пуск ДПТ с ПВ должен осуществляться только при наличии момента сопротивления М_с [39].

Прямой пуск при номинальном напряжении питания

Цепь якоря ДПТ подключается непосредственно к сети на ее полное напряжение.

В момент пуска угловая скорость вращения , а следовательно, и противоЭДС Е равны нулю. Вследствие этого, пусковой ток при прямом пуске I_я.п=U_п/R_я.ц .

Негативные явления при прямом пуске.

1) Якорная обмотка может быстро перегреться (и выйти из строя) (особенно при частых пусках) [31].

2) Большие токи могут привести к сильному искрению под щетками (и выходу из строя электродвигателя) [34].

3) Большие токи могут повлиять на сеть и работу других потребителей при ее ограниченной мощности

4) Большой пусковой момент при выборке люфтов в зацеплениях редуктора, может привести к значительным ударным нагрузкам на его элементы [10].

Поэтому прямой пуск используют только для ДПТ малой мощности (не превышающей нескольких сотен ватт) [19,32,34].

У ДПТ малой мощности:

- сопротивление якорной цепи относительно велико. Это ограничивает пусковой ток: I_п ? (4?6) I_ном) [32];

- вал ротора имеет избыточный запас прочности (ударное приложение пускового момента не приводит к его поломке) [16];

- длительность пуска мала (время действия больших токов непродолжительно), не более 1-2 с [32].

В отдельных случаях прямой пуск применяется для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт [34] (значительное сопротивление цепи якоря R_я.ц , включающее в себя сопротивление последовательной ОВ). При прямом пуске таких двигателей I_п = (4?6)*I_я.ном[34].

Чаще, чтобы не вывести из строя двигатель, пусковой ток необходимо ограничивать. Согласно выражению I_яп=U_п/R_я.ц это можно делать при увеличении сопротивления цепи якоря за счет введения регулируемого добавочного сопротивления R_доб или при пуске двигателя при пониженном напряжении источника питания.

Начальные значения пусковых параметров выбираются таким образом, чтобы начальный пусковой ток не превышал заданного максимального значения I_п.макс [14,32,34].

Так как время пуска сравнительно невелико, то I_п.макс берут несколько больше номинального значения I_ном:

- для машин большой и средней мощности I_п.макс = (1,4 ? 1,7) I_ном;

- для машин малой мощности I_п.макс = (2,0 ? 2,5) I_ном.

Ввод добавочного сопротивления

Способ распространен в нерегулируемом приводе [28].

а) б)	в)

Рис. 20. Схема пуска ДПТ с ПарВ с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (в), схема пуска ДПТ с ПВ (б) [25,14].

Перед пуском (t < 0) подвижный контакт П (рис.20а) стоит контакте 0 (цепь двигателя разомкнута). В начальный момент пуска (t = 0) подвижный контакт П переводится на контакт 1, и через якорь пойдет ток I_я.

Значение пускового тока

I_п=U_п/(R_я+R_доб1) I_макс.

Если М_п=с₀ФI_п > М_с, то двигатель придет во вращение и скорость n будет расти (рис.21).

Рис. 21. Зависимость М, Iа и n от времени при реостатном пуске	Рис. 22. Изменение момента при реостатном пуске двигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением [34]

По мере разгона якоря в его обмотке увеличивается противоЭДС Е, в связи с чем уменьшается ток якоря

I_я = (U_п-E)/(R_я+R_доб1),

Одновременно с уменьшением тока уменьшается и момент двигателя, а, следовательно, и ускорение двигателя d/dt=(M-M_c)/J.

Когда I_я достигнет значения I_я.мин = (1,1 ? 1,3) I_ном, контакт П пускового реостата переведется на контакт 2 (рис.20а). Вследствие уменьшения R_доб ток I_я ввиду малой индуктивности цепи якоря почти мгновенно возрастет, М также увеличится, n будет расти быстрее и в результате увеличения противоЭДС Е величины I_я и М снова будут уменьшаться (рис.21), Подобным же образом развивается процесс пуска при последовательном переключении реостата в положения 3, 4 и 5, после чего двигатель достигает установившегося режима работы [32].