Двигатели постоянного тока

Размещено на http://allbest.ru

1. Принцип действия двигателей постоянного тока

Двигателями постоянного тока называют электрические машины, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Ранее было отмечено, что машины постоянного тока обратимы, т. е. одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Для правильного понимания принципа действия двигателей постоянного тока рассмотрим рис. 1, где схематично изображен поперечный разрез машины с основными элементами, участвующими в процессе преобразования энергии.

Рис. 1

При подключении машины к сети постоянного тока в обмотке возбуждения, расположенной на главных полюсах машины, будет протекать ток, который создаст магнитный поток в магнитной цепи, состоящей из статора, главных полюсов, воздушного зазора и ротора машины.

Величина магнитного потока, как указывалось ранее, зависит от конструкции и материала магнитопровода, а также от силы тока возбуждения. В воздушном зазоре машины будет создано магнитное поле, представленное магнитными силовыми линиями.

Обмотка якоря также подключена к сети постоянного тока, и по её проводникам протекает ток. Она представлена на рисунке проводниками, распределенными по поверхности якоря в воздушном зазоре.

Направление тока в проводниках показано на рисунке. На каждый проводник якорной обмотки действует механическая сила, пропорциональная индукции магнитного поля, длине проводника и силе тока

,

где B_x - индукция магнитного поля в месте расположения проводника; l - длина проводника,

i - сила тока проводника.

Направления сил f_x , действующих на проводники, находящиеся под северным и южным полюсами, показаны на рисунке стрелками. Направления сил можно принять совпадающими с направлениями касательных к поверхности якоря в местах расположения проводников.

Суммарное взаимодействие всех проводников обмотки якоря с магнитным полем машины создает механический момент на валу двигателя

,

где М - механический момент на валу двигателя;

С_м постоянная, зависящая от конструкции машины;

I_я - ток якоря,

- магнитный поток.

Под действием механического момента якорь машины начинает вращаться со скоростью n. Одновременно в каждом проводнике якоря, перемещающемся в магнитном поле машины, наводится ЭДС



.

Суммарная электродвижущая сила всей якорной обмотки может быть определена из уравнения

,

где Е - ЭДС обмотки якоря;

С_е - постоянная, зависящая от конструкции машины;

n - частота вращения якоря;

- магнитный поток машины; - линейная скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направления электродвижущих сил проводников на рис. 1 показаны точками и крестиками, расположенными рядом с проводниками.

Следует обратить внимание на несовпадение направлений токов и ЭДС проводников.

Поэтому ЭДС якоря в двигателях называют иногда противоЭДС, подчеркивая то, что электродвижущая сила обмотки якоря противодействует приложенному напряжению и току якоря (рис. 2).

Рис. 2

На рисунке - ЭДС внешнего источника питания, - внутреннее сопротивление источника. Слева представлена электрическая схема цепи питания якоря двигателя постоянного тока; справа эквивалентная схема замещения всей цепи якоря.

С электрической точки зрения якорь двигателя представляет собой ЭДС , направление которой не совпадает с направлением тока обмотки якоря, и резистора , сопротивление которого равно сопротивлению провода обмотки якоря. Примечание: на рисунке цепь обмотки возбуждения не показана.



2. Основные уравнения двигателя постоянного тока

Основными формулами, описывающими процесс преобразования энергии в двигателях постоянного тока, являются:

уравнение механического момента на валу

;

уравнение противоЭДС машины

и уравнение электрического равновесия двигателя постоянного тока, выражающее связь между приложенным напряжением, противоЭДС, током якоря и сопротивлением якорной цепи машины.

.



3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока

Эффективность работы двигателя постоянного тока, как и других устройств, определяется коэффициентом полезного действия, величина которого зависит от потерь электрической энергии в элементах двигателя.

Рис. 3

На рис. 3 изображена электрическая схема двигателя с параллельным возбуждением.

Реостат , включенный последовательно с обмоткой возбуждения, необходим для регулирования силы тока возбуждения. При работе двигателя в номинальном режиме сопротивление цепи возбуждения определяется сопротивлением проводов обмотки возбуждения и сопротивлением реостата.

В общем случае ток, протекающий в этой цепи, нагревает обмотку и провод регулировочного реостата.

Таким образом, мы имеем дело с рассеиванием электрической энергии в этой цепи. Если сопротивление обмотки возбуждения обозначить R_ов, а сопротивление регулировочного реостата , то полное сопротивление цепи возбуждения R_в определится из уравнения



,

а потери энергии в этой цепи можно вычислить по формуле вычисления мощности

или.

Другая часть энергии теряется в якоре. Не вся электрическая энергия, потребляемая якорем, преобразуется в механическую энергию прежде всего потому, что обмотка якоря обладает электрическим сопротивлением.

Сопротивление проводников обмотки якоря в реальных машинах достаточно мало, но и это малое сопротивление играет существенную роль в эффективности работы двигателя. Электрическая энергия подводится к якорю с помощью щеточно-коллекторного устройства. Сопротивление коллекторных пластин, выполненных из меди, чрезвычайно мало, но сопротивление щеток и сопротивление контакта щетки коллекторные пластины значительно.

Прохождение тока по этим элементам приводит к дополнительным потерям электрической энергии.

Общее сопротивление цепи якоря R_я, таким образом, равно сумме сопротивлений щеток R_щ, перехода щетки коллекторные пластины R_к и проводов обмотки R_о. Следовательно,

.

Потери в этих сопротивлениях называют потерями в цепи якоря.

Барабан якоря изготавливают из листовой электротехнической стали, которая является проводящим материалом.

При работе двигателя якорь вращается в неподвижном магнитном поле, и это приводит к тому, что сталь якоря постоянно перемагничивается с частотой кратной частоте вращения якоря.

По причине изменения индукции магнитного поля и направления намагничивания стали, в якоре возникают вихревые токи. Оба явления связаны с потерями энергии, т. е. с превращением электрической энергии в тепловую энергию, которая приводит к нагреву двигателя.

Потери на перемагничивание и на вихревые токи называют потерями в стали. Индукция магнитного поля в статоре и главных полюсах не изменяется во времени, поэтому потери в магнитопроводах этих частей машины практически отсутствуют.

Механическая часть конструкции машины вносит свою долю в потери энергии. В основном говорят о потерях в подшипниках, потерях, связанных с трением щеток о коллектор, и потерях в вентиляторе. Все эти потери связаны с преобразованием механической энергии в тепловую энергию.

Мощность потерь, равная сумме мощностей потерь в подшипниках, трения щеток о коллектор, вентилятора называют механическими потерями Р_мех. Таким образом, потребляемая двигателем из сети электрическая энергия преобразуется:

- в механическую выходную энергию,

- в тепловую энергию цепи обмотки возбуждения,

- в тепловую энергию электрической цепи якоря,

- в тепловую энергию потерь в стали,

- в тепловую энергию механических потерь.

Энергетическое равновесие в двигателе постоянного тока описывается следующим уравнением:

,



где Р₁ - мощность, потребляемая двигателем из сети;

Р₂ - мощность полезная на выходе двигателя;

Р_я - мощность электрических потерь в цепи якоря;

Р_с - мощность потерь в магнитопроводе или в стали машины;

Р_мех - мощность механических потерь;

Р_в - мощность потерь в цепи обмотки возбуждения.

Коэффициент полезного действия двигателя определяется традиционной формулой

.

Суммарная мощность потерь двигателей определяется экспериментально путем прямых измерений потребляемой мощности Р₁ и выходной мощности Р₂.

Для этого двигатель подключается к сети постоянного тока с номинальным напряжением.

Затем он нагружается тормозным моментом при номинальной частоте вращения.

Входная мощность двигателя определится произведением тока двигателя на напряжение сети:

,

а выходная мощность определяется произведением механического момента на валу на угловую частоту вращения, выраженную в радианах в секунду:



.

В том случае, когда испытателя интересуют величина мощностей отдельных видов потерь, проводятся следующие измерения:

измеряется сопротивление обмотки возбуждения при номинальном токе обмотки;

измеряется сопротивление якорной цепи при номинальном токе якоря;

измеряется механическая мощность на валу отключенной от сети машины, якорь которой приводится во вращение другим посторонним двигателем;

измерение мощности потерь магнитопровода (при известных значениях других видов потерь) производится путем измерения мощности, потребляемой двигателем в режиме холостого хода Р₁₀ .

Мощность потерь в стали в этом случае определится из формулы

.

двигатель электрический якорь ток



4. Характеристики двигателей постоянного тока

Обычно рассматривают три основные характеристики двигателей постоянного тока:

- скоростную характеристику,

- характеристику момента,

- механическую характеристику.

Все характеристики, отражающие взаимосвязь между током якоря, механическим моментом на валу двигателя и частотой вращения якоря зависят от способа возбуждения двигателя, поэтому они рассматриваются отдельно для каждой схемы возбуждения двигателя.

4.1 Характеристики двигателей с независимым и параллельным возбуждением

Характеристика скорости: Скоростной характеристикой называют зависимость частоты вращения якоря от тока якоря двигателя при постоянном напряжении питания U = const, равном номинальному напряжению, и постоянном токе возбуждения I_в = const.

Для получения функциональной зависимости скорости вращения якоря от тока воспользуемся уравнением электрического равновесия двигателя

.

Из этого уравнения получаем выражение для частоты вращения

.



В полученной формуле от тока якоря зависят две составляющие: произведение R_я I_я и результирующий магнитный поток машины .

Рис. 4

Произведение R_яI_я, равное падению напряжения на сопротивлении цепи якоря, приводит к пропорциональному уменьшению частоты вращения при увеличении тока якоря. Магнитный поток машины при увеличении тока якоря из-за реакции якоря несколько уменьшается. Эта зависимость магнитного потока от тока якоря нелинейная, поэтому и скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением нелинейная (рис. 4).

В зависимости от соотношения влияния на частоту вращения падения напряжения R_я I_я и изменения магнитного потока двигателя характеристика скорости может иметь различный вид. На рис. 4 кривая 1 представляет собой характеристику скорости двигателя, у которого влияние R_я I_я преобладает перед влиянием потока , кривая 3 представляет собой скоростную характеристику двигателя, у которого влияние потока преобладает перед влиянием падения напряжения на сопротивлении цепи якоря R_я I_я .

Чаще всего встречаются двигатели, у которых уменьшение частоты вращения за счет падения напряжения на сопротивлении цепи якоря преобладает перед влиянием реакции якоря, приводящей к уменьшению магнитного потока.

Характеристика момента: Характеристикой момента называют зависимость механического момента на валу двигателя от тока якоря при постоянном номинальном напряжении питания U = U_н = const и при постоянном номинальном токе возбуждения I_в= I_вн = const.

Ток якоря ненагруженного двигателя не равен нулю. Это объясняется наличием потерь в двигателе, работающем без нагрузки. Такой ток называется током холостого хода I_яо двигателя.

Используя ранее полученную формулу для определения механического момента на валу двигателя, получаем для двигателя, работающего в режиме холостого хода, формулу:

.

Нагруженный двигатель при токе якоря I_я развивает механический момент

.

Этот развиваемый момент называют электромагнитным.

Механический момент на выходе двигателя равен разности электромагнитного момента и момента холостого хода

.

При неизменной величине магнитного потока зависимости и являются прямыми линиями. Однако магнитный поток машины несколько уменьшается при увеличении тока якоря I_я из-за реакции якоря, поэтому характеристики и не являются прямолинейными (рис. 5).

Максимальное значение тока якоря, при котором якорь ненагруженного двигателя (М₂ = 0) начинает вращаться, называют током трогания. Электромагнитный момент в этом случае равен моменту холостого хода.

Рис. 5

Особый интерес представляет график зависимости КПД машины от тока якоря (см. рис. 5). КПД равен нулю при токах, меньших тока холостого хода или тока трогания (М₂ = 0 и Р₂ = 0). При дальнейшем увеличении тока КПД увеличивается и достигает максимального значения при токе якоря, равном примерно 0,75I_ян. При больших токах КПД начинает уменьшаться. КПД двигателей средней и большой мощности при номинальном токе достигает 85 - 95 %.

Механическая характеристика: Основной характеристикой двигателя постоянного тока является механическая характеристика.

Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения якоря n от механического момента на валу двигателя M₂ при постоянном напряжении питания и постоянном токе возбуждения, т. е. . В дальнейших рассуждениях будем предполагать, что электромагнитный момент равен механическому моменту на выходе двигателя .

Особую роль играет механическая характеристика двигателя при номинальном напряжении питающей сети U = U_н = const и номинальном токе возбуждения I_в = I_вн = const. Такую механическую характеристику называют естественной.

Рассматривают и другие механические характеристики, выражающие ту же зависимость , но при других условиях работы, т. е. при других значениях напряжения, при других токах возбуждения и при различных сопротивлениях реостатов, включенных последовательно с якорем. Такие механические характеристики называют искусственными.

Найдем аналитическое уравнение, описывающее механическую характеристику.

В уравнении электрического равновесия . ПротивоЭДС обмотки якоря . Следовательно,

.

Из полученного уравнения

.

Но из уравнения для определения момента

и . Тогда .

Обозначим и . Можно написать .

Полученное уравнение является уравнением прямой линии.

Уравнение состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое не зависит от момента, а второе слагаемое прямо пропорционально механическому моменту М.

Очевидно то, что механическая характеристика (рис. 6) двигателя постоянного тока выражается прямой линией.

Рис. 6

Такую прямую можно провести через две точки, положение которых на графике можно найти следующим образом: в режиме идеального холостого хода момент двигателя равен нулю , и якорь вращается с частотой , а при номинальном напряжении .

Это первая точка механической характеристики. Положение другой точки определяется из условий пуска двигателя. При подключении двигателя в сеть в начальный момент времени из-за инерционности якоря частота вращения равна нулю n= 0.

Противо-ЭДС обмотки якоря тоже равна нулю, и тогда приложенное напряжение падает только на сопротивлении якорной цепи. Ток якоря в этом случае достигает больших величин из-за малости R_я. Его называют пусковым током I_яп.

Сила пускового тока определяется из уравнения .

Механический момент, развиваемый двигателем, в этом случае называют пусковым моментом М_п , и его величина определяется формулой

.

Общий вид естественной механической характеристики показан на рис. 7.

Рис. 7

Двигатели с параллельным возбуждением имеют пусковой момент в 10…20 раз больше номинального, поэтому рабочая часть механической характеристики, ограниченная режимом холостого хода (М = 0) и номинальным значением момента на валу , занимает лишь начальную часть полной характеристики (см. рис. 6), в пределах которой частота вращения изменяется незначительно.

Такая механическая характеристика, когда при изменении механического момента от нулевого значения до номинального значения частота вращения изменяется незначительно, называется жесткой (см. рис. 7). Величина весьма невелика.

4.2 Характеристики двигателей с последовательным возбуждением

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют меньшее распространение по сравнению с другими двигателями. Они используются в установках с нагрузкой, не допускающей режима холостого хода. Позже будет показано, что работа двигателя последовательного возбуждения в режиме холостого хода может привести к разрушению двигателя. Схема подключения двигателя показана на рис. 8.

Рис. 8

Ток якоря двигателя одновременно является и током возбуждения, так как обмотка возбуждения ОВ включена последовательно с якорем. Сопротивление обмотки возбуждения достаточно мало, так как при больших токах якоря намагничивающая сила, достаточная для создания номинального магнитного потока и номинальной индукции в зазоре, достигается малым количеством витков провода большого сечения.

Катушки возбуждения располагаются на главных полюсах машины. Последовательно с якорем может быть включен дополнительный реостат , который может использоваться для ограничения пускового тока двигателя.

Скоростная характеристика: Естественная скоростная характеристика двигателей последовательного возбуждения выражается зависимостью при U = U_н = const. При отсутствии дополнительного реостата в цепи якоря двигателя сопротивление цепи определяется суммой сопротивления якоря и обмотки возбуждения , которые достаточно малы.

Скоростная характеристика описывается таким же уравнением, каким описывается скоростная характеристика двигателя с независимым возбуждением

.

Отличие заключается в том, что магнитный поток машины Ф создается током якоря I в соответствии с кривой намагничивания магнитной цепи машины.

Для упрощения анализа предположим, что магнитный поток машины пропорционален току обмотки возбуждения, то есть току якоря . Тогда , где k - коэффициент пропорциональности.

Заменив магнитный поток в уравнении скоростной характеристики, получим уравнение:

.



График скоростной характеристики представлен на рис. 9.

Рис. 9

Из полученной характеристики следует, что в режиме холостого хода, т. е. при токах якоря, близких нулю, частота вращения якоря в несколько раз превышает номинальное значение, а при стремлении тока якоря к нулю частота вращения стремится к бесконечности (ток якоря в первом слагаемом полученного выражения входит в знаменатель). Если считать формулу справедливой для весьма больших токов якоря, то можно сделать предположение, что .

Полученное уравнение позволяет получить значение силы тока I, при котором частота вращения якоря будет равняться нулю. У реальных двигателей последовательного возбуждения при определенных значениях тока магнитопровод машины входит в насыщение, и магнитный поток машины изменяется незначительно при значительных изменениях тока.

Характеристика показывает, что изменение тока якоря двигателя в области малых значений приводит к значительным изменениям частоты вращения.

Характеристика механического момента: Рассмотрим характеристику момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. , при U = U _н = const.

Как уже показано, . Если магнитная цепь машины не насыщена, магнитный поток пропорционален току якоря , а электромагнитный момент М будет пропорционален квадрату тока якоря .

Полученная формула с математической точки зрения представляет собой параболу (кривая 1 на рис. 10). Реальная характеристика проходит ниже теоретической (кривая 2 на рис. 10), так как из-за насыщения магнитной цепи машины магнитный поток не пропорционален току обмотки возбуждения или току якоря в рассматриваемом случае.

Рис. 10

Характеристика момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением представлена на рисунке 10.

КПД двигателя последовательного возбуждения: Формула, определяющая зависимость КПД двигателя от тока якоря, для всех двигателей постоянного тока одинакова и не зависит от способа возбуждения. У двигателей последовательного возбуждения при изменении тока якоря механические потери и потери в стали машины практически не зависят от тока I_я .

Потери же в обмотке возбуждения и в цепи якоря пропорциональны квадрату тока якоря. КПД достигает максимального значения (рис. 11) при таких значениях тока, когда сумма потерь в стали и механических потерь равна сумме потерь в обмотке возбуждения и цепи якоря.

Рис. 11

При номинальном токе КПД двигателя несколько меньше максимального значения.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения: Естественная механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения, т. е. зависимость частоты вращения от механического момента на валу двигателя , рассматривается при постоянном напряжении питания, равном номинальному напряжению U = U_н = const. Если магнитная цепь машины не насыщена, как уже утверждалось, магнитный поток пропорционален току якоря, т. е. , и механический момент пропорционален квадрату тока . Ток якоря в этом случае равен

,



а частота вращения

.

Или .

Подставив вместо тока его выражение через механический момент, получаем

.

Обозначим

и ,

получаем

.

Полученное уравнение представляет собой гиперболу, пересекающую ось моментов в точке

.



Так как

или .

Пусковой момент таких двигателей в десятки раз больше номинального момента двигателя.

Рис. 12

Общий вид механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения представлен на рис. 12.

В режиме холостого хода частота вращения стремится к бесконечности. Это следует из аналитического выражения механической характеристики при М > 0.

У реальных двигателей последовательного возбуждения частота вращения якоря в режиме холостого хода может в несколько раз превышать номинальную частоту вращения.

Такое превышение опасно и может привести к разрушению машины. По этой причине двигатели последовательного возбуждения эксплуатируются в условиях постоянной механической нагрузки, не допускающей режима холостого хода.

Такой тип механической характеристики относят к мягким механическим характеристикам, т. е. к таким механическим характеристикам, которые предполагают значительное изменение скорости вращения при изменении момента на валу двигателя.

4.3 Характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения

Схема подключения двигателя смешанного возбуждения представлена на рис. 13

Рис. 13

Последовательная обмотка возбуждения ОВ2 может быть включенной так, что ее магнитный поток может совпадать по направлению с магнитным потоком параллельной обмотки ОВ1 или не совпадать. Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то суммарный магнитный поток машины будет равен сумме магнитных потоков отдельных обмоток.

Частота вращения якоря n может быть получена из выражения



.

В полученном уравнении и - магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

В зависимости от соотношения магнитных потоков и скоростная характеристика представляется кривой, которая занимает промежуточное положение между характеристикой того же двигателя при параллельной схеме возбуждения и характеристикой двигателя с последовательным возбуждением (рис. 14).

Рис. 14

Характеристика моментов займет также промежуточное положение между характеристиками двигателя последовательного и параллельного возбуждения.

В общем случае, с увеличением момента частота вращения якоря уменьшается. При определенном количестве витков последовательной обмотки можно получить очень жесткую механическую характеристику, когда частота вращения якоря практически не будет изменяться при изменении механического момента на валу.

Если магнитные потоки обмоток не совпадают по направлению (при встречном включении обмоток), то зависимость частоты вращения якоря двигателя от потоков опишется уравнением

.

При увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться. При увеличении тока магнитный поток будет расти, а частота вращения n уменьшаться.

Таким образом, механическая характеристика двигателей смешанного возбуждения с согласным включением обмоток является очень мягкой (см. рис. 14).



5. Пуск двигателей постоянного тока

Достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности получения больших пусковых моментов, что уменьшает время запуска нагруженных двигателей.

С другой стороны, жесткость механических характеристик двигателей с параллельным возбуждением позволяет получить стабильность работы при изменении момента нагрузки в значительных пределах.

Но большие механические моменты на валу требуют прохождения больших токов по обмотке якоря в сети питания двигателя, что создает проблемы с выбором сечения проводов электрической сети, мощности источника питания и системы защиты двигателя.

Поэтому основная задача, возникающая при пуске двигателей, заключается в получении оптимальной величины пускового механического момента и минимального пускового тока двигателя.

На практике используются три способа пуска двигателей постоянного тока:

1) прямое включение двигателя в сеть;

2) пуск двигателя с помощью реостата, включенного последовательно с обмоткой якоря и предназначенного для ограничения величины пускового тока двигателя. Такой способ пуска называют реостатным пуском;

3) пуск двигателя с помощью специальных установок.

Пуск двигателей прямым включением возможен в том случае, когда питающая сеть обеспечивает кратковременный пропуск токов, больших номинального тока в десятки раз. Как правило, с помощью прямого включения осуществляется пуск двигателей только малой мощности.

Реостатный пуск двигателей достаточно прост, но при запуске в пусковом реостате теряется большое количество энергии. При таком способе запуска двигателя возможно появление кругового огня на коллекторе из-за больших пусковых токов и система защиты двигателя должна быть более сложной. Сеть питания двигателя должна быть хорошо рассчитана.

Рис. 15

На рис. 15 приведена схема включения двигателя параллельного возбуждения, используемая при реостатном пуске.

На схеме представлены: R_рв реостат в цепи возбуждения, R_п - пусковой реостат, ОВ - обмотка возбуждения двигателя и Д - якорь двигателя.

Рис. 16

При прямом пуске двигателя, т. е. при подключении двигателя к сети при R_п = 0, ток якоря и частота вращения якоря изменяются в функции времени по сложному закону. Графики этих зависимостей представлены на рис. 16.

Частота вращения изменяется в функции времени по закону, близкому к экспоненциальному закону. Ток якоря за очень короткий промежуток времени, измеряемый миллисекундами, достигает значения, близкого к величине

,

где .

С возрастанием частоты вращения и величины противоЭДС ток якоря уменьшается до установившегося значения, определяемого током холостого хода, если двигатель не нагружен, или до значения, достаточного для обеспечения преодоления механического момента сопротивления нагрузки. Длительность переходного процесса в этом случае определяется соотношением пускового момента и момента сопротивления нагрузки.

Реостатный пуск необходим в тех случаях, когда сеть или источник питания двигателя не рассчитаны на прохождение пусковых токов, превышающих номинальный ток в 10-15 раз.

Как правило, речь идет о двигателях средней и большой мощности. Для уменьшения пускового тока двигателя последовательно с якорем включается пусковой реостат, сопротивление которого рассчитывается для каждого двигателя.

При включенном пусковом реостате сопротивление цепи якоря равняется сумме сопротивления пускового реостата и сопротивления якоря . Пусковой ток двигателя без учета тока возбуждения можно вычислить по закону Ома:

,



где I_п пусковой ток двигателя,R_п сопротивление пускового реостата.

Сопротивление пускового реостата рассчитывается таким образом, чтобы величина пускового механического момента превышала номинальное значение в полтора-два раза.

При увеличении частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают плавно или дискретно, вручную или автоматически. Специальные пусковые реостаты предусматривают устройства подключения и контроля тока возбуждения, чтобы исключить питание якоря двигателя при обрыве цепи обмотки возбуждения.

Рассмотрим технологию запуска двигателя постоянного тока с помощью пускового реостата. Схема подключения двигателя с пусковым реостатом изображена на рис. 17.

Рис. 17

Пусковой реостат в рассматриваемом случае секционирован. Сопротивление каждой секции реостата вычисляется и зависит от режима запуска. Полное его сопротивление равно сумме сопротивлений секций

.

Если подвижный контакт находится в положении «0», то цепь якоря и цепь обмотки возбуждения отключены от источника питания. При переводе подвижного контакта в положение «1» цепь обмотки возбуждения получает питание непосредственно от источника и с этого момента остается подключенной к сети при всех последующих положениях подвижного контакта.

При таком положении подвижного контакта последовательно с якорем включено полное сопротивление реостата R_п.

Пусковой ток будет равен

.

Механический момент, развиваемый двигателем, будет равен .

Рис. 18

Как уже указывалось выше, сопротивление пускового реостата выбирается такой величины, чтобы пусковой момент был бы в полтора - два раза больше номинального момента, т. е. . Пусть в нашем случае .

Тогда механическая характеристика двигателя с включенным пусковым реостатом пройдет через точку n = n₀ и (рис. 18).

В соответствии с механической характеристикой, соответствующей полному сопротивлению реостата (прямая 1), двигатель разовьет скорость n₁ при номинальном моменте сопротивления М_н. На рисунке значению n₁ соответствует максимальная частота вращения при полностью введенном пусковом реостате. ПротивоЭДС якоря достигнет значения

,

а ток якоря уменьшится до номинальной величины. При достижении частоты вращения n₁ подвижной контакт пускового реостата переводится в положение «2» и его сопротивление уменьшается до значения

.

При таком сопротивлении ток якоря увеличивается снова до значения 1,5I_н , режим работы двигателя определяется искусственной механической характеристикой 2.

В соответствии с этой характеристикой двигатель разгоняется до частоты вращения n₂. Подвижной контакт переводится в положение 3, после чего в двигателе происходят процессы, подобные процессам, описанным выше.

Далее контакт переводят в 4-е положение и, наконец, в 5-е. При таком положении подвижного контакта пусковой реостат полностью выведен из цепи якоря, и двигатель начинает работать в соответствии со своей естественной механической характеристикой, обеспечивая номинальную частоту вращения n_н . Пуск двигателя закончен.



Рис. 19

Расчет пускового реостата, т. е. вычисление его полного сопротивления и сопротивлений его секций (R_п, R₁, R₂, R₃ и R₄) (рис. 19), производится следующим образом. Полное сопротивление реостата вычисляется по формуле

.

В приведенной формуле U - напряжение питания; I_н - номинальный ток; R_я - сопротивление якоря; k - коэффициент перегрузки при пуске двигателя (k 1, 2, …, 3).

Сопротивления секций R₁, R₂, R₃ и R₄ вычисляются исходя из следующих соображений.

При полностью введенном сопротивлении реостата установившийся режим будет иметь место тогда, когда момент двигателя будет равен номинальному М_н. Ток якоря в этом случае будет ранен номинальному I_н.

Следовательно,

.



Откуда ЭДС

.

При изменении положения подвижного контакта сопротивление реостата будет равно . Частота вращения останется неизменной. Прежней останется и ЭДС двигателя. Следовательно,

.

Коэффициент k в приведенной формуле равен отношению максимального тока якоря допустимого при запуске к номинальному току.

Из приведенной формулы получаем величину сопротивления реостата на втором этапе пуска двигателя

При измененном сопротивлении установившийся режим будет иметь место при . Проводя рассуждения аналогично предыдущим, получаем:

.

И, наконец,.



Рис. 20

Более детальное секционирование пускового реостата нецелесообразно.

Обычно используют пусковые реостаты, состоящие из 47 секций. Сопротивления отдельных секций, т. е. значения R₁, R₂, R₃, R₄ легко вычисляются из полученных значений в соответствии со схемой (рис. 20).

.

При использовании несекционированного пускового реостата сопротивление уменьшается с таким расчетом, чтобы ток якоря был максимально близким к значению , что обеспечивает минимальное время запуска двигателя.

Наилучший результат дают автоматические системы пуска двигателей постоянного тока, обеспечивающие плавный и быстрый пуск. Все автоматические системы создаются на основании получения определенного закона изменения тока якоря во времени при запуске двигателя.

Графики изменения тока якоря и частоты вращения двигателя при пуске двигателя с помощью секционированного пускового реостата представлены на рис. 20.

Следует помнить о том, что пусковой реостат работает кратковременно, поэтому его номинальная мощность может быть меньшей, чем максимальная мощность, вычисленная из соотношения для рассматриваемого случая

.

Пуск двигателей с последовательным и смешанным возбуждением осуществляется аналогично пуску двигателей с независимым возбуждением.



6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

6.1 Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением

Основным преимуществом двигателей постоянного тока является сравнительная простота регулирования частоты вращения якоря в больших пределах. Основными способами регулирования частоты вращения якоря двигателей являются:

- якорное регулирование,

- полюсное регулирование,

- реостатное регулирование.

Сущность каждого способа регулирования частоты вращения можно понять, анализируя уравнение, определяющее связь между частотой вращения, напряжением питания, сопротивлением регулировочного реостата и током возбуждения. Ток возбуждения определяет магнитный поток машины.

Уравнение электрического равновесия двигателя, последовательно с якорем которого включен регулировочный реостат сопротивлением R_р:

или .

Отсюда

.

Регулировочное сопротивление включается последовательно с якорем, подобно пусковому реостату. Оно работает в длительном режиме, поэтому его номинальная мощность определяется максимальной рассеиваемой мощностью при самых неблагоприятных условиях.

Из формулы следует, что частота вращения пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку .

Рассмотрим каждый способ управления двигателем.

Якорное управление: Под якорным управлением понимают регулирование скорости вращения якоря двигателей постоянного тока путем изменения напряжения на зажимах якоря двигателя. Напряжение на зажимах обмотки возбуждения должно оставаться неизменным. При таком способе управления двигателем регулировочное сопротивление не используют, и сопротивление цепи якоря определяется только сопротивлением обмотки якоря R_я . Тогда

.

При неизменной величине магнитного потока и сопротивления цепи якоря , но при различных значениях напряжения питания двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики, проходящие через точку частоты вращения идеального холостого хода, величина которой определяется из уравнения и находится на оси частот вращения n. Другая точка механической характеристики определяется величиной пускового момента

.



Очевидно то, что и и пропорциональны напряжению питания якоря U и механические характеристики при различных напряжениях сети U параллельны друг другу.

Семейство таких характеристик представлено на рис. 21.

Рис. 21

Если двигатель нагружен номинальным моментом М_н, то каждому напряжению соответствует своя частота вращения, пропорциональная приложенному напряжению U.

Номинальному напряжению U_н соответствует номинальная частота вращения n_н.

Напряжение меньше номинального обеспечивает меньшую частоту вращения . Аналогично изменяется частота вращения при увеличении напряжения и .

Падение напряжения на сопротивлении якоря при неизменном моменте остается постоянным.

Увеличение напряжений до значений, больших номинального, нежелательно, так как частота вращения при этом становится больше номинальной величины, а это может привести к преждевременному износу машины.

На практике иногда допускается увеличение напряжения на якоре на 15-20 % выше номинального напряжения.

Полюсное управление: Под полюсным управлением двигателя постоянного тока понимают регулирование частоты вращения якоря путем изменения напряжения на зажимах обмотки возбуждения.

При полюсном управлении двигателем при постоянном моменте на валу ток якоря и напряжение на якоре остаются неизменными. Регулируют лишь ток возбуждения, изменение которого приводит к изменению магнитного потока.

Из уравнения скорости

очевидно то, что числитель дроби остается величиной постоянной и частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку.

Рассмотрим семейство механических характеристик двигателя, соответствующих различным значениям тока возбуждения, предполагая, что магнитная цепь машины не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току возбуждения.

Как и прежде, построение механических характеристик будем вести, определяя частоту вращения идеального холостого хода n₀ и величину пускового момента M_п.

На рис. 22 изображено семейство полных механических характеристик, соответствующих различным значениям тока возбуждения.



Рис. 22

Естественная механическая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через точки

и .

При уменьшении тока возбуждения на 20 % частота вращения идеального холостого хода увеличивается. Пусковой момент при этом уменьшается на 20 % (см. рис. 22).

При увеличении тока возбуждения на 20 % происходит уменьшение частоты вращения идеального холостого хода . Пусковой момент при этом увеличится в такое же число раз.

Механические характеристики двигателя постоянного тока с изменением механических моментов нагрузки в пределах от до представлены на рис. 23



Рис. 23

При изменении тока возбуждения угол наклона механических характеристик изменяется. При этом уменьшение тока возбуждения приводит к увеличению частоты вращения, а увеличение тока возбуждения дает уменьшение частоты вращения двигателя.

Диаметр провода обмотки возбуждения выбирается из условия прохождения номинального тока, поэтому значительное увеличение тока возбуждения до значений выше номинального приводит к перегреву обмотки возбуждения. Иногда допускают превышение тока возбуждения на 1520 %.

Из уравнения механической характеристики следует то, что частота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна магнитному потоку . Если предположить, что магнитный поток машины пропорционален току возбуждения, то

,

где k - коэффициент пропорциональности, тогда



.

Теоретически уменьшение тока возбуждения в два раза дает двукратное увеличение частоты вращения, что уже недопустимо.

Дальнейшее уменьшение тока возбуждения приводит к аварийной ситуации и к выходу двигателя из строя.

Поэтому системы защиты двигателя контролируют величину тока возбуждения и отключают напряжение питания якоря при опасно малых токах возбуждения. Таким образом, возможности полюсного управления двигателей постоянного тока весьма ограничены.

Реостатное регулирование: Под реостатным управлением двигателя постоянного тока понимают изменение скорости вращения двигателя путем изменения сопротивления цепи якоря. Для такого регулирования последовательно с якорем включают реостат (рис. 2 4).

Рис. 24

Изменение частоты вращения двигателя постоянного тока с помощью регулировочного реостата возможно в том случае, когда двигатель нагружен механическим моментом, близким к номинальной величине. Принцип регулирования основан на том, что при изменении сопротивления цепи якоря изменяется угол наклона механической характеристики двигателя к оси моментов и при постоянном механическом моменте сопротивления на валу частота вращения изменяется. Схема включения двигателя изображена на рис. 24.

Рис. 25

Рассмотрим полные механические характеристики при различных сопротивлениях регулировочного реостата. Семейство полных механических характеристик двигателя при различных величинах сопротивлений регулировочного реостата R_рег показано на рис. 25. Ранее получена формула, описывающая механическую характеристику двигателя при включенном последовательно с якорем регулировочном реостате

.

Положение механической характеристики определяется двумя точками:

скоростью идеального холостого хода



и пусковым моментом

.

Рис. 26

Из приведенных формул следует, что скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления регулировочного реостата. Величина же пускового момента обратно пропорциональна этому сопротивлению. Поэтому угол наклона характеристик при увеличении сопротивления регулировочного реостата увеличивается .

Механические характеристики двигателя для значений моментов от 0 до 1,5М_н и при различных величинах сопротивлений регулировочного реостата R_рег показаны на рис. 26.

При неизменном механическом моменте ток якоря является величиной постоянной, и вторая слагаемая уравнения скорости , имея отрицательный знак, увеличивается при увеличении R_рег . Таким образом, увеличение R_рег приводит к уменьшению частоты вращения двигателя. На рис. 26 .

При таком способе регулирования частоты вращения при постоянном моменте на валу мощность, потребляемая из сети, остается неизменной .

Выходная же мощность двигателя при уменьшении частоты вращения уменьшается, так как .

Мощность потерь , равная разности мощности, потребляемой из сети, и выходной мощности, с уменьшением частоты вращения увеличивается за счет увеличения мощности нагревания регулировочного реостата, так как потери в самом двигателе изменяются незначительно. КПД всей установки при таком способе регулирования частоты вращения гораздо меньше номинального значения.

С точки зрения энергетических затрат такой способ регулирования частоты вращения неэффективен.

6.2 Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением

Якорное, полюсное и реостатное регулирование частоты вращения в большей степени применимы для двигателей с независимым, параллельным и смешанным возбуждением, так как они имеют обмотку возбуждения, ток которой не зависит от тока якоря. Речь идет о параллельной обмотке возбуждения.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют свои конструктивные особенности. Двигатели с последовательным возбуждением классической конструкции имеют одну обмотку, предназначенную для последовательного соединения с якорем.

Поэтому при отсутствии дополнительных устройств ток обмотки возбуждения всегда равен току якоря.

Перераспределение токов при необходимости можно реализовать с помощью дополнительных реостатов, включаемых, как правило, параллельно с обмоткой якоря или параллельно с обмоткой возбуждения.

Рис. 27

Ранее было получено уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, схема которого изображена на рис. 27

.

В этом уравнении при постоянстве механического момента на валу М возможно изменение двух величин:

а) напряжения питания U;

б) сопротивления R, равного сумме сопротивлений регулировочного реостата, обмотки возбуждения и якоря, т. е. .

Поэтому на практике основными способами изменения частоты вращения якоря двигателя последовательного возбуждения являются изменение частоты вращения с помощью изменения питающего напряжения и способ изменения сопротивления регулировочного реостата R_рег.

Семейство механических характеристик при различных напряжениях питания двигателя показано на рис. 28.

Рис. 28

Механические характеристики показывают, что изменение питающего напряжения приводит почти к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя.

При таком способе регулирования регулировочный реостат исключают из цепи якоря, поэтому .

При постоянном напряжении питания U изменение частоты вращения возможно изменением сопротивления регулировочного реостата R_рег . Механические характеристики двигателя при таком способе регулирования частоты вращения показаны на рис. 29.

Увеличение сопротивления регулировочного реостата приводит к уменьшению частоты вращения.



Рис. 29

При таком способе управления двигателем не следует забывать о значительных потерях электрической энергии в регулировочном реостате и об уменьшении пускового момента при увеличении сопротивления регулировочного реостата R_рег .

Возможны и два других способа изменения частоты вращения двигателя последовательного возбуждения:

а) изменением тока возбуждения с помощью реостата, шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 30);

б) изменением тока якоря путем подключения реостата параллельно якорю (рис. 31).

Рис. 30



Рис. 31

Наилучшим из всех рассмотренных способов является регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения. Однако для этого необходим источник постоянного регулируемого напряжения достаточной мощности, способный допускать перегрузку пусковым током, который всегда больше номинального тока двигателя.

В настоящее время существуют источники питания, в которых используются управляемые выпрямители, допускающие кратковременные перегрузки.

Размещено на Allbest.ru