Электропривод с двигателями постоянного тока

Схема включения и статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Обмотки якоря и возбуждения двигателя постоянного тока независимого возбуждения запитываются от различных источников напряжения, как показано на рис. 3.1.

Приведенная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения содержит дополнительные полюса с активным сопротивлением и компенсационную обмотку с активным сопротивлением Двигатели постоянного тока выполняют с дополнительными полюсами с целью улучшения процессов коммутации. Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока обеспечивает компенсацию поперечной составляющей реакции якоря.

Дополнительные обозначения, принятые на рис. 3.1:

М — обмотка якоря двигателя;

LM — обмотка возбуждения;

U — напряжение обмотки якоря, В;

I — ток обмотки якоря, А;

Е — ЭДС обмотки якоря, В;

- активное сопротивление обмотки якоря, Ом;

Rд — добавочное сопротивление цепи обмотки якоря, Ом;

- напряжение обмотки возбуждения, В.

Вывод уравнений статических характеристик двигателя постоянного тока проведем с учетом следующих допущений:

• щетки якоря стоят на геометрической нейтрале, поэтому поперечную реакцию якоря не учитываем и считаем поток, созданный обмоткой возбуждения, постоянным;

Рис. 3.1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

• потерями в подшипниках, щеточно-коллекторном узле и на вентиляцию пренебрегаем, то есть считаем момент на валу двигателя равным электромагнитному моменту.

Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для якорной цени электродвигателя:

(3.1).

где - полное сопротивление цепи обмотки якоря; - сопротивление двигателя, равное сумме сопротивлений обмотки якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки.

ЭДС обмотки якоря можно найти в соответствии с уравнением Максвелла:

(3.2).

где Ф — магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, Вб;? — угловая скорость двигателя, рад/с; - конструктивный коэффициент двигателя постоянного тока; - число пар полюсов двигателя; N — число витков обмотки якоря; а — число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставив (3.2) в (3.1) и решив полученное выражение относительно угловой скорости ?, получим уравнение электромеханической характеристики двигателя постоянного тока:

(3.3).

В соответствии с (3.3) электромеханической характеристикой двигателя постоянного тока называют зависимость его угловой скорости? от тока якоря двигателя I.

Электромагнитный момент двигателя находится из уравнения Фарадея:

(3.4).

Решим это равенство относительно тока якоря двигателя I и подставим его в (3.3), получим уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока:

(3.5).

Механической характеристикой двигателя постоянного тока называют зависимость его угловой скорости? от момента двигателя М .

Различают естественную и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока.

Естественной механической характеристикой двигателя постоянного тока называют зависимость угловой скорости двигателя? от момента его М, полученную при номинальной схеме включения двигателя, номинальных параметрах напряжения обмоток якоря и возбуждения и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях двигателя. Все остальные характеристики называют искусственными. С помощью искусственных характеристик производят регулирование скорости двигателя. Как следует из уравнений (3.3) и (3.5), регулировать скорость двигателя постоянного тока независимого возбуждения можно тремя основными способами:

• • изменением добавочного активного сопротивления в цепи обмотки якоря двигателя;
• • изменением подводимого к обмотке якоря напряжения U;
• • изменением потока возбуждения двигателя Ф, а также изменением различных комбинаций этих параметров. Выражения (3.3) и (3.5) при неизменных параметрах R, U, Ф представляют собой уравнения прямой линии. В качестве примера на рис. 3.2. приведены электромеханические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенные в четырех квадрантах.

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Как уже отмечалось, в первом квадранте электрическая машина постоянного тока независимого возбуждения работает в двигательном режиме, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигательный режим работы ограничен двумя характерными точками:

1. Первая координата точки определяется при токе якоря, равном нулю, вторая координата получается из уравнения (3.3) при подстановки в него I = 0. Скорость двигателя, соответствующая нулевому току якоря, называется скоростью идеального холостого хода:

(3.6).

В режиме идеального холостого хода двигатель не получает питания по цепи обмотки якоря из питающей сети.

2. Первая координата второй точки соответствует скорости двигателя, равной нулю. При подстановке в (3.3)? = 0 получим ток якоря двигателя короткого замыкания

(3.7).

Мощность двигателя равняется нулю, так как его скорость , а вся получаемая из сети энергия расходуется на нагрев сопротивлений якорной цепи двигателя .

Генераторный режим работы электрической машины независимого возбуждения параллельно с сетью или режим рекуперативного торможения возникает, если скорость вращения машины превышает скорость идеального холостого хода ?0. Электрическая машина работает во втором квадранте. При этом ЭДС машины Е становится больше напряжения обмотки якоря U и в соответствии с выражением (3.1) ток якоря меняет знак, становясь отрицательным:

(3.8).

При работе электрической машины генератором параллельно с сетью она получает механическую энергию от рабочего органа исполнительного механизма и преобразует ее в электрическую. Необходимо помнить, что электрическая энергия, возвращаемая в цепь источника напряжения обмотки якоря, должна потребляться параллельно включенной якорю нагрузкой.

При работе электрической машины в четвертом квадранте наступает режим торможения противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью. В этом генераторном режиме энергия в сеть, питающую обмотку якоря, не отдается. Скорость вращения электрической машины меняется на противоположную двигательному режиму работы, то сеть при данной схеме включения — становится отрицательной. Режим работы возникает при преобразовании потенциональной энергии в электрическую (активная нагрузка на валу двигателя) или при преобразовании кинетической энергии в электрическую (торможение двигателя при смене полярности напряжения на обмотке якоря на противоположную). Во всех случаях ЭДС якоря электрической машины будет иметь тот же знак, что и напряжение обмотки якоря. Ток, протекающий по обмотке якоря, определяется уравнением.

(3.9).

Электрическая энергия от протекающего по якорю тока рассеивается на активных сопротивлениях якорной цепи двигателя , преобразуясь в тепловую. Энергетически режим торможения противовключением — самый неблагоприятный из всех режимов работы электрической машины независимого возбуждения.

На рис. 3.2 приведена электромеханическая характеристика, проходящая через начало координат. Такой режим работы электрической машины возможен при ее отключении от источника напряжения якоря (U = 0), а для возможности протекания тока якоря — при замыкании через добавочное сопротивление накоротко. В этом случае режим работы электрической машины постоянного тока независимого возбуждения называется динамическим торможением. Схема включения электрической машины в режиме динамического торможения приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения в режиме динамического торможения.

Уравнение электромеханической характеристики образуется из выражения (3.3) при подстановке в него напряжения якоря U = 0:

(3.10).

Ток в якоре электрической машины протекает за счет ЭДС :

(3.11).

Режим работы возникает при преобразовании потенциональной энергии в электрическую (активная нагрузка на валу двигателя) или при преобразовании кинетической энергии в электрическую (торможение двигателя при уменьшении напряжения на обмотке якоря до нуля). Электрическая энергия от протекающего, но якорю тока также рассеивается на активных сопротивлениях якорной цепи двигателя , преобразуясь в тепловую.