Механические характеристики и регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Двигатели параллельного и независимого возбуждения.

Схема двигателя параллельного возбуждения приведена на рис. 2.10.1. В цепь якоря включены пусковой РП и регулировочный РЯ реостаты, в цепи возбуждения — реостат РВ для регулирования тока возбуждения. Обмотка возбуждения этого двигателя может быть включена на напряжение другого источника. Независимое возбуждение расширяет возможности регулирования частоты вращения двигателя.

Рис. 2.10.1. Схема двигателя параллельного возбуждения.

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются механическими характеристиками — зависимостью частоты вращения п от вращающего момента М_|ф = М_ш = М двигателя, т.с. п (М) при U = const, R_]m = const, R = const. Выведем аналитическое выражение механической характеристики двигателя и выясним возможности регулирования частоты его вращения. Из выражения для ЭДС (2.4.2а) найдем, что.

Заменив /_я на М/(с_мФ_и), получим уравнение механической характеристики.

— частота вращения при «идеальном» XX (Л/₍. = 0); М_п0 = с_Л/Ф_п/₁₁ = c_xfX>_uU/R_il — начальный пусковой момент при пусковом токе /_п = U/R_}1.

Таким образом, механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой наклонную прямую, проходящую через точку идеального холостого хода (п₀) на оси ординат (рис. 2.10.2) и точку пускового момента М_п0 (на рисунке не показана) на оси абсцисс.

Рис. 2.10.2. Механические характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения

Механическая характеристика двигателя при номинальных напряжении и магнитном потоке ([/ = С/_мом, Ф_п = Ф_ном) и отсутствии пусковых и регулировочных реостатов (R_n = 0, /?_ря = 0, /?_рв = 0) называется естественной. Поскольку при пуске без реостата (R_n = 0) М_п0 ^ М_п, точка М_п0 выходит за пределы графика на рис. 2.10.2. Естественная характеристика проходит через точку номинального режима я_ном, М_ном. При М = М_ном снижение частоты вращения пропорционально отношению /?_я/_{я U0M}/U_mm и составляет всего 3—7% п_{). Естественная механическая характеристика двигателей параллельного и независимого возбуждения является «жесткой».

При пуске двигателя с пусковым реостатом (R_n ^ 0) (см. рис. 2.10.2) пусковой момент ограничивается до допустимого значения М_п, а разбег происходит по пусковой (искусственной) механической характеристике. Когда пусковой реостат выводят (R_u = 0), двигатель переходит на естественную характеристику.

Как указывалось в параграфе 2.9, вследствие свойства саморегулирования частота вращения устанавливается постоянной тогда, когда вращающий момент двигателя равен моменту сопротивления рабочего механизма. Значение установившейся частоты вращения легко определить по точке пересечения механической характеристики двигателя с механической характеристикой механизма М_{. (см. рис. 2.10.2), которая может иметь различный вид. Очевидно, что при изменении вида механической характеристики двигателя будет изменяться частота вращения исполнительного механизма.

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока при постоянном моменте сопротивления (см. рис. 2.10.2), который имеют, например, лебедки, транспортеры, подъемники. Как следует из выражения (2.10.1), частоту вращения можно регулировать тремя способами:

• 1) реостатным — изменением сопротивления цени якоря (R = var);
• 2) полюсным — изменением магнитного потока полюсов (R_]m = var);
• 3) якорным — изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var).

Реостатное регулирование частоты вращения осуществляют введением реостата РЯ в цепь якоря. Механическая характеристика становится круто падающей (см. рис. 2.10.2, где вместо R_n введено R). При заданной зависимости М_с(п) частота вращения падает тем значительнее, чем больше R_])i{ и M_v. Очевидно, данный метод позволяет уменьшать частоту вращения двигателя.

Проследим за электромеханическим переходным процессом изменения частоты вращения. При введении реостата РЯ ток якоря и вращающий момент надают, вращение двигателя начинает замедляться, но при этом уменьшается противо-ЭДС, а ток и момент возрастают. Когда вращающий момент снова сравняется с моментом сопротивления, переходный процесс закончится и установится пониженная частота вращения. При М_с = const ток якоря будет прежним, поэтому электрическая мощность Р_э = UI не изменится, а механическая мощность Р_мех = МО уменьшится. КПД двигателя резко уменьшится. Реостатное регулирование — не экономичное, его применяют только для двигателей небольшой мощности.

На рис. 2.10.3 на графиках приведены механическая характеристика п (М) и временные диаграммы /_я(?), n (t), полученные при моделировании (см. параграф 5.2) следующих режимов работы двигателя независимого возбуждения: реостатный пуск двигателя без нагрузки (см. параграф 2.8) в интервале времени от t₀ до увеличения момента сопротивления (см. параграф 2.9) — в интервале времени от t_{ до t₂; реостатное регулирование ча;

Рис. 2.103. Изменения режимов работы двигателя (Модель):

пуск без нагрузки (t₀ — ?,); увеличение нагрузки па валу (t_t —1₂);

реостатное регулирование частоты вращения {t₂ — t_:i)

стоты вращения путем увеличения сопротивления регулировочного реостата в цени якоря — в интервале времени от t₂ до t₃. Из графиков очевидно, что при увеличении сопротивления в цепи якоря в момент t₂ происходит электромеханический переходный процесс, сопровождающийся уменьшением тока якоря и частоты вращения, затем ток якоря увеличивается и достигает первоначального значения. По окончании переходного процесса наступает новый установившийся режим с меньшей частотой вращения.

В окне справа от графика п (М) указана частота вращения в режиме холостого хода (п_х =1560 об/мин), в окне справа от графика n (t) — частота вращения при нагрузке после увеличения сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря (п = 1243 об/мин). Из сравнения значений частот вращения (см. рис. 2.9.1 и 2.10.3) следует, что после увеличения сопротивления регулировочного реостата в цени якоря частота вращения уменьшается. Поскольку ток якоря не изменился, а суммарное сопротивление цени якоря увеличилось, то увеличиваются электрические потери в цени якоря, что приводит к снижению КПД. Следовательно, данный способ регулирования является неэкономичным.

Полюсное регулирование частоты вращения осуществляется изменением магнитного потока за счет регулирования тока возбуждения с помощью реостата РВ в цепи возбуждения. В соответствии с формулой (2.10.3) частота вращения при XX обратно пропорциональна магнитному потоку, который определяется током возбуждения. При значительном уменьшении потока возбуждения ток якоря /_я и частота вращения ненагруженного двигателя резко увеличиваются, что может привести к механическому повреждению двигателя. Поэтому двигатели снабжают аппаратурой автоматической защиты, которая отключает их от сети при чрезмерном уменьшении тока возбуждения.

Механические характеристики двигателя при различных значениях магнитного потока показаны на рис. 2.10.4. Каждому значению магнитного потока соответствуют свои значения п₀ и М_п. Если момент сопротивления на валу М_с(п) меньше номинального, то при уменьшении магнитного потока частота вращения возрастает.

Рассмотрим электромеханический переходный процесс установления нового значения частоты вращения. Вместе с небольшим уменьшением магнитного потока уменьшается и нротиво-ЭДС Е якоря, но при этом резко возрастает ток якоря 1_я = (U — E)/R_i{ и вращающий момент становится.

Рис. 2.10.4. Механические характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения при различных значениях магнитного потока возбуждения (полюсное регулирование)

больше противодействующего. Частота вращения двигателя увеличивается, ЭДС возрастает, ток и момент падают. При равенстве моментов устанавливается повышенное значение частоты вращения при большем токе якоря.

На рис. 2.10.5 на графиках приведены механическая характеристика п (М) и временные диаграммы /_я(?), n (t), полученные при моделировании (см. параграф 5.2) следующих режимов работы двигателя независимого возбуждения: реостатный пуск двигателя без нагрузки (см. параграф 2.8) в интервале времени от t₀ до увеличение момента сопротивления (см. параграф 2.9) — в интервале времени от t_{ до t₂; полюсное регулирование путем увеличения сопротивления регулировочного реостата в цепи возбуждения — в интервале времени от t₂ до t₃. Из графиков видно, что при увеличении сопротивления в цепи возбуждения в момент t₂ протекает электромеханический переходной процесс, сопровождающийся увеличением тока якоря и частоты вращения, затем ток якоря уменьшается и устанавливается на уровне, превышающем первоначальное значение. По окончании переходного процесса наступает новый установившийся режим с большей частотой вращения.

В окне справа от графика п (М) указана частота вращения в режиме холостого хода (п_х = 1560 об/мин), в окне справа от графика n (t) — частота вращения при нагрузке после увеличения сопротивления регулировочного реостата в цепи возбуждения (п = 1588 об/мин). Из сравнения значений частот вращения (см. рис. 2.9.1 и 2.10.5) следует, что после увеличения сопротивления регулировочного реостата в цепи возбуждения частота вращения увеличивается.

Рис. 2.10.5. Изменения режимов работы двигателя (Модель):

При нагрузке на валу, близкой к номинальной, полюсное регулирование применять нельзя, так как с уменьшением магнитного потока ток якоря превысит номинальный. Поэтому регулирование можно производить лишь в области, расположенной выше естественной характеристики, что позволяет только повышать частоту вращения двигателя.

Полюсное регулирование является экономичным, так как из-за относительно малой мощности обмотки возбуждения небольшими оказываются и дополнительные потери мощности в регулировочном реостате и, следовательно, КПД двигателя практически не изменяется.

Якорное регулирование частоты вращения безреостатным изменением напряжения на якоре осуществимо только при независимом возбуждении, так как при параллельном возбуждении одновременно изменялся бы и магнитный поток, что привело бы к изменению тока якоря, но не частоты вращения.

От источника регулируемого напряжения (ИРН) на якорь двигателя независимого возбуждения (ДНВ) (рис. 2.10.6) подается напряжение, которое можно плавно изменять от нуля до номинального и обратно с переменной полярностью.

Рис. 2.10.6. Схема двигателя независимого возбуждения при якорном регулировании.

При якорном регулировании двигателя пусковой реостат не нужен, так как пуск начинается с малого напряжения. Механические характеристики двигателя при различных значениях напряжения на якоре и /_в = const представляются параллельными прямыми (рис. 2.10.7).

Электромеханический переходный процесс при якорном регулировании происходит следующим образом. При уменьшении напряжения на якоре до U' < U_HQM уменьшаются ток якоря и вращающий момент. Начинается замедление вращения, при котором нротиво-ЭДС уменьшается, а ток и вращающий момент возрастают. При равенстве моментов М = М_с замедление прекращается. Если момент М_с не изменился, то ток якоря по окончании переходного процесса будет прежним.

Рис. 2.10.7. Механические характеристики двигателя при якорном регулировании

На графиках (рис. 2.10.8) приведены механическая характеристика п (М) и временные диаграммы /_я(?), n (t), полученные при моделировании (см. параграф 5.2) следующих режимов работы двигателя независимого возбуждения: реостатный пуск двигателя без нагрузки (см. параграф 2.8) в интервале времени от t₀ до t_{ увеличение момента сопротивления до номинального значения (см. параграф 2.9) — в интервале времени от t_{ до t₂; якорное регулирование путем уменьшения напряжения на якоре — в интервале времени от t₂ до ?₃. Из графиков очевидно, что при снижении напряжения протекает электромеханический переходный процесс, сопровождающийся уменьшением тока якоря и частоты вращения, затем ток якоря увеличивается и достигает первоначального значения. По окончании переходного процесса наступает новый установившийся режим с меньшей частотой вращения. В окне справа от графика п (М) указана частота вращения в режиме холостого хода (п_х = 1560 об/мин), в окне справа от графика n (t) — частота вращения при нагрузке после уменьшения напряжения на якоре (п = 1344 об/мин). Из сравнения значений частот вращения (см. рис. 2.9.1 и 2.10.8) следует, что после уменьшения напряжения на якоре частота вращения уменьшается.

В качестве И PH может быть использован генератор независимого возбуждения. В этом случае собирают систему машин Г—Д, в которую, кроме генератора Г и двигателя Д, входит двигатель привода генератора и возбудителя их магнитных систем. В последнее время широкое применение получили системы, в которых генератор заменяется управляемым выпрямителем. По сравнению с системой Г—Д такие установки имеют меньшую.

Рис. 2.10.8. Изменения режимов работы двигателя (Модель):

массу и больший КПД. Для регулирования напряжения находят применение системы, в которых постоянное по значению и направлению напряжение периодически подается на якорь в виде отдельных импульсов: широтно-импульсное и частотно-импульсное регулирование.