Пуск двигателя постоянного тока в функции времени

Методические рекомендации

Электрические машины постоянного тока используются в промышленности в основном в качестве электродвигателя или генератора малой и средней мощности.

Основными частями электродвигателя постоянного тока являются: ярмо (индуктор), главные и дополнительные полюса с обмотками; сердечник якоря с обмоткой; щеточно-коллекторное устройство, подшипниковые щиты.

Электрический двигатель постоянного тока преобразует подводимую к нему электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения.

В зависимости от схемы электрического соединения его обмотки возбуждения относительно обмотки якоря различают следующие способы возбуждения магнитного потока: независимое, последовательное, параллельное и смешанное.

При работе электрической машины постоянного тока в режиме электродвигателя под действием напряжения, подводимого к якорю, в его обмотке появляется ток Ia. В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком, созданным обмоткой возбуждения электродвигателя, возникает электромагнитный вращающий момент.

M pN C0ФIa,.

где pN C0 2pa — постоянный коэффициент.

Здесь p — число пар полюсов электрической машины;

N — число эффективных проводников обмотки якоря; a — число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

При вращении якоря в проводниках его обмотки под действием магнитного потока возбуждения будет индуктироваться электродвижущая сила Ea, направление которой противоположно направлению тока Ia, поэтому ее называют противо-ЭДС. Величина электродвижущей силы зависит от частоты вращения якоря и магнитного потока возбуждения Ф Приложенное к зажимам обмотки якоря электродвигателя напряжение Ua уравновешивается противо-ЭДС Ea и падением напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря Тогда ток обмотки якоря электродвигателя определяется следующим выражением При пуске электродвигателя в ход в первый момент времени после подключения его к сети постоянного тока якорь остается неподвижным и противо-ЭДС равна нулю. Поэтому при прямом пуске электродвигателя пусковой ток его обмотки якоря будет зависеть только от напряжения сети и сопротивления обмотки якоря Он может превышать номинальное значение тока якоря в 10?30 раз. Для уменьшения пускового тока в цепь обмотки якоря вводят добавочное пусковое сопротивление Rп и тогда По мере разгона противо-ЭДС нарастает, и пусковое сопротивление выводится из цепи якоря. В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент, развиваемый электродвигателем, уравновешивается моментом сопротивления на валу Под механической характеристикой электродвигателя постоянного тока понимают зависимость установившейся частоты вращения от электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем f (M). Механическая характеристика электродвигателя постоянного тока называется естественной, если она снята при номинальном напряжении сети Ua, номинальном потоке возбуждения Ф и при отсут-ствии добавочных сопротивлений в цепи якоря Rд. Все остальные механические характеристики электродвигателя — искусственные.

В общем случае механическая характеристика электродвигателя постоянного тока имеет вид В электродвигателях постоянного тока независимого и параллельного возбуждения различают следующие способы регулирования частоты вращения якоря:

• — якорное регулирование частоты вращения изменением напряжения питающей сети (Ua var.);
• — полюсное регулирование частоты вращения изменением магнитного потока полюсов путем введения добавочного сопротивления в обмотку возбуждения (Ф = var.);
• — реостатное регулирование частоты вращения введением добавочного сопротивления в цепь якоря (Rд var.).

К номинальным данным электрической машины постоянного тока относятся следующие параметры:

• — номинальная мощность P ом (для электродвигателя — полезная механическая мощность на валу);
• — номинальный ток цепи обмотки якоря Iaном ;
• — номинальное напряжение на главных зажимах электрической машины Uaном ;
• — номинальная частота вращения якоря nном (об./мин.);
• — номинальный коэффициент полезного действия машины hном.

Задания по работе:

• 1. В соответствии с предложенным вариантом задания из таблицы 1 выбрать электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения серии 2П.
• 2. Определить ток обмотки якоря Iaном, потребляемый электродвигателем из сети при номинальной нагрузке.
• 3. Определить номинальный электромагнитный момент, развиваемый на валу электродвигателя.
• 4. Рассчитать пусковой электромагнитный момент электродвигателя при пусковом токе Iaп 2Iaном (без учета реакции якоря) и соответствующее сопротивление пускового реостата.
• 5. Рассчитать и построить естественную механическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения
• 6. Рассчитать и построить семейство искусственных механических характеристик электродвигателя при якорном регулировании частоты вращения при равном 0,33; 0,67; 1,00 от номинального.
• 7. Рассчитать и построить искусственную механическую характеристику электродвигателя f (M)при введении в цепь якоря добавочного сопротивления равного Rд 9(Ra Rдп). При этом считать, что электромагнитный момент на валу электродвигателя остался неизменным и равным номинальному.
• 8. Считая характеристику холостого хода электродвигателя линейной, рассчитать и построить искусственную механическую характеристику f (M)при введении в цепь обмотки возбуждения добавочного сопротивления Rвд 0,3Rв.
• 9. Рассчитать и построить семейство механических характеристик при реостатном пуске электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения в диапазоне изменения момента M (1,22,0)Mном. Определить скорости переключения, число ступеней пускового реостата и сопротивления его секций.
• 10. Подобрать по каталогу (смотрите приложение 2) соответствующее электродвигателю пусковое сопротивление.
• 11. Нарисовать схему включения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Объяснить назначение добавочных сопротивлений в контурах машины.
• 12.

  Заключение

  сформулировать в виде пояснений по следующим вопросам:

  • — назвать основные элементы конструкции электрической машины постоянного тока;
  • — объяснить устройство щеточно-коллекторного узла, назначение коллектора и щеток в электродвигателе постоянного тока;
  • — охарактеризовать естественную механическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, указать причины уменьшения частоты вращения с ростом нагрузки;
  • — пояснить, каким образом осуществляется якорное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Обосновать достоинства и недостатки данного способа регулирования;
  • — как реализуется реостатное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Дать характеристику реостатному регулированию частоты вращения, указав на его достоинства и недостатки;
  • — как реализуется полюсное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения; его достоинства и недостатки;
  • — назвать способы пуска электродвигателя постоянного тока;
  • — описать процесс реостатного пуска электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения;
  • — пояснить по каким параметрам выбирается пусковой реостат;
  • — объяснить назначение добавочных сопротивлений в контурах электродвигателя постоянного тока.

В таблице 2 приведены основные технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения средней мощности с высотами оси вращения 112 315 мм.

постоянный ток электродвигатель реостат Таблица 1. Технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения.

Для электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения установлена следующая структура обозначения типоразмера:

• 1 — серия электродвигателя постоянного тока независимого возбу-ждения -2П;
• 2 — конструктивное исполнение электродвигателя постоянного тока: «Н» — самовентилирующиеся электродвигатели; «Б» — электродвигатели с естественным охлаждением; «О» — с наружным обдувом электродвигателя от постороннего вентилятора; «Ф» — с независимой вентиляцией электродвигателя от постороннего вентилятора;
• 3 — высота оси вращения в миллиметрах. Государственными стандартами установлен следующий ряд высот оси вращения: 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200, 225, 250, 280, 315 мм;
• 4 — условная длина сердечника якоря: «M» — первая длина, «L» — вторая длина;
• 5 — климатическое исполнение, «У» — электродвигатели, предназначенные для эксплуатации в районах с умеренным климатом; «ХЛ» — электродвигатели, предназначенные для эксплуатации в районах с холодным климатом;
• 6 — число полюсов электродвигателя.

Пример расчета:

В соответствии с заданным преподавателем варианта из таблицы 1. выбираем электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения типа 2ПН112МУХЛ4 со следующими номинальными данными:

— номинальная механическая мощность на валу электрического двигателя.

P ом= 3,6 кВт;

• — номинальное напряжение питающей сети постоянного тока Uaном = 110В;
• — номинальная частота вращения якоря электродвигателя nном =3150 об./мин.;
• — номинальный коэффициент полезного действия электродвигателя hном=78,5%;
• — электрическое сопротивление обмотки якоря при температуре окружающей среды 15_C Ra = 0,084 Ом;
• — электрическое сопротивление обмотки добавочных полюсов Rдп= 0,089Ом;
• — электрическое сопротивление обмотки возбуждения электродвигателя Rв=33,6Ом.

Ток, потребляемый обмоткой якоря электродвигателя постоянного тока из сети, Номинальный электромагнитный вращающий момент, развиваемый электродвигателем, Для электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения электромагнитный момент пропорционален току якорной обмотки. Поэтому электромагнитный пусковой момент при токе Iaп ??2Iaном будет равен Соответствующее сопротивление пускового реостата определится из формулы Уравнение естественной механической характеристики электродвигателя имеет следующий вид Произведение C0Ф определим из уравнения равновесия напряжений якорной цепи Подставляя выражение для электродвижущей силы якоря Ea ?C0Ф??, получим Тогда уравнение естественной механической характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения приобретает следующий вид.

Естественная механическая характеристика электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

При якорном регулировании электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения наклон механической характеристики не изменится, а частота вращения холостого хода будет пропорциональна напряжению, приложенному к якорной обмотке электрической машины.

Таблица 2. Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при якорном регулировании.

Семейство искусственных механических характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения при якорном регулировании представлено на рисунке 2.4.2, где кривая 1 — естественная механическая характеристика для номинального напряжения сети Ua Uaном; 2 —Ua 0,67Uaном; 3 —Ua 0,33Uaном .

При введении добавочного сопротивления в цепь обмотки якоря частота вращения холостого хода электродвигателя постоянного тока не изменится, а жесткость механической характеристики существенно уменьшится. Рассчитаем искусственную механическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения для реостатного регулирования при добавочном сопротивлении в цепи якоря равном Rд 9(Ra Rдп).

Рисунок 2.

• 1 — Семейство механических характеристик ДПТ при реостатном регулировании
• 2 — Семейство механических характеристик ДПТ при полюсном регулировании

Семейство механических характеристик электродвигателя постоянного тока при реостатном регулировании его частоты вращения приведены на рисунке 2, где кривая 1 — естественная механическая характеристика двигателя; 2 — механическая характеристика при введении добавочного сопротивления Rд 9(Ra Rдп).

При введении добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения уменьшается ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток обмотки возбуждения машины. При ненасыщенной магнитной системе электродвигателя изменение магнитного потока возбуждения пропорционально изменению тока возбуждения. То есть при введении в цепь обмотки возбуждения добавочного сопротивления Rвд 0,3Rв ток и магнитный поток возбуждения уменьшится в 0,77 раза, соответственно.

Семейство механических характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения для полюсного регулирования представлено на рисунке 2.4.4, где кривая 1 — естественная механическая характеристика двигателя при Ф=Фном; 2 — механическая характеристика при введении добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения (Ф=0,77Фном).

Построим механические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения при реостатном пуске. Процесс реостатного пуска заключается в том, что при достижении определенного значения развиваемого электродвигателем электромагнитного момента часть секций пускового сопротивления шунтируется. При полностью зашунтированном пусковом реостате электродвигатель начинает работать на естественной механической характеристике и выходит на номинальный режим.

Пределы изменения момента при пуске электродвигателя определяются по следующим соображениям. Значение максимального момента при номинальном потоке электродвигателя обычно принимается по условиям коммутации равным 2?2,5. Что касается минимального момента, то его нужно принять, по крайней мере, на 10?20% больше момента сопротивления механизма. Для построения реостатных характеристик принимаем, что момент при пуске изменяется в пределах от 2Mном до 1,2Mном.

Рисунок 3. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения Графически определяем скорости переключения секций пускового реостата при электромагнитном моменте на валу электродвигателя равном 1,2Mном (точки 1, 2, 3, 4 на рисунке 3):

1=140 рад./сек.; 2=225 рад./сек.; 3=275 рад./сек.; 4=310 рад./сек.

По скорости переключения определим добавочные сопротивления для всех реостатных механических характеристик электродвигателя из формулы.

Для момента M =1,2Mном получаем Заносим полученные результаты расчета в таблицу 3.

Таблица 3. Сопротивление секций пускового реостата.

Таким образом, выбираем секционированный пусковой реостат, состоящий из четырех секций со следующими величинами сопротивлений секций:

Из приложения 2 выбираем пусковой реостат III габарита типа Р3П-3 со следующими параметрами:

• — допустимая мощность электродвигателя — 5,0 7,0 кВт;
• — номинальное допустимое напряжение — 110 В;
• — предельный допустимый ток реостата — 120 А;
• — число ступеней пускового реостата — 8;
• — число элементов сопротивлений пускового реостата — 8;
• — вес пускового реостата — 21 кГ.

Пусковые реостаты типа РЗП предназначены для управления электродвигателями постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением мощностью до 19 кВт при напряжении питающей сети 110 В и мощностью до 42 кВт при напряжении питающей сети 220 или 440 В. Пусковые реостаты осуществляют пуск электродвигателя постоянного тока путем ступенчатого изменения сопротивления в цепи обмотки якоря.

Они состоят из проволочных или ленточных резистивных элементов типов СН, СНл и ЦФ. Вместе с коммутирующим устройством они расположены в металлическом корпусе с естественным воздушном охлаждением.

Пусковыми реостатами можно производить только пуск и остановку электродвигателя. Недопустима их работа в длительном режиме. Они допускают два пуска электродвигателя подряд с паузой после каждого пуска, вдвое большей, чем время пуска. На частые пуски реостаты не рассчитаны.

Схема включения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения представлена на рисунке 4. Здесь: М — обмотка якоря электродвигателя постоянного тока; ОВ — независимая обмотка возбуждения; Rвд — добавочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения, предназначенное для полюсного управления электродвигателем;

Rд — добавочное сопротивление в цепи обмотки якоря для реостатного регулирования частоты вращения; Rд1,…Rд4 — секции пускового реостата; К1,…,К4 — коммутаторы.

Рисунок 4. Схема включения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения Технические данные пусковых реостатов РП и РЗП.

Контрольные вопросы:

• 1. Чем отличаются естественная характеристика от искусственных характеристик двигателя?
• 2. Способы торможения двигателей постоянного тока
• 3. Назовите причины падения частоты вращения двигателя при увеличении нагрузки.
• 4. Во сколько раз максимальный (допустимый) момент у двигателя постоянного тока с независимым возбуждением превышает номинальный момент?
• 5. На каком уровне и чем ограничивается допустимый ток у двигателей постоянного тока?