Способы регулирования частоты вращения ЭД постоянного тока независимого возбуждения

Регулирование не следует смешивать с самопроизвольным изменением угловой скорости при изменении нагрузки (момента) на валу.

Особенности способов регулирования частоты вращения рассмотрим для ДПТ с НВ и ДПТ с ПВ. Скорость вращения двигателей смешанного возбуждения обычно регулируется так же, как и в двигателях параллельного возбуждения, хотя в принципе можно использовать также способы, применяемые в двигателях последовательного возбуждения [39].

При рассмотрении способов регулирования скорости вращения необходимо учитывать, что при изменении скорости вращения двигателя меняются условия охлаждения его частей, что особенно сильно проявляется в самовентилируемых двигателях, в которых при уменьшении скорости вращения необходимо снижать длительную мощность с целью избегания недопустимого перегрева.

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением сопротивления цепи якоря Rя. ц=Rя+Rдоб (резистивное, реостатное управление) Независимое и параллельное возбуждение ДПТ.

Осуществляется путем введения в цепь якоря добавочных активных сопротивлений Rдоб (резисторов) при U = Uн, Ф = Фн.

Отметим, что для ДПТ с ПарВ цепь возбуждения должна быть включена на полное напряжение U (рис.23б) [32].

Характерные особенности регулирования:

• 1) Скорость идеального холостого хода =U/(с0Ф) не меняется. То есть при Мс=0 (в режиме холостого хода) резистивное управление невозможно.
• 2) Регулирование однозонное, вниз от номинального значения скорости. При постоянной нагрузке на валу двигателя увеличение сопротивления в цепи якоря приводит к уменьшению скорости вращения ЭД.
• 3) Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления цепи якоря:

=М/= (с0Ф)2/(Rя+Rдоб) (29).

Это приводит к тому, что с увеличением Rдоб способность «держать» заданную скорость при изменении момента нагрузки Мс уменьшается. Небольшое случайное изменение Мс на низких скоростях приводит к значительному изменению скорости. Это ограничивает диапазон регулирования max/min величиной допустимого изменения скорости при изменении момента нагрузки.

При номинальном моменте диапазон регулирования составляет от 3 до 4 (2…2,5 — [5,40]; не более 2 [10, 31]).

• 5) При уменьшении момента нагрузки уменьшается возможный диапазон регулирования скорости.
• 6) Введение дополнительных сопротивлений Rдоб уменьшает пусковой момент Мп=с0ФU/(Rя+Rдоб) и ток короткого замыкания Iк. з=U/(Rя+Rдоб). Это свойство используется при пуске двигателя для ограничения пусковых токов.
• 7) Значение сопротивления Rдоб, которое необходимо включить в цепь якоря, чтобы получить угловую скорость показывает регулировочная характеристика (Rдоб) (рис.25)

Недостатки.

а) Реостаты имеют большие габариты и массу.

Сопротивление Rдоб должно быть рассчитано на длительную работу (в отличие от пускового сопротивления).

б) Низкая энергетическая эффективность.

Выражение для тепловых потерь в цепи якоря двигателя можно записать в виде ДР=М (0-)=М2(Rя+Rдоб)/(с0Ф)2.

С увеличением сопротивления Rдоб потери линейно растут и тем значительнее, чем более нагружен двигатель.

При уменьшении угловой скорости вдвое в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря [14].

Следует также отметить, что с уменьшением угловой скорости при самовентиляции ухудшается охлаждение двигателя.

• в) Увеличение сопротивления цепи якоря приводит к увеличению электромеханической постоянной времени (Тм = Jдв (Rя+Rдоб)/(с0Ф)2), что замедляет переходные процессы в ЭД, то есть увеличивает время выхода на установившийся режим.
• г) Регулирование частоты вращения при реостатном регулировании — ступенчатое, что обуславливается дискретным изменением сопротивления. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов) [40].
• д) Большие броски потребляемого тока при переключении ступеней резисторов в случае релейно-контакторной системы управления, что вредно для питающей сети [26].
• е) Сложность автоматизации [34].

Преимущества:

• а) Простота технической реализации.
• б) Основные потери выделяются в регулировочном сопротивлении, которое вынесено за пределы машины.

Область применения Способ регулирования применяется лишь в двигателях малой мощности для привода исполнительных механизмов, где потери энергии не вызывают особых проблем с теплоотводом [15].

Особенности регулирования для ДПТ с последовательным возбуждением.

При регулировании скорости вращения ДПТ с последовательным возбуждением путем изменения сопротивления в цепи статора поток Ф не остается постоянным.

Регулирование целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления [31].

Диапазон регулирования для ДПТ с последовательным или смешанным возбуждением 1:4 [26], обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки [31].

Область применения Этот способ регулирования нашел широкое применение в крановых и тяговых электроприводах [31].

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением потока (тока) возбуждения.

ДПТ с независимым и параллельным возбуждением Особенности регулирования:

• 1) Регулирование скорости осуществляется только при снижении потока возбуждения Ф (ослаблении магнитного поля).
• 2) Регулирование однозонное вверх от номинальной скорости.
• 3) С уменьшением потока возбуждения Ф возрастает скорость идеального холостого хода 0 = U/(с0Ф).
• 4) С уменьшением потока возбуждения Ф ток короткого замыкания Iякз=Uя/Rя остается постоянным, а момент короткого замыкания Мкз=с0ФIкз снижается.
• 5) С уменьшением потока возбуждения Ф жесткость механических характеристик уменьшается: =М/= (с0Ф)2/Rяц

Тем не менее с учетом большого значения Iк. з = (20−50)Iн характеристики достаточно жесткие, и стабильность скорости относительно высокая [40].

6) Диапазон регулирования скорости при изменении потока возбуждения обычно не превышает 2,5 (не более 3 [10], не превышает 2−3 [16]; 3−4 [40]; для двигателей специального исполнения может достигать 10, но обычно составляет 2 [31]).

Нижний предел скорости (верхний предел потока) ограничивается насыщением магнитной цепи. На практике нижней границей диапазона регулирования обычно является номинальная скорость вращения.

Верхний предел скорости ограничивается [32]:

• — механической прочностью машины;
• — условиями устойчивости;
• — увеличением искажающего действия реакции якоря;
• — условиями коммутации:
• — ростом вибрации щеточно-коллекторного узла;
• — ростом реактивной ЭДС и увеличением искрения на коллекторе.
• — вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря.

Преодоление ограничений (специальное исполнение ДПТ):

Если двигатель с параллельным возбуждением предназначается для широких пределов регулирования скорости вращения (например, 4:1) путем изменения тока возбуждения, то при ослабленном поле возбуждения реакция якоря может оказаться слишком сильной. Тогда необходимо для уменьшения реакции якоря выполнить двигатель с увеличенным воздушным зазором. Такие двигатели стоят дороже, чем нормальные двигатели с пределами регулирования скорости вращения примерно 1:1,5 [33].

Другой вариант используется в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря — раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют Iв = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов Iв и поток уменьшают. Искажающее влияние поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из ЭДС секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным [14].

7) Ток якоря не может длительно превышать номинального значения, на который рассчитаны обмотки. В связи с тем, что регулирование скорости достигается уменьшением магнитного потока, с увеличением скорости должен уменьшаться допустимый момент нагрузки: Mдоп=с0ФIном<�Мном (штриховая линия на рис.29а).

Из уравнения (4), при.

Iя = Iдоп = Iном следует:

с0Ф = Uном-IномRя/.

и Мдоп= (Uном-IномRя/)*Iном или Рдоп= Мдоп= Uном IномIном2Rя = const.

то есть при данном способе регулирования неизменна допустимая мощность, снимаемая с вала машины.

При регулировании с Р=const при прочих равных условиях достижимый диапазон регулирования будет тем меньше, чем больше высота оси вращения и выше номинальная скорость.

В ряде случаев повышение скорости вращения может быть обеспечено только при снижении мощности двигателя ниже номинальной [22].

Регулировочная характеристика Достоинства:

1) Малая мощность управления, так как мощность цепи возбуждения намного меньше мощности двигателя (как правило, она составляет 2−5% мощности двигателя).

КПД двигателя остается высоким. Например, при реостатном управлении потери в регулировочном реостате незначительны, так как ток возбуждения составляет небольшую долю номинального тока якоря. К тому же при уменьшении Iв мощность возбуждения UвIв уменьшается [14].

• 2) Регулирование скорости плавное, можно получить характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу [40].
• 3) Простота реализации рассматриваемого способа регулирования и отсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии [40].

Недостатки:

1) Невозможность уменьшения скорости вращения ниже номинальной.

Это существенно ограничивает область применения данного способа регулирования. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной [40].

• 2) Нелинейность регулировочной характеристики.
• 3) Неоднозначность регулировочной характеристики при определенных значениях момента [28].
• 4) Непостоянная жесткость механических характеристик при различных значениях потока [28].

Способы реализации:

• 1) Реостатно-контакторное управление (рис). Ток возбуждения изменяется путем ступенчатого регулирования сопротивления в цепи возбуждения. Этот способ менее надежен. Как и во всяких контактных системах в данном случае требуются профилактика и ремонты [19].
• 2) Использование управляемого полупроводникового выпрямителя [19].
• 3) Импульсное управление.

В электрооборудовании ЛА этот способ применяют для стабилизации угловой скорости электромашинных преобразователей рода тока. Рекомендуется использовать при >ном при двухзонном регулировании в сочетании с якорным управлением [15].

ДПТ с последовательным возбуждением Изменение величины потока возбуждения в ДПТ с ПВ возможно следующими способами:

• — шунтирование обмотки возбуждения реостатом (рис.32а). Изменение сопротивления Rш будет влиять на ток возбуждения Iв= Iя — Iш [31].
• — уменьшение числа включенных в цепь питания витков обмотки возбуждения. В этом случае предусматриваются соответствующие выводы из обмотки возбуждения [14].
• — шунтирование обмотки якоря реостатом Rш.а. При уменьшении Rш. а ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения на Rв мало и поэтому можно принять Rв = 0, то сопротивление Rш. а практически находится под полным напряжением сети, его величина должна быть значительной, потери в нем будут велики и КПД сильно уменьшится. Кроме того, шунтирование якоря эффективно только тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко [14].

Остановимся на первом способе.

С уменьшением величины Rш увеличивается ток Iш, уменьшается ток Iв, уменьшается поток Ф, увеличивается угловая скорость (рис.32б).

а) б) Рис. 32. Схема (а) и механические характеристики ДПТ (б) с посл. возбуждением при регулировании путем изменения потока (Rш1> Rш2) [25,31]

Данный способ регулирования является достаточно экономичным: сопротивление последовательной обмотки возбуждения мало, поэтому сопротивление Rш также выбирается малым. Потери в сопротивлении Rш поэтому тоже малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого КПД двигателя остается высоким [14]. Потери энергии примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения [31].

Диапазон регулирования, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке [31].

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках [31].

Регулирование угловой скорости ДПТ изменением питающего напряжения (якорное управление).

ДПТ независимого возбуждения.

Рис. 34. Механическая (а) и регулировочная (б) характеристика ДПТс независимым возбуждением [37].

Особенности регулирования.

• 1) Регулирование однозонное. Регулирование возможно только при уменьшении напряжения вниз от номинального значения. При этом скорость вращения изменяется вниз от номинального значения.
• 2) При уменьшении напряжения питания скорость идеального холостого хода ихх=U/(с0Ф) уменьшается.
• 3) Жесткость характеристики в=dM/d=(с0Ф)2/Rя.ц не зависит от напряжения и достаточна высока. Как следствие, достаточно высокая стабильность скорости.

Отметим, что жесткость получаемых механических характеристик ниже, чем у естественной характеристики двигателя, поскольку Rя. ц = Rя + Rп, где Rп — сопротивление преобразователя (статического или якоря генератора, см. далее) [40].

4) Регулирование скорости может быть реализовано при постоянном моменте сопротивления: Мдоп=const.

Следует отметить, что понижение скорости в машинах с самовентиляцией сопровождается ухудшением охлаждения. При этом при продолжительном режиме работы на пониженной скорости нагрузочный момент должен быть ниже номинального [22].

5) Диапазон регулирования в разомкнутой структуре составляет 10…12; 8…10 [10].

Достоинства:

• 1) Линейность регулировочных характеристик (при отсутствии нелинейности в характере нагрузки) — одно из важнейших достоинств коллекторных ДПТ [23].
• 2) Большой диапазон регулирования.
• 3) Регулирование плавное [40].
• 4) Способ экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию [40].

Капитальные затраты определяются типом используемого УП. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторах с соответствующей коммутационной аппаратурой [40].

Способ часто используется в сочетании с ослаблением поля и является основным при построении замкнутых структур электропривода [40].

ДПТ последовательного возбуждения Рис. 35. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики ДПТ с последовательным возбуждением (без учета насыщения) (U3

а) б) Регулировочные характеристики в отличие от случая с независимым возбуждением не параллельны, а представляют собой пучок прямых линий, исходящих из точки с указанными координатами.

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше [31].

Достоинством способа является высокий КПД [31].

Данный способ регулирования ДПТ с ПВ широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного подключения к источнику напряжения на последовательное (т.е. ступенчатое уменьшение напряжения) [32].

Способы реализации.

1) Электромеханический способ, при котором изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, может осуществляться генератором постоянного тока независимого возбуждения. Такая система получила название «генератор-двигатель» — Г-Д (рис. 31) (иногда можно встретить название «агрегат Леонарда» [14]).

Достоинства [40]:

• — двусторонняя проводимость генератора, т. е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах;
• — отсутствие искажений питающей сети;
• — высокий коэффициент мощности.
• — регулирование скорости вращения двигателя в широких пределах производится управлением сравнительно небольшой мощности, в 50−100 раз меньшей, чем на выходе генератора;
• — способ регулирования позволяет реализовать динамическое и генераторное торможение двигателя, а также осуществить реверс (путем изменения направления тока в ОВ генератора).

Недостатки:

• — большая масса, габаритные размеры и стоимость [34];
• — невысокий КПД системы (трехкратное преобразование энергии): примерно 0,6 …0,7 [34];
• — необходимость обслуживать генератор;
• — инерционность цепи управления.

Область применения Данный вариант не применяли в электроприводах малой мощности [16], обычно применялся при значительных мощностях (сотни кВт и выше), например, в металлургии, мощных экскаваторах [40].

В настоящее время применяется ограниченно.

2) Электрический способ, при котором изменение напряжения питания ДПТ осуществляется с помощью управляемого статического преобразователя (система УП-Д, рис.32).

Рис. 37. Система УП-Д [40]

2.1) Использование в качестве УП управляемого выпрямителя (УВ) (рис.38).

Тиристоры УВ включаются схемой управления с задержкой на угол б по отношению к моменту естественного включения.

Достоинства:

• — отсутствие вращающихся машин;
• — высокий КПД, за счет низкого падения напряжения в тиристорах [43];
• — не требуют обслуживания;
• — имеют высокое быстродействие.

Способы регулирования скважности ф/Т [43]:

• 1) При T=const (f=const) и регулировании времени включения ключа ф. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а ИРН — широтно-импульсным преобразователем (ШИП).
• 2) При ф=const и регулировании частоты импульсов f (периода Т). ИРН в этом случае называют частотно-импульсным преобразователем (ЧИП).
• 3) При изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния ключа. ИРН называт в этом случае широтно-частотный импульсный преобразователь (ШЧИП).

Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование скорости вращения.

При изменении момента нагрузки ДПТ степень изменения скорости зависит от жесткости механической характеристики.

Если для качественной работы приводимого в движение агрегата требуется поддерживать скорость постоянной (а жесткость характеристик в разомкнутой системе УП-Д оказывается недостаточной), применяют замкнутые системы по скорости, т. е. вводят отрицательную обратную связь по скорости [40].

Для этого необходимо включить в систему измерительный орган (датчик скорости), в качестве которого на рис. 44 приведен тахогенератор ТГ. Сигнал с выхода тахогенератора ЕТГ=k сравнивается с задающим сигналом U’з (соответствующим заданной скорости), а разность U’з — k подается на вход управляемого преобразователя УП (отрицательная обратная связь по скорости). Исходя из сигнала рассогласования Uвх=U'з — k формируется сигнал управления УП и на выходе УП (входе ДПТ) формируется требуемое напряжение Еп [40].

Пусть привод был нагружен моментом Мс1 и работал в т.1 (рис. 45). Затем момент сопротивления увеличился до значения Мс2. В разомкнутой схеме этому изменению соответствовала бы точка 2', так как изменение Мс не приводило бы к изменению выходного напряжения преобразователя Еп [40].

В замкнутой системе уменьшение скорости повлечет за собой рост входного сигнала Uвх=U'з-k, а значит и Еп. Следовательно, при Мс2 привод перейдет на характеристику, соответствующую Еп2>Еп1 и будет работать в точке 2. В рассматриваемой схеме 2<1, так как увеличение Uвх, а значит и Еп возможно лишь за счет некоторого уменьшения. Такие системы называют статическими, в отличие от астатических, где =0 [40].

Стабилизация (ограничение) момента ДПТ Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, некоторой предельной величины Мпред. В системе УП-Д эту задачу можно решить, снижая ЭДС преобразователя при достижении моментом величины Мпред. Эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном случае целесообразно использовать обратную связь по моменту или по току, который ему пропорционален (при Ф = const), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током некоторого заданного значения. Такие обратные связи называют нелинейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УП-Д с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис. 46 [40].

На вход управляемого преобразователя УП при Iп). При достижении моментом величины Мпред отрицательная обратная связь по току начинает действовать, т. е.Uвх = Uз — бI. Снижается Еп и рост момента ограничивается. Изменением Uз можно установить требуемую характеристику (рис. 47), а изменением Uоп — задать нужный предельный момент [40].

Рассматриваемые в настоящем курсу способы регулирования частоты вращения могут быть разделены на две основные группы:

параметрические способы;

способы, связанные с применением регулируемых источников электрической энергии.

При параметрических способах регулирование частоты вращения осуществляется за счет изменения тех или иных параметров ЭД или их электрических цепей. Так, например, у ЭД постоянного тока параметрические способы регулирования сводятся к регулированию изменением сопротивления в цепи якоря и изменением магнитного потока. У асинхронных ЭД переменного тока параметрические способы осуществляются: изменением активного сопротивления в цепи ротора, индуктивного сопротивления в цепи статора, фазного напряжения, переключением числа пар полюсов.

К группе способов, основанных на применении регулируемых источников, относятся способы, требующие использования специальных генераторов или статических преобразователей. Так в электроприводах постоянного тока используются способы, среди которых следует назвать способы регулирования изменением напряжения в цепи якоря с помощью систем «генератордвигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель». В электроприводах переменного тока с асинхронными ЭД используются способы регулирования за счет использования статических преобразователей частоты и каскадных установок, вводящих добавочную ЭДС в цепь ротора. Классификация способов регулирования частоты вращения, используемых в настоящее время в электроприводах различного назначения, приведена на рис. 4.1 и 4.2.