Двигатели постоянного тока независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения Пуск, реверс, регулирование частоты вращения
Схемы возбуждения машин постоянного тока 1. Двигатели постоянного тока независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения
В этих двигателях обмотка возбуждения ОВ подключена параллельно с обмоткой якоря к сети (рис. 9.6, б ). В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rр, а в цепь якоря - пусковой реостат с сопротивлением Rп. В ДПТ параллельного возбуждения ток возбуждения не зависит от тока якоря Iя. Двигатели параллельного возбуждения I в = U/(R в + Rp)
Ток якоря Iя = (U - Eя)/Rя = (U - C E Фвn)/Rя, где U - напряжение, подводимое к электродвигателю, В; Rя - сопротивление цепи якоря, Ом. В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, поэтому противо-ЭДС Ея = 0. П уском называют процесс разгона якоря от неподвижного состояния до установившегося значения частоты вращения якоря, когда вращающий электромагнитный момент М двигателя равен моменту сопротивления механизма на валу - моменту нагрузки Мс, т. е. М = Мс. В процессе пуска вращающий момент должен быть больше момента нагрузки (М > Мс).
Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток в обмотке якоря и, как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение в контактах щётки - коллектор, последовательно с якорем включают пусковой реостат Rп (рис. 9.6, б ), сопротивление кoторого рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток I яп = U/(R я + R п) < (2...2,5) I ян, где Iян - номинальный ток якоря. При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент Мп = (2…4)Мн. Это обеспечивает быстрый разгон механизма на валу. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Ея увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т. е. при n = nн, Rn = 0
Механическая характеристики двигателя параллельного возбуждения Электромеханические свойства ДПТ определяются его механической n(M) характеристикой. n 0 n 0 M D п а в
Механическая характеристика n(M) представляет зависимость частоты вращения якоря n от развиваемого ДПТ момента М = Мс при условии постоянства напряжения U сети и сопротивлений в цепи якоря и в цепи возбуждения. Заменив ток Iя в выражении скоростной характеристики значением из выражения вращающего момента М = С M IяФв, получим уравнение естественной механической характеристики (кривая 1, рис. 9.6, в ) n = (U/C Е Фв) - (Rя/С Е С М Фв)M = n0 - ∆n, где n0 = U/C E Фв - частота вращения якоря при "идеальном" холостом ходе (Мс = 0); сопротивления Rп = 0 и Rр = 0; напряжение на якоре U = Uн и магнитный поток двигателя Фв = Фвн.
Естественная механическая характеристика n(M) ДПТ параллельного возбуждения является жесткой, т. к. снижение частоты вращения ∆n при моменте сопротивления на валу М = Мсн составляет (3…7)% от n0. Если сопротивление пускового реостата Rп > 0 (Rр = 0), получают искусственные, т. н. реостатные механические характеристики 2…4 (рис. 9.6, в ), проходящие через точку n0 - частоту вращения ХХ двигателя. Чем больше сопротивление Rп, тем характеристика круче.
Пуск двигателя параллельного возбуждения Прямой пуск двигателя (Rп = 0) применяют только для двигателей малой мощности (до 1 кВт), у которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться. Пуск двигателя с использованием пускового реостата называют реостатным. Перед пуском для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (Rр = 0) (при этом магнитный поток Фв имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового реостата устанавливают в положение 4 при наличии трёх ступеней реостата, (см. рис. 9.6, б ), при котором сопротивление Rп имеет максимальное значение. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 4 (рис. 9.6, в ) ; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент.
По мере разгона сопротивление пускового реостата Rп ступенчато уменьшают; разгон двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис. 9.6, в ). При полностью выведенном сопротивлении Rп и достижении значения М = Мн частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaнической характеристике 1 (точка А). При пуске двигателей большой мощности использование пускового реостата (из-за его громоздкости и значительных потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что Rп = 0 и Rр = 0) искусственные механические характеристики имеют вид 2 и 3 (рис. 9.6, г ) и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U.
Регулировочный реостат Rр позволяет изменять ток возбуждения Iв двигателя и его магнитный поток Фв. При этом будет изменяться и частота вращения n. При номинальном напряжении на якоре (Rп = 0) и уменьшении магнитного потока (Rр > 0) механические характеристики имеют вид 4 и 5 (рис. 9.6, г ) и проходят тем выше естественной 1 и круче её, чем меньше магнитный поток.
Способы регулирования частоты вращения и реверсирование двигателя параллельного возбуждения Из рассмотрения механических характеристик двигателя следует, что при моменте М = Мс = const частоту вращения якоря n = U/(C E Фв) - ((Rя + Rn)/(C E C M Фв 2 ))M = n0 - ∆n можно регулировать тремя способами: • реостатным - изменением сопротивления цепи якоря (Rя+ Rп = var); • полюсным - изменением магнитного потока полюсов (Rв + Rр = var); • якорным - изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var). Реверсирование двигателей можно обеспечить изменением направления тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения.
Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения На рис. 9.7 изображены рабочие характеристики рассматриваемого двигателя. Они представляют собой зависимости потребляемой мощности P 1, тока Iя, частоты вращения n, мoмента M и КПД η от отдаваемой мощности P 2 на валу двигателя при U = const и Iв = const. Характеристики n = f(P2) и M = f(P2) являются практически линейными, а зависимости P1 = f(P2), Iя = f(P2) и η = f(P2) имеют характер, общий для всех электрических машин. Механические и рабочие характеристики двигателей независимого возбуждения аналогичны характеристикам ДПТ параллельного возбуждения, т. к. у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iя.
Свойства и характеристики двигателей последовательного возбуждения В этих двигателях (рис. 9.8, a ) ток возбуждения Iв = Iя = I, поэтому магнитный поток Фв является функцией тока якоря Iя. Характер этой зависимости изменяется в зависимости от нагрузки двигателя.
При токе якоря Iя < (0,8…0,9)Iян, когда магнитная система машины не насыщена, Фв = kфIя. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Фв растёт медленнее, чем ток Iя, и при больших нагрузках (Iя > Iян) можно считать, что Фв » const. В соответствии с этим изменяются зависимости n = f(Iя) и M = f(Iя). При токе якоря Iя < (0,8…0,9)Iян частота вращения Поэтому частота вращения n будет снижаться с ростом магнитного потока в бoльшей степени по сравнению с частотой вращения ДПТ параллельного возбуждения (см. участок аb кривой 1, рис. 9.8, б ), т. е. ДПТ последовательного возбуждения имеет более мягкую механическую характеристику. Зависимость M = f(Iя) на участке аb (рис. 9,8, в ) параболического типа, что создаёт большой пусковой момент при разгоне механизма.
При небольших нагрузках (М < Мн /4) частота вращения резко возрастает, как говорят - двигатель идёт в "разнос", что опасно с точки зрения механической прочности якоря. В виду этого нельзя допускать работу ДПТ последовательного возбуждения при ХХ и при малых нагрузках. При токе Iя > 0,9Iян частота вращения т. е. по мере насыщения магнитной системы машины жёсткость механической характеристики n = f(М) возрастает, а гиперболическая зависимость M = f(Iя) переходит в наклонную прямую (см. рис. 9.8, б и в ).
При пуске с реостатом Rп, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых значений Iп и Mп, характеристика n = f(М) проходит ниже характеристики 1 (см. кривую 2, рис. 9.8, б ). Несмотря на указанные недостатки, ДПТ последовательного возбуждения широко применяются в различных электрических приводах, особенно там, где имеет место изменение нагрузочного момента Мс в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъёмные и поворотные механизмы, тяговый привод и др.).
Свойства и характеристики двигателей смешанного возбуждения В двигaтелях смешанного возбуждения магнитный поток создаётся в результате совместного действия МДС двух обмоток - параллельной и последовательной (рис. 9.9, а ).
Поэтому механическая характеристика 1 (рис. 9.9, б ) ДПТ смешанного возбуждения располагается между характеристиками ДПТ последовательного (кривая 2 ) и параллельного (кривая 3 ) возбуждения. В зависимости от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток возбуждения характеристики n = f(М) и M = f(Iя) ДПТ смешанного возбуждения при номинальном режиме можно приблизить к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки) или к характеристике 3 (при малой МДС последовательной обмотки). Одним из достоинств ДПТ смешанного возбуждения является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой при небольших нагрузках на валу, может работать при холостом ходе, т. к. его частота вращения n0 при ХХ имеет конечное значение.
Схема замещения двигателя r я r д.п. r пос r в r пар r щ r я.п. r д R Сопротивления двигателя: r я, r щ, r д.п., r пос и r пар сопротивление якоря, щеток, добавочных полюсов, последовательной обмотки возбуждения и параллельной обмотки возбуждения; r я.п.= r я + r щ + r д.п. – полное сопротивление якоря; R ном = U я ном / I я ном – номинальное сопротивление двигателя; r щ = 0,01 R ном, (для всех двигателей) r пос = 0,5 R ном (для двигателя последовательного возбуждения) r пос = 0,2 R ном (для двигателя смешанного возбуждения) r в – токоограничивающий резистор (нужен для ограничения пускового тока) электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален магнитному потоку статора и току якоря
Основные соотношения /двигатель Е – ЭДС якоря; I я – ток якоря; Ф – магнитный поток одного полюса; w – угловая частота вращения якоря; р – число главных полюсов; N – число проводников на якоре; а – число пар параллельных ветвей якоря
22 Эксплуатационные характеристики ДПТ n I я 0 n 0 M I ян D п б а в P 2 P 2н 0 I я М Р 1 h I я / I ян n М / М н 1,0 2,0 0 1,0 0 0,2 Р 1 / Р 1н 1,0 0,5 0,4 0,6 0,8 h n / п н I в I я 0 рабочие характеристики скоростная характеристика регулировочная характеристика
Регулирование скорости напряжением якоря n 0 n 1 M а ) n 1 n 1 U я = U ян U я < U ян U я < U я M 1 искусственные характеристики естественная характеристика n 0 б ) естественная характеристика искусственные характеристики M M 1 n 1 n 1 n 1 n 0 M в ) M 1 n 1 n 1 n 1 естественная характеристика искусственные характеристики
Регулирование скорости изменением потока n 0 n 1 M n 1 n 1 Ф = Ф н M 1 искусственные характеристики естественная характеристика Ф = 0,7 Ф н Ф = 0,5 Ф н
25 Механические характеристики
