Вопорс 39 4 страница

Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

(обычно для генератора независимого возбуждения Δ U_ном =5-10%, а для генератора параллельного возбуждения Δ U_ном =10-30%).

Регулировочная характеристика показывает, каким следует поддерживать ток возбуждения I_в при различных нагрузках генератора, чтобы его напряжение было постоянным, т.е.

I_B=f(I_H) при U=const и n=const

Регулировочные характеристики (рис.8.11.) обратны кривым внешних характеристик генераторов постоянного тока.

С увеличением I ток I_В необходимо несколько увеличивать, чтобы компенсировать влияние падения напряжения I_ЯR_Я и реакции якоря.

Рис. 8.11. Регулировочные характеристики, генераторов постоянного тока: I - независимого возбуждения; 2 - параллельного; 3 - смешанного

Режим двигателя. Благодаря обратимости электрических машин генераторный режим машины может быть изменен на двигательный. Особенно просто такое изменение режима осуществляется в генераторе с параллельным возбуждением, работающем на сеть постоянного тока. Для этого достаточно уменьшить ток возбуждения настолько, чтобы ЭДС якоря стала меньше напряжения сети. Преобладание напряжения сети вызовет изменение направления тока в обмотке якоря I_Я, который в таких условиях будет создаваться разностью напряжения сети и ЭДС якоря, т.е.

I_Я=(Е–Е_Я)/R_Я

Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать не тормозной, а вращающий электромагнитный момент.

Вопрос 58, Свойства двигателей, как и генераторов, определяются способом возбуждения.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока по аналогии с генераторами подразделяют на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В зависимости от схемы включения обмоток возбуждения двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 8.13).

Двигатели параллельного возбуждения (рис. 8.14 а). Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (8.21) и (8.23) при U=const и I_B=const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

Ввиду того, что изменение Ф относительно мало, механические характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (8.23) при U=const и I_B=const совпадают по виду с характеристиками n=f(I_Я). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны [рис. 8.13 прямая 1(║)].

Изменение частоты вращения при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2-8% от n_Н. Такие слабо падающие характеристики называются жёсткими.

Пренебрегая влиянием реакции якоря, можно считать, что в двигателе с параллельным возбуждением при U=const и I_B=const магнитный поток Ф_δ постоянен, а зависимость M=C·Ф_δ· I_Я = f(I_Я) изображается прямой линией 1(рис. 8.13).

Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы частота вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

Двигатели последовательного возбуждения. В двигателе последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения:

Поэтому поток Ф_δ изменяется в широких пределах и можно написать, что (8.24)

При использовании соотношения (8.24) для двигателя последовательного возбуждения вместо выражений (8.21), (8.23) и (8.22) получим:

(8.25), (8.26)

(8.27)

Скоростная характеристика двигателя [см. выражение (8.25)], представленная на рис. 8.13 [кривая 2(посл)] является мягкой и имеет гиперболический характер.

Из графика [рис. 8.13 кривая 2(посл)] видно, что при малой (25%) нагрузке частота вращения резко возрастает и становится опасной для механической прочности двигателя. Двигатель «идет в разнос», поэтому двигатели с последовательным возбуждением нельзя пускать в ход вхолостую или при нагрузке менее 25%.

Поскольку у двигателей с параллельным возбуждением M~I, а у двигателей с последовательным возбуждением M~I², то последние развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения (кривая 2, рис. 8.13). Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n≈const, а у двигателей последовательного возбуждения согласно (8.25) и (8.26)

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения ,а у двигателей последовательного возбуждения

Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.

Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенное преимущество в случае тяжёлых условий пуска и изменения нагрузки в широких пределах.

Они широко применяются для электрической тяги (трамвай, метро, троллейбус, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъёмно-транспортных установках.

Двигатели смешанного возбуждения (рис. 8.14 в). При встречном включении последовательной обмотки возбуждения двигателя смешанного возбуждения поток Ф с увеличением нагрузки будет уменьшаться. Вследствие этого характеристики n=f(I) и n = f(M) будут иметь вид 3' на рис. 8.13. Так как работа при этом обычно неустойчива, то двигатели с встречным включением последовательной обмотки возбуждения не применяются.

При согласном включении последовательной обмотки возбуждения поток Ф с увеличением нагрузки возрастает. Поэтому такой двигатель имеет более мягкую механическую характеристику по сравнению с двигателем последовательного возбуждения – рис. 8.13, кривая 3 (СМ).

Двигатели смешанного возбуждения применяются в условиях, когда требуется большой пусковой момент, быстрое ускорение при пуске и допустимы значительные изменения скорости вращения при изменении нагрузки.

В связи с этим двигатели смешанного возбуждения применяются для привода на постоянном токе компрессоров, строгальных станков, печатных машин, прокатных станов, подъемников и т.д. В последнее время двигатели смешанного возбуждения используются также для электрической тяги, так как при этом легче чем в случае применения двигателей последовательного возбуждения, осуществляется торможение подвижных составов с возвращением энергии в контактную сеть постоянного тока путем перевода машины в генераторный режим работы.

Зависимость n = f₁(I_Я) [см. формулу (8.21)] называется скоростной характеристикой:

,где n₀=U/C_EФ₀ - частота вращения при идеальном холостом ходе.

В двигателе с параллельным возбуждением (рис. 8.13 а) можно считать, что

I_В=constUФ₀= const.

Поэтому зависимость n = f₁(I_Я) линейная [рис. 8.12].

В двигателе с последовательным возбуждением (рис. 8.14 б), если пренебречь насыщением магнитной цепи, магнитный поток будет пропорционален току якоря I_Я,т.е.

Ф₀=C ^/∙I_Я

откуда n=(U-I_ЯR_Я)/C^//∙I_Я представляет собой гиперболическую (мягкую) характеристику (C^/ и C^// - постоянные коэффициенты).

Из графика (рис.8.14, кривая 2) видно, что при малой нагрузке (менее 25%) частота вращения резко возрастает и становится опасной для механической прочности двигателя. Двигатель «идет в разнос», поэтому двигатели с последовательным возбуждением

нельзя пускать вхолостую или при загрузке менее 25%.

Моментная характеристика М= f(I_Я) определяется выражением:

n=U/C₁Ф₀-М(R_Я+R_Р)/С_МС_ЕФ₀²=n₀–М(R_Я+R_Р)/С_МС_ЕФ₀²

Пренебрегая влиянием реакции якоря, можно считать, что в двигателе с параллельным возбуждением (рис. 8.13 а) при U=const и I_В = const магнитный поток постоянный, а зависимость М=СФ₀I_Я=f₂(I_Я) изображается прямой линией (рис. 8.14 кривая 1). В двигателе с последовательным возбуждением Ф₀=f(I_Я), следовательно М=φ(I_Я²), т.е. моментная характеристика имеет параболический характер (рис. 8.14 кривая 2). Для двигателя со смешанным возбуждением моментная характеристика будет иметь промежуточный вид.

Кривая КПД η= f₃(I_Я) имеет обычный вид для всех зависимостей (рис.8.13 кривая 4).

Механической характеристикой двигателя называется зависимость ω=f(М) или n=f^/(М). Уравнение механической характеристики можно получить из выражения (8.23)

Механические характеристики подобны скоростным характеристикам, так как электромагнитный момент пропорционален току якоря.

Анализ рабочих и механических характеристик позволяет определить области применения двигателей постоянного тока.

Двигатели с параллельным возбуждением обеспечивают устойчивость частоты вращения при различных нагрузках (механическая характеристика жесткая) и дают возможность плавного регулирования частоты вращения. Они используются для электроприводов прокатных станов, компрессоров.

Двигатели с последовательным возбуждением широко применяются в качестве тяговых двигателей (на транспортных средствах, подъемных кранах, лифтах). Для устранения опасности «разноса» такие двигатели часто снабжают добавочной параллельной обмоткой, т.е. двигатели с последовательным возбуж-дением превращают в двигатели со смешанным возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток возбуждения, их характеристики могут приближаться к характеристикам двигателей параллельного или последовательного возбуждения.

Вопрос 59 Пуск двигателей постоянного тока

При пуске в ход необходимо:

обеспечить надлежащий пусковой момент и условия для достижения необходимой скорости вращения;

предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

Возможны три способа пуска двигателя в ход:

прямой пуск, когда цепь якоря подключается непосредственно к сети на её полное напряжение;

пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря;

пуск при номинальном напряжении цепи якоря.

Самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений ПР (рис.8.14)

При работе двигателя ток в цепи якоря (8.18)

(8.28)

Напряжение U и сопротивление обмотки якоря R_Я –величины постоянные.

В начальный момент пуска (n=0, Е=0) пусковой ток якоря

I_П=U/(R_Я+R_В), (8.28)

где R_В – сопротивление пускового реостата, или пусковых сопротивлений.

Для снижения мощности потерь в якоре, его обмотку изготавливают из медных проводов с малым сопротивлением (порядка десятых - сотых долей Ома). Поэтому пусковой ток в 10 – 50 раз превышает номинальный. Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя:

- во-первых, он может вызвать в машине «круговой огонь», что весьма опасно для коллектора и щеток;

- во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить;

- в-третьих, большой пусковой ток вызывает также разное падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включённых в эту сеть.

Напряжение сети может снизится, что отрицательно действует на других потребителей. Ввиду этого прямой пуск возможен для двигателей малой мощности (до 1 кВт), разгон которых происходит быстро, а их обмотки не успевают нагреться.

Реостатный пуск двигателя – получил наибольшее распространение, когда в цепь якоря вводится добавочное сопротивление – пусковой реостат ПР, включенный последовательно в цепь якоря (рис.8.14 а, в). Значение сопротивления пускового реостата выбирается из условия ограничения пускового тока до значения: I_П≤(2÷2,5)I_{Н .} Тогда I_П=U/(R_Я+R_П)≤(2÷2,5)I_Н, а сопротивление пускового реостата

R_П≥0,4(U/I_Н)-R_Я.

Для обеспечения необходимого пускового момента при ограниченном пусковом токе важно, чтобы магнитный поток был максимальным. Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорционален потоку [см. (8.9)] (8.30)

То для облегчения пуска двигателя параллельного и смешанного возбуждения (рис. 8.13 а, в) сопротивление реостата в цепи возбуждения R_В следует полностью вывести (R_В =0) – положение 1. Поток возбуждения в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при меньшем токе якоря. По мере разгона ЭДС возрастает, ограничивая величину тока, а вращающий момент уменьшается. Исходя из этого, реостаты R_П и R_В следует постепенно выводить в рабочее положение 2.

Применять пусковые реостаты для двигателей большой мощности нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Поэтому в двигателях большой мощности применяют реостатный пуск путём понижения напряжения. Примером тому является пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске (рис. 8.14 б) на параллельное (рис. 8.14 а) при нормальной работе или пуск двигателя по схеме «генератор-двигатель».

Для изменения направления вращения (реверсирования) двигателя необходимо изменить направление тока в якоре (вместе с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой) или в обмотке (обмотках) возбуждения.

Регулирование частоты вращения. При работе двигателя часто возникает необходимость регулирования частоты вращения n.

Способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений (8.21) и (8.23). Возможны три способа изменения частоты путём регулирования: сопротивления в цепи якоря (реостатное), потока Ф₀ (полюсное) и напряжении U.

Реостатное регулирование позволяет изменять частоту вращения только в сторону ее уменьшения от номинального значения. Этот способ связан со значительными потерями в сопротивлении R_Р и понижением КПД.

Дополнительное сопротивление R_Р включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату ПР. При включении сопротивления R_Р в цепь якоря выражение частоты вращения (E_Я=C_eФn):

после подстановки (U=E_Я+I_ЯR_Я) получим (об/мин):

(8.31)где n₀=U/(C_eФ) – частота вращения в режиме холостого хода; ∆n=I_Я(R_Я+R_Р)/(С_еФ) - изменение частоты вращения, вызванное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением R_Р возрастает ∆n, что ведет к уменьшению частоты вращения. Зависимость n=f(R_Р) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя параллельного возбуждения (рис. 8.15 а) и двигателя последовательно-го возбуждения (рис. 8.15 б): с повышением R_Р увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (М=М_НОМ) уменьшается. Этот способ, как уже отмечалось выше, обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне только в сторону уменьшения частоты от номинальной.

Естественные (R_Р=0) и искусственные (R_Р>0) механические зависимости двигателей приведены на рис. 8.15.

В качестве добавочного сопротивления R_Р может быть использован пусковой реостат ПР, рассчитанный на продолжительный режим работы. По реостату R_Р проходит полный ток якоря, что связано с большими потерями (∆Р_Э=I²R_Р), поэтому реостатный способ неэкономичен и рекомендуется только для двигателей малой мощности.

Полюсное регулирование осуществляется изменением тока возбуждения I_П при введении в цепь возбуждения регулировочного реостата R_В (рис. 8.12.). Данный способ регулирования частоты вращения реализуется путём изменения потока Ф, т. е. тока возбуждения I_В.

Рассматриваемый способ позволяет регулировать скорость вверх относительно номинальной. При таком регулировании КПД двигателя остаётся высоким, так как мощность возбуждения мала.

Верхний предел регулирования частоты вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями её коммутации.

Для получения аналитического выражения, описывающего возможности полюсного регулирования [или механической характеристики n=f(M) ] преобразуем выражение (8.21):

(8.32) подставив в него из (8.22) или (8.9) значение тока якоря

(8.32 а) получим: (8.33)

где n₀ – частота вращения в режима холостого хода; ∆n – изменение частоты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя и сопротивления R_Р.

Из уравнения (8.33) следует, что частота вращения обратно пропорциональна потоку возбуждения. С увеличением Ф₀ (U=const) частота вращения n₀ при холостом ходе уменьшается. Магнитный же поток на ненасыщенном участке пропорционален току возбуждения (рис. 8.16.).

Рис. 8.16 Зависимость потока и частоты вращения холостого хода от тока возбуждения.

Следовательно, при увеличении сопротивления R_В ток возбуждения I_В и магнитный поток уменьшаются, а частота вращения увеличивается (рис. 8.17.)

При полюсном регулировании, анализируя механические характеристики (рис. 8.17), находим, что в двигателе с параллельным возбуждением при значительном уменьшении тока возбуждения или обрыве цепи возбуждения (R_В=0…∞) резко возрастает частота вращения – двигатель «идет вразнос».

В двигателе с последовательным возбуждением недопустимое возрастание скорости происходит при малых нагрузках. Включение регулировочного реостата R_ш в двигателе с последовательным возбуждением показано на рис. 8.18..

Включение реостата R_ш, шунтирующего обмотку возбуждения ОВ, а также уменьшение сопротивления ведет к снижению тока возбуждения I_В=I_Я-I_Ш, а, следовательно [см. формулу (8.32)], к росту частоты вращения n (так как ∆n↓). Регулирование частоты вращения изменением напряжения требует отдельного источника питания. Оно осуществляется в системе «генератор – двигатель». Механические характеристики при изменении подводимого напряжения аналогичны характеристикам, показанным на рис. 8.17 б.

В двигателях со смешанным возбуждением регулирование частоты вращения осуществляется теми же способами, что и в двигателях параллельного возбуждения.

Вопрос 60. Для изменения направления вращения двигателя, или его реверсирования, нужно изменить знак вращающего момента М=С_МФ₀I_Я. Как следует из уравнения, для этого необходимо изменить направление тока якоря I_Я или направление магнитного потока Ф₀.

Поэтому для реверсирования следует переключить (поменять местами) провода, присоединенные к зажимам якоря, при сохранении направления тока в обмотке возбуждения, либо изменить полярность полюсов при сохранении направления тока в якоре.

Известны три вида торможения: противовключением, динамическое и рекуперативное.

Торможение противовключением применяется в случаях экстренной остановки двигателя с последующим изменением направления его вращения. С этой целью изменяют направление тока в обмотке якоря или в обмотке возбуждения.

Динамическое торможение производится отключением якоря от сети и замыканием его на разрядное сопротивление, причем ток возбуждения остается без изменения.

Рекуперативное торможение (с возвратом энергии в сеть) можно получить при скорости двигателя ω, большей скорости его идеального холостого хода ω₀. Условие ω>ω₀ может быть получено за счет ускорения вращения якоря внешним моментом со стороны рабочей машины (например, в подъемно – транспортных механизмах при движении под уклон или опускании груза). В этом случае ЭДС становится больше напряжения. Ток двигателя меняет направление

I_Я=(U-E)/R_Я,

и момент превращается в тормозной. Такой вид торможения не может привести к полной остановке двигателя, а лишь ограничивает частоту вращения до значения ω₀.

Дата добавления: 2015-05-06