Постоянного тока

Сопротивление цепи якоря достаточно мало, а в мощных двигателях им можно пренебречь. Если включить обмотку неподвижного якоря возбужденного двигателя на номинальное напряжение сети , то возникнет ток . Эдс якоря зависит от частоты вращения и в начальный момент пуска не индуцируется. Чтобы избежать аварии, требуется ограничить пусковой ток двигателя. Для этого проводят пуск при пониженном напряжении (используют вентильные преобразователи) или применяют добавочные сопротивления (пусковые реостаты). При этом обычно величину пускового тока ограничивают:

, (6.27)

По мере возрастания скорости якоря растет противоэдс и снижается ток при данном сопротивлении . Добавочные сопротивления при этом уменьшают с целью сокращения времени разгона и снижения потерь. В современных электроприводах постоянного тока ограничение и регулирование величины осуществляется вентильными преобразователями с замкнутыми системами управления [22].

Зависимости (6.25) и (6.26) показывают, что скорость двигателей постоянного тока можно регулировать тремя способами:

- изменением напряжения, подводимого к обмотке якоря ;

- изменением сопротивления цепи якоря ;

- изменением магнитного потока возбуждения Ф.

6.11.1.Двигатели независимого и параллельного возбуждения. Эти двигатели обладают практически равными регулировочными возможностями по скорости (в отношении изменения величин и Ф). Регулирование скорости изменением напряжения применяется только для двигателей независимого возбуждения. При этом у двигателей параллельного возбуждения изменяется поток возбуждения Ф и их скорость меняется незначительно [1].

Регулирование скорости двигателя независимого возбуждения вниз от номинальной осуществляется уменьшением величины . Для этой цели используются полупроводниковые преобразователи. При этом чаще всего и . Из (6.25) и (6.26) следует, что . Изменение скорости от напряжения не зависит. Электромеханические и механические характеристики двигателя качественно не отличаются друг от друга (рис. 6.40). Повышение напряжения для регулирования частоты вращения якоря приводит к насыщению магнитной системы двигателя и росту потерь. Такое регулирование нецелесообразно.

Увеличение сопротивления цепи якоря ведет к снижению скорости двигателя. Данный способ не является экономичным, поскольку возрастают потери в добавочном сопротивлении , однако он применим из-за простой схемной реализации [21]. На рис. 6.41 представлена схема реостатного пуска двигателя независимого возбуждения в три ступени. Здесь Л – линейные контакторы; , , – контакторы ускорений; , , – сопротивления цепи якоря двигателя на соответствующих ступенях; U_ВН – номинальное напряжение обмотки возбуждения ОВД; , , – сопротивления соответствующих ступеней; ОДП и КО – обмотки добавочных полюсов и компенсационная.

Расчет величин пусковых сопротивлений данной схемы проводится аналитическим методом. Реостатный пуск двигателя предполагает равенство пусковых токов и переключающих токов на всех ступенях пуска. Значение находят по (6.27), а .

, (6.28)

где n – число пусковых ступеней; – полное сопротивление цепи якоря.

Сопротивление двигателя , приведенное к рабочей температуре обмоток, находится по формуле

, (6.29)

где – температурный коэффициент; – сопротивление обмотки якоря; – сопротивление обмотки добавочных полюсов; – сопротивление компенсационной обмотки; – сопротивление щеточных контактов.

Температурный коэффициент для меди при рабочей температуре обмоток 75 С⁰ рассчитывается как [1]

, (6.30)

где – температура окружающей среды, при которой измерены сопротивления обмоток.

Реостатный пуск осуществляется при выполнении условия . Если данное условие не выполняется, то число ступеней n увеличивается на единицу и расчет повторяется. Полные сопротивления якорной цепи находятся

(6.31)

Сопротивления пусковых ступеней:

(6.32)

Пример построения электромеханических характеристик реостатного пуска при заданном количестве ступеней показан на рис. 6.42. Механические характеристики имеют аналогичный вид [21].

В некоторых управляемых электроприводах металлургического производства (клети прокатных станов, моталки, летучие ножницы и др.) регулирование скорости двигателей независимого возбуждения осуществляется в двух зонах. В первой зоне изменяется подводимое к цепи якоря напряжение и скорость двигателя меняется в соответствии рис. 6.40. Во второй зоне, как правило, при и , она регулируется изменением потока возбуждения двигателя Ф. Данный способ позволяет регулировать скорость двигателя как вниз, так вверх от ее номинального значения. Согласно (6.25) и (6.26) скорость идеального холостого хода . Изменение скорости на механической характеристике больше, чем на электромеханической (рис. 6.43). Ток характеризует короткое замыкание якорной цепи двигателя при . Он не зависит от величины магнитного потока и определяется только сопротивлением якоря [1].

6.11.2. Двигатели последовательного и смешанного возбуждения. При последовательном соединении обмоток якоря и возбуждения магнитный поток двигателей последовательного возбуждения зависит от нагрузки, т.е. тока якоря . Если пренебречь насыщением магнитной цепи, то можно считать, что . Электромагнитный момент при этом . Следовательно, двигатели последовательного возбуждения развивают гораздо больший пусковой момент, чем двигатели с параллельным возбуждением при тех же токах нагрузки, и имеют меньшие габаритные размеры. Поскольку у двигателя с последовательным возбуждением ~ ~ ~ , то мощность на его валу ~ . Для двигателя с параллельным возбуждением ~ M. Двигатели с последовательным возбуждением характеризуются изменением мощности в меньших пределах, чем двигатели с параллельным возбуждением при одинаковом изменении момента. Они применяются на электротранспорте в качестве тяговых двигателей при тяжелых условиях пуска и изменяющемся в широких пределах моменте нагрузки. Двигатели с последовательным возбуждением следует запускать при нагрузке не менее 25% номинальной. Это связано с тем, что при малых токах якоря скорость холостого хода значительно возрастает, что может привести к «разносу» двигателя [2].

Расчет механических характеристик двигателя последовательного возбуждения проводится по универсальным естественным характеристикам. Они строятся в относительных единицах тока , момента , частоты вращения в режиме естественной механической характеристики . Скорость регулируется теми же способами, что и у двигателей независимого и параллельного возбуждения.

Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения получается при ; ; . До номинального значения тока якоря магнитная цепь машины насыщена незначительно. С увеличением тока растет магнитный поток, скорость двигателя уменьшается. При значениях тока, превышающих номинальные, магнитная цепь насыщается, поток и скорость стабилизируются. Естественная электромеханическая характеристика строится с использованием универсальных характеристик в следующем порядке [21]:

- задаются значениями тока в установленном диапазоне;

- по универсальной характеристике определяются относительные значения частоты вращения n ^*;

- рассчитывают значения тока и скорости в абсолютных единицах;

- строят естественную электроме­ханическую характеристику по вычисленным значениям частоты вращения и тока .

Регулирование скорости двигателя изменением напряжения , подводимого к якорной цепи, осуществляется вниз от номинального значения (рис. 6.44). Характеристики параллельны и располагаются одна под другой в области .

Схема реостатного пуска двигателя последовательного возбуждения в три ступени приведена рис. 6.45. Величины пусковых сопротивлений рассчитываются графо-аналитическим методом лучевой диаграммы (рис. 6.46). После построения естественной характеристики двигателя задаются токами переключения , . При этом . Значение тока, соответствующего нагрузке на валу двигателя , определяется с помощью универсальной характеристики по значе­нию момента нагрузки . Полное сопротивление силовой цепи при неподвижном якоре для пускового тока равно . Предполагается, что при заданном количестве ступеней значения токов , будут неизменными. Для тока аналитическим путем определяем частоту вращения двигателя на искусственной характеристике (точка b) при полностью введенном сопротивлении добавочного резистора

, (6.33)

где – частота вращения двигателя на естественной характеристике при токе ; – сопротивление двигателя по (6.29).

Для токов и обозначаются буквами g, h и a, b точки естественной и искусственной характеристик при введенном полном сопротивлении пускового резистора; через точки g – h и a – b проводятся прямые до пересечения в точке t. Проводя лучи из точки t, строятся пусковые характеристики cd, ef. Полное сопротивление пускового резистора . Сопротивления пусковых ступеней

(6.35)

Если при построении пусковых характеристик значение тока на послед­ней ступени отличается от значений на предыдущих ступенях, то требуется задаться иным значением тока переключения и вновь построить характеристики [21].

Изменением магнитного потока Ф возможно регулирование скорости двигателя вверх и вниз от ее номинального значения. При этом возможно получение скорости идеального холостого хода .При шунтировании только обмотки возбуждения магнитный поток ослабляется (). Характеристика ложится выше естественной, опасность «разноса» возрастает. Если зашунтировать только обмотку якоря, то . Это равноценно усилению магнитного потока машины. Характеристика ложится ниже естественной. Появляется скорость идеального холостого хода , поскольку при поток (рис. 6.47). Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением также описывают гиперболу ( ~ ) [1].

Обмотки возбуждения двигателей смешанного возбуждения включаются согласно, чтобы их магнитодвижущие силы были направлены в одну сторону. Встречное включение обмоток недопустимо, поскольку при нагрузке двигателя последовательная обмотка возбуждения будет размагничивать магнитную систему двигателя, и его работа станет неустойчивой. Двигатели смешанного возбуждения применяются там, где требуется повышенный пусковой момент, высокое ускорение, устойчивость к перегрузкам.

Наличие двух обмоток возбуждения увеличивает, габариты, массу и стоимость двигателей смешанного возбуждения по сравнению с двигателями независимого и последовательного возбуждения.

Характеристика будет мягче (3), чем у двигателя с параллельным возбуждением (1), но более жёсткая, чем у двигателя с последовательным возбуждением (2). Скорость регулируется в основном так же, как и у двигателя с параллельным возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением применяются при условиях, когда требуется большой пусковой момент, значительное изменение скорости вращения при изменении нагрузки в широких пределах [19].