Реостатное регулирование скорости и момента МПТ

При питании двигателя постоянного тока от источника с неизменным (номинальным) напряжением регулирование его скорости или момента возможно при включении последовательно с якорной цепью дополнительного регулируемого резистора R _д (реостата). Такое регулирование получило название реостатного регулирования. На рис. 4.5 изображены схемы с тремя промежуточными ступенями регулировочного резистора (на рисунке обозначены R ₁, R ₂ и R ₃) применительно к двигателям независимого (а) и последовательного (б) возбуждения. Ступенчатое изменение сопротивления дополнительного резистора происходит посредством замыкания и размыкания контактов контакторов К ₁, К ₂ и К ₃, которые через отпайки шунтируют соответствующие части резистора R _д.

Так как скорость идеального холостого хода w₀ двигателя независимого возбуждения, как следует из (2.23), не зависит от сопротивления якорной цепи, то все регулировочные характеристики пересекаются в этой точке (при М = I _я=0). Статическое же падение угловой скорости Dw в соответствии с (2.24), равное

, (4.10)

возрастает с увеличением R _д. Поэтому по мере роста R _д увеличивается наклон механических и электромеханических характеристик двигателя. На рис. 4.6,а для сравнения пунктиром показана естественная механическая характеристика, а сплошными линиями искусственные характеристики при R ₁ < R ₂ < R ₃. На основании соотношения (4.10) может быть построена любая исскуственная реостатная характеристика при известных R _я и R _д, либо для заданной характеристики определяется соответствующее ей сопротивление регулировочного резистора. Поскольку при изменении R _д поток не изменяется, вид электромеханических и механических характеристик при реостатном регулировании совпадает с учетом измененного масштаба по оси абсцисс.

Реостатные электромеханические и механические характеристики электропривода с двигателем последовательного возбуждения, как и естественные характеристики, нелинейны и строятся по точкам. В начале строится реостатная электромеханическая характеристика при известной естественной характеристике, уравнение которой . С учетом уравнения реостатной характеристики находится отношение при одном и том же токе якоря, а следовательно и потока, откуда следует

(4.11)

Построение ведется в следующей последовательности. Фиксируется ряд значений тока I _я и по естественной характеристике определяются соответствующие им значения w_е. Далее при известных параметрах двигателя и сопротивлении R _д на основании соотношения (4.11) определяются значения скорости на исскуственной характеристике w_и для того же значения тока якоря I _я и т.д. Механические характеристики строятся по известной зависимости М (I _я). Примерный их вид при изменении сопротивления R _д показан на рис. 4.6,б.

Оценим возможности реостатного регулирования скорости двигателей постоянного тока по сформулированным выше критериям.

1. Регулирование однозонное, вниз от основной скорости.

2. Диапазон регулирования обычно не превышает D _w≈2,5:1. Он снижается по мере снижения нагрузки, а в режиме холостого хода изменение R _д вообще не приводит к изменению скорости, поскольку все характеристики, как уже отмечалось, пересекаются при скорости w₀.

3. Регулирование ступенчатое, потому что технически оправданным является лишь дискретное изменение значения сопротивления R _д с использованием обычно релейно – контакторной автоматики. Увеличение числа ступеней влечет усложнение схемы, увеличения числа коммутирующих аппаратов, снижение надежности и т.д. Обычно число ступеней не превышает 4-5.

4. Стабильность скорости низкая и снижается по мере расширения диапазона регулирования скорости.

5. При неизменном магнитном потоке, равном номинальному значениюдлительно допустимая нагрузка на любойрегулировочной характеристике равна номинальному моменту.

6. Капитальные затраты невелики и определяются стоимостью силового резистора и коммутирующей аппаратуры, а эксплуатационные издержки значительны, поскольку для расширения диапазона регулирования необходимо увеличивать сопротивление резистора R _д, через который протекает силовой ток и в котором, соответственно, выделяются значительные потери.

Выполнив несложные преобразования в уравнении баланса мощности для якорной цепи двигателя

(4.12)

убеждаемся, что потери пропорциональны относительному перепаду скорости. Так, уже при снижении скорости двигателя в 2 раза по сравнению со скоростью идеального холостого хода оказывается, что половина мощности, потребляемой из сети выделяется в виде потерь в якорной цепи двигателя.

Перечисленные выше показатели реостатного регулирования скорости могут быть распространены и на возможности реостатного регулирования момента при данной скорости двигателей постоянного тока с той лишь разницей, что стабильность регулирования скорости по мере увеличения сопротивления дополнительного резистора падает, а стабильность регулирования момента наоборот, возрастает. Реостатное регулирование момента (тока) длигателей постоянного тока позволяет наиболее простым образом обеспечить ограничение пускового тока для обеспечения безопасного пуска. Рассмотрим эту возможность на примере двигателя с независимым возбуждением.

При подключении якорной цепи двигателя к номинальному напряжению при относительно малом значении R _я, что характерно для двигателей общепромышленного исполнения, ток якоря и момент могут принять недопустимо большие значения. По условиям же безопасной работы коллектора кратковременно максимально допустимое значение тока якоря I _макс обычно не превышает более, чем в 2,5 раза его номинальное значение I _ян. Иногда значение I _макс ограничено максимально допустимым броском момента двигателя из условий технологии или прочности механической передачи. В любом случае для ограничения пускового тока на допустимом уровне может быть использован дополнительный регулируемый резистор, включаемый в цепь якоря. По мере разгона двигателя в соответствии с (2.10) возрастает ЭДС движения, в результате чего ток якоря падает. Поэтому при достижении скоростью некоторого значения дополнительный резистор целиком или ступенчато может быть выведен из силовой цепи двигателя.

В качестве примера рассмотрим особенности трехступенчатого пуска двигателя независимого возбуждения, приняв за основу схему его силовой цепи, показанную на рис. 4.5,а. Для определения значений сопротивлений ступений пускового реостата строится так называемая пусковая диаграмма двигателя (см. рис. 4.7). При ее построении примем, что двигатель нагружен номинальным моментом нагрузки (соответственно, номинальным током якоря), а максимальное значение тока якоря I _макс равно 2,5 I _ян. Тогда первоначальное положение пусковой характеристики 1 при R _д= R ₁+ R ₂+ R ₃ (при разомкнутых контактах К ₁, К ₂, К ₃) определяется координатами точек w₀ и 2,5 I _ян. При этом важно заметить, что если на всем этапе пуска сопротивление резистора R _д оставить без изменения, то двигатель достигнет не номинальной w_н, а меньшей скорости w_1с, соответствующей точке установившегося режима при I _я = I _ян на этой характеристике. Поэтому ранее, чем двигатель достигнет скорости w_1с (при скорости w₁ и токе I _мин) часть резистора R _д закорачивается при замыкании контакта К 3.

Обычно для обеспечения надежного пуска минимальное значение тока якоря I _мин при переключении не должно быть меньше 1,1 от установившегося значения тока якоря (в нашем случае I _ян). После первого переключения сопротивление дополнительного резистора в цепи якоря уменьшается на R ₃ и двигатель переходит на характеристику 2, наклон которой выбирается таким, чтобы максимальное значение тока I _макс на ней было таким же, как на характеристике 1. Далее при разгоне двигателя до скорости w₂ и снижении тока якоря вновь до I _мин замыкается контакт К ₂ и сопротивление R _д еще уменьшается на R ₂ (остается только R ₁). Двигатель переходит на пусковую характеристику 3 при токе якоря I _макс и далее процесс повторяется – при увеличении скорости до w₃ и токе I _мин замыкается контакт К ₁, дополнительное сопротивление выводится полностью и двигатель переходит на естественную характеристику при токе I _макс, по которой разгоняется до номинальной скорости. Обычно при первом построении диаграммы бросок тока при последнем переключении оказывается больше или меньше выбранного значения I _макс. Тогда диаграмму корректируют, изменяя в сторону увеличения I _мин или I _макс в сторону уменьшения.

Расчетные соотношения для определения сопротивлений ступеней пускового реостата можно получить, воспользуясь уравнением электромеханической характеристики (2.21), которое при подстановке номинальных значений тока якоря I _ян, напряжения U _н и потока Ф_н преобразуется к виду

, (4.13)

где - номинальное сопротивление. Из (4.12) получаем

, (4.14)

Как видно из (4.14), относительный перепад скорости ДПТ пропорционален относительному значению полного активного сопротивления якорной цепи двигателя. Уравнение (4.14) решается графически с использованием построенной ранее пусковой диаграммы, обозначив на ней характерные точки а, б, в, г, д. Тогда получаем

(4.15)

(4.16)

(4.17)