Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Классификация двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируются в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с якорем:

1. Двигатель параллельного возбуждения (если напряжение обмотки возбуждения иное, то такой двигатель называется двигателем независимого возбуждения).

2. Двигатель последовательного возбуждения.

3. Двигатель смешанного возбуждения.

1. Двигатели параллельного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя параллельного возбуждения представлена на рис. 43. Для пуска используется пусковой реостат (п. р.). Свойства двигателя определяются его характеристиками.

1.Скоростная характеристика, зависимость , ,

Скоростная характеристика при называется естественной, рис. 44. Если , то характеристика называется реостатной. Так как сопротивление якоря , как правило мало, то с увеличением тока якоря падение напряжения в якорной цепи мало и скорость уменьшается незначительно. Поэтому, естественная характеристика двигателя получается жесткой.

2.Моментная характеристика, зависимость , . На рис. 44. Представлена моментная характеристика, где

3.Механическая характеристика, зависимость скорости от момента, .

, определим ток якоря через момент, , откуда , это выражение подставим в исходное уравнение, получим механическую характеристику: , .

Механические характеристики при разных сопротивлениях представлены на рис. 45, где , т. е. механическая характеристика при также жесткая. Это определяет область использования этих двигателей (трансмиссии, вентиляторы, системы ГД для привода станков).

Условия устойчивой работы агрегата

Основное уравнение движения электропривода

.

Установившийся процесс, когда , , ,

Если , , .

Если , , .

условием устойчивой работы агрегата является: , точка будет соответствовать устойчивой работе агрегата.

4. Рабочие характеристики, это зависимость .

рис. 45

Рабочие характеристики двигателя – это зависимость потребляемой мощности , тока , кпд, скорости и момента от мощности на валу.

2. Двигатели последовательного возбуждения

а

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, рис. 45а. Ток якоря равен току возбуждения. Поэтому обмотка возбуждения имеет большое сечение и малое число витков. Последовательное соединение обмотки возбуждения является отличительной особенностью этого двигателя и влияет на вид характеристик. С увеличением тока якоря, увеличивается поток, скорость двигателя резко падает, т. е. получается мягкая скоростная характеристика, рис. 46.

1.Скоростная характеристика , . В общем виде, за счет насыщения, не имеет решение, аналитическое выражение скоростной характеристики можно получить только для ненасыщенной машины, когда , рис. 46.

Момент , при , , т. е. если ток нагрузки возрастает в 2 раза, то момент в 4 раза. Это условие и определяет область применения этих двигателей, т. е. используются там, где при пуске нужен большой пусковой момент (тяговый привод). Скоростная характеристика при , запишется: .

2. Моментная характеристика, , , при,, рис. 46.

3. Механическая характеристика, . Аналитическое выражение характеристики может быть записано при условии .

, , , если подставить ток в исходное уравнение, получим: , , где .

Общий вид механических характеристик представлен на рис. 47.

Двигатель последовательного возбуждения пойдет на разнос при работе его в холостую. Это может привести к механическим поломкам двигателя. Поэтому, минимальный ток двигателя должен быть не менее .

3. Двигатель смешанного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя представлена на рис. 48. В зависимости от того, какая из обмоток преобладает по потоку, двигатели подразделяются на две разновидности:

1)Двигатель параллельного возбуждения с добавочной, последовательной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к двигателю параллельного возбуждения, рис. 49. Характеристика (1), естественная. Характеристика (2) соответствует встречному включению потоков , при согласном включении, получаем характеристику (3).

2)Двигатель последовательного возбуждения с добавочной параллельной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к характеристикам двигателя последовательного возбуждения. Характеристика 4 - характеристика двигателя последовательного возбуждения, характеристика 5 - характеристика двигателя смешанного возбуждения, при этом, обмотки включаются только согласно. Такая характеристика имеет скорость идеального холостого хода и двигатель не пойдет в разнос при холостом ходе. У такого двигателя частота вращения и момент зависят от двух потоков.

, .

При согласном включении обмоток, при том же токе якоря, можно получить повышенный момент. Такой двигатель используется для тяговых установок и там, где имеются резкие изменения нагрузки.

С точки зрения, регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока являются универсальными. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря, потоком и подводимым напряжением. Это видно из формулы: .

1.Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря.

Уравнения токов до и после введения сопротивления

, , откуда , т. е. ток и момент уменьшается ().

При этом и скорость уменьшается. С уменьшением скорости ток якоря возрастает, и он достигнет исходного тока якоря, но при меньшей скорости .

Переходный процесс показан на рис. 50.

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря осуществляется в сторону уменьшения скорости, рис. 51.

Но так как ток якоря протекает по R_р, то увеличиваются общие потери, и снижается кпд. При постоянном токе, за счет увеличения падения напряжения , скорость двигателя уменьшается.

2.Регулирование частоты вращения за счет изменения потока

Ток якоря до и после изменения потока , , их отношение . Уравнение моментов . Уменьшим поток на , т. е. , . Напряжение примем за единицу, тогда .

Ток якоря возрос в 3,3 раза, тогда , то и (возрастает). Переходный процесс представлен на рис. 52.

Ток . С увеличением скорости вращения, ток якоря будет уменьшаться, но он будет больше исходного т. к. уменьшен поток.

При уменьшении потока частота вращения возрастает, рис 53.

Рис. 53.

Как правило, регулирование частоты вращения изменением потока производят в сторону увеличения. В сторону уменьшения регулирование мало эффективно из-за насыщения магнитной цепи.

3.Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения производится следующими способами:

А) Система генератор-двигатель (Г-Д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д).

В) Широтно-импульсное регулирование.

А) Система Г-Д, рис.54.

Рис. 54.

Увеличивая ток возбуждения генератора i_вг, возрастает поток Ф_г и Е_г, а следовательно увеличивается напряжение на якоре двигателя и скорость возрастает. Регулирование происходит плавно при малых потерях энергии.

Эта система используется при большой мощности двигателя (подъёмники, прокатные станы, экскаваторы и т.д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель.

В системе Г-Д используется большое число машин, что увеличивает стоимость установки и снижает надежность.

Поэтому в последнее время для регулируемого напряжения все чаще используются статические преобразователи, рис.55.

Рис. 55.

Увеличивая угол управления - площадь полупериода уменьшается, уменьшается среднее значение напряжения - U_ср, а следовательно уменьшается скорость вращения.

В) Широтно-импульсное регулирование.

Идея регулирования напряжения подводимого к двигателю заключается в том, что, изменяя длительность подключения двигателя ключом (К) к сети, изменяется среднее значение напряжения, рис. 56. В качестве ключа используются схемы на базе тиристоров или транзисторов.

Рис. 56.

Изменяя время импульса t_и изменяется скважность ,

где t₄ - время импульса;

t_п - время паузы.

Среднее значение U_ср=U₀e.

.

Как видим, изменяя среднее значение напряжения, можно регулировать частоту вращения двигателя. Эта система широко используется вместо контактакторно-резисторных систем.

3.7. Коммутация двигателя

При вращении якоря щетка попеременно замыкает секции якоря и в этой секции происходит изменение направления тока. А сама секция передается в другую параллельную ветвь, рис.57. Ток в секции меняется только под щеткой. Дадим определение коммутации:

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую.

Рис. 57.

ia

ia

При коммутации под щетками происходит очень сложный процесс, этот процесс протекает быстро (10^-2 ¸10^-5 сек.) и на него влияет много факторов. Мы будем исходить из классической теории коммутации. Разберем коммутацию в узком смысле, возьмем одну секцию и ширину щетки равную ширине коллекторной пластины.

Рис. 58

На рис. 58 еще раз показан процесс коммутации. При положении щетки на пластине (1) ток в секции протекает по часовой стрелке, и секция относится к правой параллельной ветви. Затем при вращении якоря секция щеткой будет закорочена. В конце коммутации щетка будет расположена на пластине (2). Ток в секции сменит направление, и она перейдет в левую параллельную ветвь (показано пунктиром).

Процесс коммутации длится всего тысячные доли секунды. Такое быстрое изменение направления тока вызывает многие неприятности, в частности, искрение на коллекторе.

Искрение гостируется в специальной таблице:

Степень искрения: 1 - отсутствие искрения.

1- слабое точечное искрение под небольшой частью щетки.

1- слабое точечное искрение под большей частью щетки.

2 – искрение под всем краем щетки.

3 – значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных искр.

При нормальной коммутации степень искрения не должна превышать 1.

Искрение определяется не только неудовлетворительной коммутацией, а также определяется механическими причинами, потенциальными неравномерностями. Механическое искрение определяется некачественной щеткой, при плохой обработке и

т. д.

При изучении коммутации будем исходить из двух положений:

1. Будем считать, что контактная поверхность щетки проводит ток равномерно.

2. Удельное сопротивление контакта (переходное сопротивление единицы площади), будем принимать постоянным и не зависимым от плотности тока.