2015-01-22
5078
Как известно, для сокращения времени торможения при остановке производственных машин и механизмов часто применяются механические тормоза. Сокращение времени торможения, особенно в случае непродолжительного цикла работы, приводит к существенному повышению производительности машин и механизмов. Недостатками механических тормозов являются быстрый износ трущихся поверхностей, сложность и необходимость периодического регулирования тормозящего усилия, необходимость дополнительного места для размещения тормоза и его соединения с механизмом.
Рис.9.33 - К пояснению режима противовключения
Все перечисленные недостатки устраняются, если для указанных целей вместо механического тормоза использовать свойства электродвигателей работать в тормозных режимах, т. е. работать по существу в качестве генератора и развивать не вращающий, а тормозной момент.
Во многих подъемно-транспортных машинах (кранах, лифтах, эскалаторах и т. д.), где возможно движение под действием сил тяжести, с помощью тормозного момента электродвигателя обеспечивается постоянная, установившаяся скорость опускания грузов.
Электродвигатели постоянного тока могут работать в трех тормозных режимах:
в режиме противовключения;
в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть;
в режиме динамического торможения.
В любом из тормозных режимов электродвигатель работает как генератор, преобразует, например, кинетическую энергию движущихся частей либо потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию.
Режим противовключения. Режим противовключения представляет собой режим, в котором якорь двигателя под действием внешнего момента либо запаса кинетической энергии вращается в направлении, противоположном тому, в котором он должен был бы вращаться при данной схеме его включения в двигательном режиме (или вхолостую).
Режим противовключения удобно пояснить на примере грузоподъемного механизма, где этот режим может быть использован для опускания с постоянной скоростью грузов. Предположим, что с помощью двигателя параллельного, последовательного или смешанного возбуждения, включенного по схеме рис. 9.22 и работающего в двигательном режиме с моментом М = М с и частотой вращения n, поднимается груз (рис. 9.33). Момент М обусловлен силой тяжести груза, трение в передаче не учитывается.
Если при работе двигателя с частотой вращения n в цепь якоря включить реостат r с достаточно большим сопротивлением (см. рис. 9.22), то двигатель перейдет на искусственную характеристику и в первое мгновение будет развивать момент M 1. Поскольку М 1 < М c, частота вращения начнет уменьшаться, что будет сопровождаться увеличением момента двигателя. Как видно, при n = 0 М 2 < М с. Поэтому после остановки двигатель под действием момента М с, вызванного силой тяжести груза, начнет вращаться в противоположную сторону (n < 0), а груз будет опускаться.
Так как Е = kе Ф n, то изменение направления вращения приводит к изменению направления ЭДС якоря и следует считать Е < 0. Как видно из формулы (9.19),
| I я = | U - E | = | U + |E| | >0; |
| r я + r | r я + r |
при Е < 0 ток не изменяет своего направления (I я > 0), вследствие чего не изменяет направления и момент двигателя (М > 0), поскольку М = kM Ф I я.
Так как при n < 0 момент направлен против частоты вращения и якорь вращается в направлении, противоположном двигательному режиму, электродвигатель работает в тормозном режиме противовключения.
С увеличением | n| в режиме противовключения возрастает | Е|, что приводит к увеличению тока и момента двигателя. Механические (см. рис. 9.33) и электромеханические характеристики двигателя в режиме противовключения подчиняются уравнениям (9.23) и (9.24), являются продолжением характеристик двигательного режима и располагаются в IV квадранте. Установившийся режим наступает при частоте вращения n 1, при которой М = М c.
Изменяя значение сопротивления реостата r, можно получить различные скорости опускания груза. Однако, как видно, характеристики при работе в режиме противовключения получаются слишком «мягкими», вследствие чего частота вращения в сильной степени зависит от нагрузки.
Так как в режиме противовключения ток и ЭДС якоря совпадают по направлению (I я > 0, а Е < 0, рис. 9.22), то двигатель работает по существу в качестве генератора и преобразует потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию, которая равна | ЕI я = t|. Последняя в свою очередь преобразуется в теплоту в сопротивлениях r я и r цепи якоря. В этих же сопротивлениях расходуется энергия UI я t, потребляемая цепью якоря из сети.
К использованию режима противовключения для уменьшения времени торможения двигателя
Пример 9.5. Определить сопротивление резистора, который необходимо включить в цепь якоря двигателя примера 9.3, чтобы в режиме противовключения при моменте 80 Н•м получить частоту вращения 200 об/мин.
Решение. Моменту М = 80 Н•м по графику М (I) соответствует ток I = 41 А, а последнему по характеристике ne (I) — частота вращения nе = 860 об/мин (см. рис. 9.28).
Используя формулу (9.24) и учитывая, что при работе в режиме противовключения следует считать n и < 0, т. е. — 200 об/мин, получим r = 5,4 Ом.
Режим противовключения используется часто для уменьшения времени торможения при остановке двигателя и соединенного с ним механизма.
Допустим, что якорь двигателя смешанного (рис. 9.34), параллельного или последовательного возбуждения включен через контакты В, работает в двигательном режиме с частотой вращения n> 0, моментом М > 0, током якоря I я > 0 и ЭДС якоря Е > 0.
Если во время работы двигателя разомкнуть контакты В и замкнуть контакты H, то согласно второму закону Кирхгофа
| I я = - | U + E | <0. |
| r я + r |
Так как ток якоря изменяет направление (I я < 0), то соответственно изменит направление и момент двигателя (М < 0). Последнее должно привести в конечном итоге к изменению вращения якоря двигателя.
Однако в течение некоторого времени под действием запаса кинетической энергии он будет вращаться в прежнем направлении, что и соответствует режиму противовключения двигателя. Под действием тормозного момента двигатель и механизм сравнительно быстро остановятся. При n = 0 двигатель должен быть отключен, иначе он разгонится в противоположную сторону.
Рис. 9.35. К пояснению тормозного генераторного режима с отдачей энергии в сеть
Генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Генераторным режимом с отдачей энергии в сеть называется режим, в котором двигатель под действием внешнего момента либо запаса кинетической энергии вращается с частотой, большей частоты вращения холостого хода (n > n 0), в том же направлении, в котором он должен был бы вращаться при данной схеме его включения в двигательном режиме (или вхолостую).
Предположим, что двигатель параллельного возбуждения, включенный контактами В по схеме, изображенной на рис. 9.34, работает на естественной характеристике и перемещает грузовую тележку (рис. 9.35, а и б). Когда тележка находится на горизонтальном участке пути ab, статический момент М с1 вызван силой сопротивления движению, обусловленной трением и зависящей от силы тяжести F тележки и груза. Электродвигатель работает при этом в двигательном режиме с n 1 < n 0, 0 < E 1 < U, I я1 > 0, М 1 = М с1 > 0.
Когда тележка окажется на криволинейном участке пути bc, статический момент будет обусловлен как силой сопротивления движению, вызванной трением и зависящей от составляющей F 1 силы тяжести F тележки и груза, так и движущей силой F 2, равной другой ее составляющей (рис. 9.35, а). По мере продвижения тележки по участку bc сила сопротивления движению будет уменьшаться, а движущая сила возрастать. Естественно, что это приведет к уменьшению статического момента и увеличению частоты вращения двигателя.
При достаточно большой массе тележки и груза в некотором положении тележки на участке bc движущая сила окажется больше силы сопротивления движению, вследствие чего статический момент изменит направление (М с < 0) и превратится в движущий. Так как действительные направления моментов будут при этом совпадать (М > 0, а М с < 0, см. рис. 9.34), то будет происходить разгон двигателя и тележки под действием указанных двух моментов. Когда частота вращения достигнет n 0, окажется, что Е = U, I я = 0 и М = 0. Однако частота вращения будет продолжать возрастать, поскольку существует движущий момент М с. При n > n 0 получим Е > U, I я< 0 и М < 0. Таким образом, снова возникнет момент двигателя, но теперь он будет тормозным. Установившийся режим наступит на наклонном участке пути cd, при частоте вращения n 2 > n 0, при которой М 2 = М c2 < 0.
Поскольку при М < 0 момент направлен против направления частоты вращения (n> 0, М < 0), а якорь вращается в ту же сторону, что и в двигательном режиме с частотой n > n 0, электродвигатель работает, по определению, в тормозном генераторном режиме.
Изменяя сопротивление резистора в цепи якоря, можно регулировать частоту вращения в генераторном режиме и получать, например, частоты вращения n 3 и n 4. При работе двигателя в генераторном режиме ЭДС и ток якоря совпадают по направлению (Е > 0, а I я < 0); это значит, что двигатель работает по существу в качестве генератора. Вырабатываемая им энергия, равная | EI я t |, отдается в сеть постоянного тока и частично преобразуется в теплоту в сопротивлениях цепи якоря. Очевидно, достоинством генераторного режима является его экономичность. К недостаткам следует отнести то, что регулирование частоты вращения можно производить лишь в области, где n > n 0.
Генераторный режим двигателя параллельного возбуждения широко используется в грузоподъемных машинах при опускании грузов, преодолевающих трение в механизме.
Пример 9.6. Определить частоту вращения двигателя примера 9.1 в генераторном режиме при моменте М = 90 Н•м, если в цепь якоря включен реостат с сопротивлением r = 0,5 Ом.
Решение. Используя уравнение (9.23) и учитывая, что при работе в генераторном режиме следует считать М < 0, т. е. — 90 Н•м, получим n и = 1412 об/мин.
Двигатель последовательного возбуждения при обычной схеме его включения (см. рис. 9.34) работать в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть не может. Это объясняется тем, что генераторный режим может возникнуть при Е >U, что в свою очередь возможно, если n > n 0. У двигателя же последовательного возбуждения n 0 = ∞.
У двигателя смешанного возбуждения в генераторном режиме последовательная обмотка размагничивает электродвигатель и при токе I я1 < 0 (см. рис. 9.23) магнитный поток двигателя становится равным нулю, а согласно (9.20) при Ф = 0 n = ∞.
Момент двигателя М = k M Ф I я может быть равен нулю в двух случаях: 1) при I я = 0 и n = n 0 х, что соответствует режиму холостого хода, и 2) при I я = I я1 и n = ∞, когда Ф = 0.
Очевидно, при увеличении частоты вращения в генераторном режиме момент двигателя будет сначала возрастать (см. рис. 9.35, в, характеристика 1), при некоторой частоте вращения достигнет наибольшего значения М 1, а при дальнейшем увеличении частоты вращения будет уменьшаться. Ограниченное значение наибольшего момента M 1 затрудняет практическое использование генераторного режима смешанного возбуждения. Если при работе двигателя в генераторном режиме последовательную обмотку выключить, то двигатель будет иметь механическую характеристику 2, как у двигателя параллельного возбуждения.
Режим динамического торможения. Режим динамического торможения возникает при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор, называемый резистором динамического торможения.
Естественно, что поскольку электродвигатель работает при этом по существу как генератор, он развивает тормозной момент (см. принцип действия генератора в § 9.2) Вырабатываемая им электрическая энергия расходуется в сопротивлении динамического торможения и частично в сопротивлениях якоря двигателя.
Обмотки возбуждения различных двигателей включаются при динамическом торможении по-разному. Обмотки возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения остаются включенными в сеть, чтобы последовательная обмотка двигателя смешанного возбуждения не размагничивала машину, ее следует отключить. Двигатель последовательного возбуждения может работать как с независимым возбуждением, так и с самовозбуждением. В первом случае обмотка подключается к сети через резистор с большим сопротивлением, который должен быть рассчитан на значительную мощность. При работе с самовозбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с якорем при соблюдении условий, необходимых для самовозбуждения (см § 9.8)
Развиваемый двигателем тормозной момент зависит при прочих равных условиях от сопротивления резистора динамического торможения.
Режим динамического торможения используется в большинстве случаев для уменьшения времени торможения двигателя и механизма при их остановке. Однако этот режим может быть использован с успехом и для получения установившейся частоты вращения при движущем внешнем моменте.
ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И КПД МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Преобразование электрической энергии в механическую с помощью двигателей и механической в электрическую с помощью генераторов сопровождается потерями энергии, чему соответствуют определенные потери мощности. От значений потерь мощности зависит важнейший энергетический показатель машин постоянного тока — их КПД. Потери мощности в машинах приводят к их нагреванию.
В машинах постоянного тока различают следующие основные виды потерь мощности:
1. Потери мощности в сопротивлениях цепи якоря: Δ Р я = I я2 r я. Как видно, потери мощности Δ Р я зависят от нагрузки машины. Поэтому их называют переменными потерями мощности.
2. Потери мощности в стали Δ Р c, вызванные главным образом вихревыми токами и перемагничиванием магнитопровода якоря при его вращении. Частично эти потери возникают из-за вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, вызванных пульсацией магнитного потока при вращении якоря.
3. Механические потери мощности Δ Р мех , причиной которых является трение в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух.
4. Потери мощности в цепи параллельной или независимой обмотки возбуждения: Δ Р в = U в I в = I в2 r в.
Потери Δ Р с, Δ Р мех, Δ Р в при изменении нагрузки машин меняются незначительно, вследствие чего их называют постоянными потерями мощности.
КПД машин постоянного тока
η = P 2/ P 1,
где Р 2 — полезная мощность машины (у генератора — это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя — механическая мощность на валу); Р 1 — подводимая к машине мощность (у генератора — это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя — мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P 1 включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).
Рис. 9.36. Зависимость КПД машин постоянного тока от полезной мощности
Очевидно, мощность Р 1 может быть выражена следующим образом: Р 1 = Р 2 + ΣΔ P,
где Δ P — сумма перечисленных выше потерь мощности.
С учетом последнею выражения
η = P 2/(P 2 + ΣΔ P).
Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р 2 равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η (Р 2) приведен на рис. 9.36.
При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р 2, достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р 2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.
