Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока

Угловая скорость вращения двигателя постоянного тока определяется по формуле

Очевидно, что регулировать ее можно тремя способами:
1. Включением добавочного резистора или реостата R_д в цепь обмотки якоря.

2. Изменением основного магнитного потока машины.

3. Изменением питающего напряжения

Дополнительное сопротивление R_д включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату, однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока. При включении реостата в цепь якоря скорость вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата. Это видно из механических характеристик Чем больше R_д,тем круче с увеличением нагрузки падает скорость вращения.

Для того, чтобы изменить основной поток машины, необходимо регулировать ток возбуждения, для чего в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат.

Регулирование скорости вращения двигателя изменением управляющего напряжения применяется лишь при I_в =const, т.е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении. Угловая скорость вращения холостого хода пропорциональна напряжению (ω₀=U/c_еФ), а изменение скорости (Δω=I_я R_я/с_еФ) от напряжения не зависит

Изменение направления вращенияДля того чтобы изменить направление вращения (выполнить реверс) нужно поменять знак электромагнитного момента на противоположный. Это возможно осуществить двумя способами:
1. Изменением направления тока якоря.

2.Изменением направления магнитного потока, т.е. тока возбуждения.

31.Механические характеристики двигателей постоянного тока с различными способами возбуждения Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rр.в, а в цепь якоря — пуско­вой реостат Rп. Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока якоря (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагни­чивающим действием реакции якоря, можно приближенно счи­тать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. Следовательно, механическая характеристика будет линейной. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления указанные характеристики жесткие (естественная характеристика 1 на рис.),так как падение напряжения в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3-5% от номинального. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вслед­ствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата. Чем больше сопротивление Rn, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче. Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характе­ристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения п возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электро­приводов устойчиво работать не может. Поэтому современ­ные двигатели большой и средней мощностей с параллель­ным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической характе­ристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе Iном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки. Регулировочный реостат R pв позволяет изменять ток воз­буждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. При этом изменяется и частота вращения п. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не уста­навливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко воз­растает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увели­чивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь. Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у кото­рых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением анало­гичны характеристикам двигателя с параллельным возбужде­нием, так как у них ток возбуждения I В также не зависит от тока якоря I а. Двигатель с последовательным возбуждением. В этом дви­гателе ток возбуждения IB = Ia, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря. Механические характеристики такого двигателя имеют вид. ключая в цепь якоря пусковые реостаты с сопротивлениями кроме естественной характеристики 1 можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, причем, чем больше R п, тем ниже располагается характеристика. Из рассмотрения рис.следует, что механические ха­рактеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и резко возрастает и может превысить максимально допустимое зна­чение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 -- 0,25) IН0М; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо. Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последо­вательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется измене­ние нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяго­вый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характе­ристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика дви­гателя с параллельным возбуждением. Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. а) магнитный поток Ф создается в результате сов­местного действия двух обмоток возбуждения — параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристи­ками двигателей с параллельным (прямая 1)и последователь­ным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотноше­ния номинальном режиме можно приблизить характеристики дви­гателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения п0 имеет конеч­ное значение.

32.Реакция якоря в машинах постоянного тока При холостом ходе машины постоянного тока магнитное поле создается только обмотками полюсов. Появление тока в проводниках якоря при нагрузке сопровождается возникновением магнитного поля якоря. Поскольку направление токов в проводниках между щетками неизменно, поле вращающегося якоря оказывается неподвижным относительно щеток и полюсов возбуждения.Oбмотка якоря становится аналогичной соленоиду, ось которого совпадает с линией щеток, поэтому, когда щетки установлены на геометрических нейтралях, поток якоря является поперечным по отношению к потоку возбуждения, а его влияние на последний называется поперечной реакцией якоря. Построив вектор результирующего потока, видим, что он теперь поворачивается относительно геометрической оси главных полюсов. Поле машины становится несимметричным, физические нейтрали поворачиваются относительно геометрических. В генераторе они смещаются в сторону вращения якоря, в двигателе - против направления вращения якоря.Под физической нейтралью будем понимать линию, проходящую через центр якоря и проводника обмотки якоря, в которой индуктируемая результирующим магнитным потоком ЭДС равна нулю. Поперечная реакция якоря мало влияет на показатели работы машины, это влияние обычно не учитывают. Однако при смещении щеток с геометрической нейтрали в потоке якоря появляется продольная составляющая, ее влияние на поток полюсов называют продольной реакцией якоря. Она может носить как намагничивающий, так и размагничивающий характер. В общем случае реакция якоря приводит к искажению поля под полюсами и изменению потока полюсов. Первое может вызвать значительное усиление искрения под щетками (вплоть до появления кругового огня на коллекторе), а последнее в генераторе изменяет напряжение на зажимах, а в двигателе вращающий момент и частоту вращения якоря.Для ослабления реакции якоря увеличивают воздушный зазор между статором и якорем, используют специальные короткозамкнутые витки в пазах полюсных наконечников. В машинах большой мощности для этих целей применяется специальная компенсационная обмотка. Она укладывается в пазы полюсных наконечников, а включается последовательно в цепь якоря, ее поток уравновешивает продольный поток якоря.32(б). Реакция якоря машины постоянного тока При холостом ходе магнитный поток в машине создается только НС обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток при неизменном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, и НС якоря создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Фaq, созданный НС якоря Faq в двухполюсной машине при установке щеток на нейтрали направлен по поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия потока Фaq симметричное распределение магнитного поля машины искажается, и результирующий поток Фрез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов. При этом физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол β (рис.4.4). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях - против направления вращения. Рис. 4.4. Магнитное поле машины постоянного тока: от обмотки возбуждения (а), от обмотки якоря (б) и результирующее (в) Вследствие сосредоточенного характера обмотки возбуждения, кривая распределения создаваемой ею НС имеет форму прямоугольника, а кривая индукции - форму криволинейной трапеции (рис.4.5). Рис.4.5. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: от обмотки возбуждения (а), от обмотки якоря (б) и результирующее (в) На основании закона полного тока НС якоря, действующая в воздушном зазоре на расстоянии x от оси главных полюсов определится выражением: . (4.6) Следовательно, НС якоря Faq изменяется линейно вдоль его окружности; под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. Магнитная индукция в воздушном зазоре при ненасыщенной магнитной системе: , (4.7) где - величина воздушного зазора в точке x. Из последнего выражения следует, что под полюсом при = const индукция Baq изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина и индукция Baq резко уменьшается. В результате кривая распределения приобретает седлообразную форму. Кривая результирующей индукции получается алгебраическим сложением ординат кривых и (рис. 4.5в). Реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а)- физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол, что ухудшает коммутацию коллекторной машины; б)- результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, а значит, уменьшается ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря при нагрузке, по сравнению с ЭДС Е0 при холостом ходе; в)- в кривой распределения индукции в воздушном зазоре под краями главных полюсов возникают пики, способствующие образованию в машине кругового огня.

Генераторы постоянного тока различных систем возбуждения можно объединить в две основные группы: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением, к которым относятся генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Генератор независимого возбуждения.

Рис.5.11Основные статистические характеристики генераторов анализируются при постоянной угловой скорости приводного двигателя.
Характеристика х.х. E_я= f (I_в)при I_я= 0 генератора независимого возбуждения (рис.5.11) изображена нарис.5.12, а.

Рис.5.12Вид такой характеристики можно наиболее просто объяснить на основе формулы (5.6), в которой зависимость потока Ф_вот тока возбуждения I_в определяется петлей намагничивания магнитопровода машины. Характеристика х.х. снимается путем уменьшения от значения примерно 1,25 I_в.ном до (-1,25 I_в.ном) (нисходящая ветвь) и затем увеличения до прежнего значения (восходящая ветвь). При I_в=0 в магнитопроводе сохраняется поток остаточного намагничивания и в якоре наводится остаточная ЭДС, составляющая 1–4% от номинальной. За расчетную характеристику х.х. принимается средняя линия.
Внешняя характеристика строится на основании уравнения равновесия ЭДС и напряжений в цепи якоря, составленного по второму закону Кирхгофа в установившемся режиме: U_я= E_я- I_яR_я, (5.11)
где R_я - сопротивления обмотки якоря.Эта характеристика, построенная без учета реакции якоря, изображена на рис.5.12,б сплошной линией. Характеристика жесткая, так как ток и поток возбуждения не зависят от тока якоря, а падение напряжения I_яR_я на обмотке якоря в номинальном режиме составляет 5–15% от ЭДС. Отклонение внешней характеристики от линейного закона (штрих-пунктирная линия) может быть вызвано реакцией якоря. При изменении от R_н до 0 ток якоря непрерывно возрастает.
Регулировочная характеристика I_в = f (I_я)при U_я =const определяет тот закон, по которому нужно изменять ток возбуждения и соответственно ЭДС якоря, чтобы выходное напряжение сохранялось постоянным при любом токе якоря. Как следует из (5.11) и (5.6), для этого при увеличении тока I_янеобходимо увеличивать ток I_в (рис.5.12,в). Генератор параллельного возбуждения.
Отличительной особенностью генераторов с самовозбуждением является то, что для возбуждения машины не требуется внешний источник. Принцип самовозбуждения рассмотрим на примере генератора параллельного возбуждения (рис.5.13, а) в режиме х.х.

Рис.5.13

Самовозбуждение генератора начинается при выполнении двух условий:
а) в машине имеется поток остаточного намагничивания Ф_ост;
б) полярность включения обмотки возбуждения и направления вращения якоря таковы, что возникающий ток возбуждения создает магнитный поток, направленный согласно с Ф_ост.
В реальных машинах постоянного тока, хотя бы раз намагниченных, длительное время сохраняется остаточный поток. При вращении якоря поток Ф_ост наводит ЭДС E_{я ост} в обмотке якоря, на обмотке возбуждения появляется напряжение х.х. U_{я ост,и} по обмотке возбуждения начинает протекать небольшой ток. Этот ток создает магнитный поток, направленный согласно с Ф_ост и усиливающий Е_я. Усиливается ток возбуждения, и процесс возбуждения продолжается по описанному выше циклу.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения
(рис.5.13, б), где ток нагрузки I_н=I_я-I_в, отличается от характеристики генератора независимого возбуждения, так как уменьшение U_я при увеличении I_н приводит одновременно к уменьшению I_в и соответственно Е_я. Характеристика становится менее жесткой. Кроме того, в режиме к.з. напряжение U_в=U_я =0 и ЭДС и ток якоря должны быть равны нулю. Однако в реальном генераторе при U_в = 0 поток Ф ≠ 0 и равен потоку Ф_ост. Этот поток наводит ЭДС в якоре, и по нему протекает ток к.з. I_к.з., но значение этого тока к.з. невелико. Таким образом, при изменении R_н от ∞ до 0 токи I_н и I_z соответственно возрастают только до некоторого значения, называемого критическим I_кр., и затем убывают.
Регулировочная характеристика и характеристика х.х. генератора параллельного возбуждения имеют такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения.