Avdeiko_Adamovich_Vershinin1

щение. Чтобы даже незначительно увеличить магнитный поток, необходимо резко увеличить ток возбуждения. При уменьшении магнитного потока скорость холостого хода ω0 = U/кФ возрастает. Зависимость скорости вращения двигателя в режиме холостого хода от тока возбуждения при номинальном напряжении называется регулировочной характеристикой (рис. 8.10). С уменьшением тока возбуждения (магнитного потока) скорость резко возрастает. Поэтому обрыв в цепи возбуждения в режиме холостого хода является аварийным режимом, когда электродвигатель «идет вразнос». По этой же причине нельзя пускать двигатель последовательного возбуждения без нагрузки.

Рис. 8.10. Регулировочная характеристика холостого хода

При уменьшении магнитного потока увеличивается и наклон механической характеристики, которая становится более «мягкой». При этом способе регулирования при уменьшении магнитного потока скорость вращения может возрастать до величины ω′1, если нагрузка небольшая (МС1), но при больших нагрузках (МС2) скорость вращения будет уменьшаться до ω′2 (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Механические характеристики двигателя при изменении магнитного потока

152

Преимуществом данного способа регулирования является экономичность, т.к. регулируют ток в цепи возбуждения, который на порядок – два меньше тока цепи якоря.

Небольшой диапазон регулирования ограничивает область применения этого способа.

Наиболее современен способ регулирования скорости вращения двигателя изменением напряжения сети.

Третий способ (U = υαr)

Пусть при номинальном напряжении сети и моменте сопротивления МС скорость вращения двигателя соответствовала ω, а скорость холостого хода ω0 (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Механическая характеристика двигателя при изменении напряжения сети

Если уменьшить (U1) или увеличить (U2) напряжение сети, то и скорости двигателя в режиме холостого хода и под нагрузкой МС станут равными соответственно ω01, ω1 и ω02, ω2.

При этом наклон характеристик не изменится. Благодаря тому, что жесткость механической характеристики сохраняется, значительно возрастает и диапазон регулирования, который может достигать значения 10:1. Этот способ позволяет регулировать вращение как «вниз», так и «вверх» от основной скорости.

8.7. Анализ работы электродвигателя

Электродвигатель, создающий вращающий момент, работает на ка- кую-либо механическую нагрузку: рабочую машину РМ, создающую момент сопротивления. В соответствии с аналогом второго закона Ньютона для вращающихся тел

153

где J – эквивалентный момент инерции всех вращающихся частей электродвигателя и рабочей машины, приведенный к валу двигателя;

dω – угловое ускорение. dt

Если МВР > МС , то ускорение dω положительное и система «двига- dt

тель – нагрузка», называемая электроприводом, увеличивает скорость вращения.

Если МВР < МС , то dω < 0 и скорость вращения привода падает. dt

Если МВР = МС , то dω = 0 и ω = const . dt

Режим работы электропривода, при котором скорость его вращения не изменяется, называется установившимся.

Одной из основных задач электропривода является регулирование скорости вращения рабочей машины.

Как известно, скорость вращения электродвигателя можно изменить напряжением питания U, магнитным потоком Ф, который изменяется регулировкой тока в обмотке возбуждения, и введением сопротивления в цепь якоря RЦЯ. Кроме того, скорость вращения двигателя изменяется при изменении нагрузки МС . Все эти четыре параметра являются независимыми, т.к. мы их можем изменять по своему усмотрению.

При изменении одного из этих параметров будут меняться скорость вращения двигателя ω, ЭДС якоря EЯ , ток, потребляемый двигателем, IЯ и электромагнитный момент МЭМ. Эти четыре параметра являются зависимыми.

8.7.1. Установившийся режим

Для определения зависимых параметров в новом установившемся режиме необходимо рассмотреть в первую очередь уравнение механического равновесия, при котором вращающий электромагнитный момент устанавливается автоматически в соответствии с моментом сопротивления рабочей машины:

МЭМ = МС , где МЭМ = кФI Я .

Затем рассматривается электрическое равновесие – уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа,

U = EЯ + RЦЯ I Я ,

154

где EЯ = кФω, а сопротивление цепи якоря RЦЯ = RЯ + Rрег складывается

из сопротивлений обмотки якоря и регулировочного сопротивления, вводимого в цепь якоря для изменения скорости вращения.

Например, требуется определить, как изменится скорость вращения двигателя и потребляемый им ток, если ввести сопротивления в цепь якоря.

Если другие независимые параметры остаются неизменными, то в соответствии с уравнением механического равновесия электромагнитный момент должен остаться неизменным, следовательно, и ток якоря не должен измениться. Правда, ток якоря восстановится после какого-то переходного процесса, когда он вначале мгновенно уменьшится, а затем примет прежнее значение, возрастая во времени по экспоненциальной зависимости.

Если I Я = const , то возрастает RЦЯ I Я , а так как U = const , то ЭДС якоря должна уменьшиться настолько, насколько увеличилось RЦЯ I Я . C

уменьшением ЭДС якоря уменьшается и скорость вращения двигателя, т.к. магнитный поток мы не изменяли.

Другой пример. Как будут изменяться ω и IЯ с уменьшением магнитного потока (тока возбуждения)?

Так как MС = const , то МЭМ = кФI Я в установившемся режиме не должен измениться. Но с уменьшением потока должен возрасти ток якоря. В соответствии с электрическим равновесием увеличение тока якоря вызовет уменьшение ЭДС якоря ЕЯ = кФω, а скорость вращения может остать-

ся неизменной, но может и измениться как в сторону увеличения, так и уменьшения. Действительно, в соответствии с механической характеристикой при уменьшении потока, если нагрузка двигателя небольшая, скорость возрастает, если большая, то падает.

Рассуждая аналогичным образом, можно определить, что с увеличением напряжения возрастает скорость, а ток якоря , как ни странно, не изменяется, а с увеличением механической нагрузки скорость вращения падает, но возрастает потребляемый якорем ток.

Итак, электрическая машина – « добросовестнейшее» устройство.

Двигатель развивает такой электромагнитный момент, какой мы создаем на его валу. Изменение любого электрического параметра (напряжения сети, тока возбуждения, сопротивления в цепи якоря) вызывает переходной процесс, после завершения которого устанавливаются новые зависимые параметры (скорость вращения и потребляемый ток), которые обеспечивают создание электрического момента, равного моменту сопротивления на его валу (свойство саморегулирования).

155

8.7.2. Переходный режим

С изменением независимых параметров новый режим устанавливается не мгновенно, а с течением некоторого времени, зависящего от инерционности электрических и механических процессов. Как правило, изменение электрического режима происходит на порядок быстрее, чем изменение скорости вращения двигателя, поэтому инерционностью при изменении электрических процессов можно пренебречь.

Например, при увеличении напряжения питания U, т.к. скорость вращения двигателя мгновенно измениться не может и ЭДС обмотки якоря ЕЯ = кФω остается прежней, то скачкообразно увеличивается ток в обмот-

ке якоря:

I Я = (U − EЯ ) , RЯ

следовательно, и электромагнитный момент. Т.к. момент сопротивления мы не изменяли, то нарушается механическое равновесие и скорость привода возрастает. При этом увеличивается противоЭДС и уменьшается ток якоря и электромагнитный момент до тех пор, пока не восстановится механическое равновесие. Увеличение скорости двигателя и восстановление прежнего тока происходят во времени по экспоненциальному закону, плавно приближаясь к новому установившемуся режиму.

График изменения тока якоря и скорости вращения показан на рис. 8.13, а. При t = 0 происходит коммутация, т.е., в данном случае, – включение двигателя на повышенное напряжение.

Если известны механические характеристики двигателя при различных напряжениях, то можно количественно определить скорость вращения якоря ω2 в новом установившемся режиме и то, как протекает переходный процесс (рис. 8.18, б).

Рис. 8.13. Переходной процесс при увеличении напряжения сети: а – временная диаграмма; б – электромеханическая характеристика

156

Пусть режим работы двигателя соответствовал точке А на электромеханической характеристике. При увеличении напряжения до величины U2 ток якоря возрастает до величины I′Я (точка А′) при скорости ω1, которая мгновенно измениться не может.

Так как момент сопротивления МС остался прежним, а электромагнитный момент увеличился за счет увеличения тока, то скорость будет постепенно возрастать и в точке В наступит новый установившийся режим, при котором ω2 > ω1, IЯ1 = IЯ2.

Аналогично можно рассмотреть переходный процесс при изменении других независимых параметров (магнитный поток, сопротивление в цепи якоря, момент сопротивления), построив новую механическую характеристику, на которую в момент коммутации переходим при прежней скорости, а затем наступает новый установившийся режим в соответствии с электрическим и механическим равновесием.

8.8. Пуск в ход двигателя постоянного тока

Самым простым способом пуска является прямое включение двигателя в сеть на номинальное напряжение.

ЕЯ = кФω. Однако в момент пуска скорость двигателя равна нулю и ЭДС

шает номинальный. Скачок пускового тока в линии значительно снижает напряжение из-за заметного падения напряжения внутри источника и в линии передачи. Говорят, «напряжение садится». Поэтому прямое включение допустимо для малых двигателей мощностью до 2 кВт, у которых разгон двигателя не превышает 0,3 с.

Для средних и мощных двигателей при пуске в цепь якоря включают пусковые сопротивления, которые ограничивают пусковой ток до 1,5 – 2,5

пускового тока выбрано для того, чтобы он был достаточным для быстрого разгона двигателя. В противном случае процесс пуска затягивается и двигатель перегревается.

В качестве примера рассмотрим схему двухступенчатого пуска в ход двигателя (рис. 8.14, а).

157

При подаче напряжения запитывается обмотка возбуждения двигателя и срабатывает реле времени КТ. Ток в обмотку реле времени поступает через пусковое сопротивление и обмотку якоря. Так как эти сопротивления очень малы по сравнению с сопротивлением обмотки реле времени, то практически эта обмотка будет включена на полное напряжение сети. При срабатывании реле времени его размыкающий контакт разрывает цепь питания обмотки контактора КМ2.

Для пуска двигателя нажимают на кнопку SB1. Срабатывает контактор КМ1, обмотка которого включается на самопитание с помощью контакта, шунтирующего кнопку «Пуск». Силовой контакт контактора включает обмотку якоря через пусковое сопротивление и одновременно шунтирует обмотку реле времени, которая обесточивается.

При этом двигатель разгоняется, изменяя режим от момента пуска (точка С) до точки В по искусственной электромеханической характеристике (см. рис. 8.14, б).

Рис. 8.14. Электрическая схема (а) и электромеханические характеристики (б) при двухступенчатом пуске в ход двигателя постоянного тока

При достижении скорости ω1 замыкается контакт КТ и включается второй контактор, который своим силовым контактом шунтирует пусковое сопротивление. В этот момент происходит скачок тока (точка А′), и в дальнейшем режим работы двигателя изменяется от точки А′ до точки А (номинальный режим) по естественной электромеханической характеристике. Если разгон двигателя происходит без нагрузки, то установившийся режим будет соответствовать не точке А, а точке А0 (режим холостого хода).

8.9. Схема подключения двигателей постоянного тока к сети

Кроме обмотки якоря с выводами Я1 и Я2 и при смешанном возбуждении шунтовой (Ш1 и Ш2) и сериесной (С1 и С2) обмоток в двигателях

158

средней мощности, как правило, имеется обмотка добавочных полюсов

(Д1 и Д2).

Добавочные полюсы располагаются между основными и служат для ослабления магнитного потока, создаваемого током обмотки якоря. Этот поток искажает поле основных полюсов и вызывает повышенное искрение под щетками. Влияние тока якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря.

Обмотка добавочных полюсов и обмотка последовательного возбуждения (сериесная) главных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, а обмотка параллельного возбуждения (шунтовая) – на полное напряжение сети. Схема включения двигателя показана на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Схема включения двигателя смешанного возбуждения

Для изменения направления вращения якоря изменяют полярность обмоток, располагающихся на главных полюсах, – шунтовой и сериесной. Направление тока в обмотке добавочных полюсов и обмотке якоря оставляют прежним.

8.10.Исполнительные двигатели постоянного тока

Всхемах автоматики, управления, регулирования и контроля применяются двигатели, с помощью которых электрический сигнал (напряжение управления) преобразуется в механическое перемещение, т.е. вращение вала. Такие электрические двигатели называются исполнительными.

Исполнительные двигатели имеют две обмотки. Одна из них, которая постоянно подключена к сети, называется обмоткой возбуждения, на другую (обмотку управления) сигнал подается только тогда, когда необходимо вращение вала. От величины напряжения управления зависят вращающий момент и скорость вращения.

Вкачестве исполнительных двигателей применяются чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже – двигатели с постоянным магнитом.

159

Обмоткой управления может служить либо обмотка якоря (двигатели с якорным управлением, рис. 8.16, а), либо обмотка возбуждения (обмотка полюсов – двигатели с полюсным управлением, рис. 8.16, б).

Рис. 8.16. Схема включения исполнительного двигателя с якорным (а) и полюсным (б) управлением

8.11. Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенератор постоянного тока – машина постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 8.17, а) или возбуждением постоянными магнитами (рис. 8.17, б), работающая в генераторном режиме.

Рис. 8.17. Схема включения тахогенератора постоянного тока с возбуждением: а – независимым; б – от постоянных магнитов

160