Режимы работы мпт

Рассмотрим режимы работы МПТ на примере ДПТ с параллельным возбуждением при Ф=const. В этом случае механическая характеристика ω=f(M) может быть представлена скоростной характеристикой ω=f(I).

ДПТ в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в 3ех режимах: 1-двигательном, 2-тормозном и 3-генераторном.

1. При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря небольшой, что соответствует скорости вращения ω=ω_хх (точка A) (холостой ход).

Если увеличивать противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя, замедляясь, остановится (точка В), то ток (момент) двигателя достигнет значения пускового значения I_п=I_ak=U/r. Т.е. пусковой ток ДПТ определяется напряжением и сопротивлением якоря.

2. При активном характере нагрузки (например, привод барабана, на который наматывается трос с грузом), при последующем увеличении момента этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал ЭМ со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины—тормозящим, т. е. электрическая машина перейдет в режим тормоза. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует в согласовании с напряжением I=I_D=(U+E_a)/r.

При использовании МПТ в тормозном режиме, вводя в цепь якоря добавочное сопротивление R_П, обеспечивающего получение искусственной характеристики двигателя 2, снижают ток до I_П= I_aн.

Если при работе ДПТ в режиме холостого хода к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря (разматывается трос с грузом), то скорость вращения, а, следовательно, и ЭДС E_a начнут возрастать. Когда ЭДС E_a=U, машина не будет потреблять из сети тока (точка ω₀), скорость вращения якоря достигнет значения, называемого пограничной скоростью.

3. При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникнет ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим: механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электрическую и поступать в сеть.

Перевод двигателя в генераторный режим используется для торможения двигателя, так как в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозящим (рекуперативное торможение).

Учитывая что МПТ общего применения реверсивны характеристики располагаются в I и III четверти – для двигательного режима, - II и IV – для генераторного и тормозного режимов.

- При исследовании двигателя определяются зависимости скорости вращения от нагрузки, способы пуска и регулирования скорости и снимаются следующие характеристики: механическая, электромеханическая (скоростная), короткого замыкания и рабочие.

- При исследовании генератора определяются зависимости ЭДС и напряжения от тока возбуждения, напряжения от тока нагрузки и снимаются характеристики холостого хода (рис.12), нагрузочная, внешняя (рис.13), регулировочная (рис.13,а), короткого замыкания.

- Относительное изменение напряжения генератора определяет вид внешней характеристики — зависимости напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I: U=f(I) при r_pг=const и  = const.

На рис.13 – внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.

При росте тока нагрузки I, т.е. при снижении сопротивления нагрузки R_Н, напряжение генератора понижается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря.

Рис.12 Рис.13 Рис.13, а.

- Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки

U_н=100 (U₀.– U_н)_./U_н

Для генераторов независимого возбуждения (ГНВ) U_н = 5-10%, для генераторов параллельного возбуждения (ГПВ)–10-30%.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 5.8) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генератора параллельного возбуждения (5.6) составляет 10—30%. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения, помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина—уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин.

Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки r_н ток I увеличивается лишь до критического значения I_кр, а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться. Ток нагрузки при коротком замыкании I_к.з<I_кр =0,6 I_ном.

Дело в том, что с увеличением тока I усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения) и машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины. Уменьшение тока после достижения критического значения вызвано тем, что U убывает быстрее, чем уменьшается r_н.

Рис. 5.8.

Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не успевает сразу размагнититься, и ток I_к.з достигает опасных для машины значений I_к.з =(8—12) I_н.

При таком резком возрастании тока на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. В связи с этим возникает необходимость защиты генераторов от перегрузки и короткого замыкания посредством плавких предохранителей или же применением системы релейной защиты.

Генераторы параллельного возбуждения широко используют в установках постоянного тока, т.к. отсутствие возбудителя выгодно отличает их от генераторов независимого возбуждения.

На преобразовательных подстанциях постоянного тока обычно устанавливают несколько генераторов и включают их параллельно на общие шины. При включении генераторов на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия:

1) ЭДС подключаемого генератора Е_о должна быть равна напряжению сети U_с, 2) полярность зажимов подключаемого генератора должна соответствовать полярности сети.

При изменениях нагрузки токи I₁ и I₂ распределяются между двумя генераторами в соответствии с их внешними характеристиками. Нагрузка между генераторами распределяется обратно пропорционально сопротивлениям цепи якоря. При включении на параллельную работу генераторов смешанного возбуждения следует предусмотреть в схеме уравнительный провод, соединяющий одноименные зажимы якорной обмотки.

- Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (МДС обмоток складываются), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора (U_н ≈ 0).

Встречное включение обмоток применяется лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных генераторах, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Но наиболее значительной зависимостью напряжения от нагрузки отличаютсятся генераторы последовательного возбуждения, у которых ток возбуждения равен току нагрузки (i_в=I), a, поэтому свойства определяются лишь внешней характеристикой (рис. 5.9, б). При холостом ходе ЭДС генератора невелика (E₀=E_ост).

Рис.15.3

- Принцип самовозбуждения лежит в основе работы ГПВ.

Самовозбуждение ГПТ возможно при соблюдении следующих условий:

а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;

б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы магнитный поток этой обмотки совпадал по направлению с потоком остаточного магнетизма Ф_ост (правильное включение ОВ);

в) скорость вращения якоря должна быть больше критической (достаточной).

- В генераторе с параллельным возбуждением включение в работу возможно при соблюдении всех условий самовозбуждения.

Так как генератор параллельного возбуждения, самовозбуждается лишь в одном направлении (тока возбуждения), то и характеристика холостого хода этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат. По этой же причине нельзя изменять направление вращения якоря без изменения схемы включения.

- ЭДС якоря и электромагнитный момент МПТ

ЭДС проводника обмотки якоря по закону индукции e=B l v.

ЭДС обмотки равна ЭДС параллельной ветви, содержащей N/2a последовательных проводников.

Воспользуемся средним значением магнитной индукции, так как значения индукции В в пределах полюсного деления . Тогда среднее значение ЭДС, индуктируемой в обмотке, уложенной на поверхности якоря, равно E_ср= B_ср l v.

Поэтому ЭДС обмотки якоря между щетками машины

E_a=E_ср N/ 2a= B_ср l v N/2a. (16.11)

Перейдем от окружной скорости вращающегося якоря v, [м/сек] к угловой скорости вращения якоря  [рад/с]

v=D /2

где D—диаметр якоря, м; l—длина якоря, м.

Учтем, что площадь, которую пронизывает магнитный поток одного полюса, есть произведение l  _ (рис. 2.33) при _ =1, получим

В_ср =Ф/l =2 Ф p/l  D, (16.11,a)

где Ф—магнитный поток в воздушном зазоре под одним полюсом, полюсное деление  =  D / 2 р. Подставив (16.11,а) в (16.11) перейдя к угловой скорости , получим ЭДС обмотки якоря

Е_a= p N Ф  /2 a. (16.12)

Величина pN/2 a для данной машины является постоянной и в системе СИ

C=C_e =p N /2 a (16.13)

Окончательно Е_a =С Ф . (16.14)

Здесь ЭДС E_a в вольтах, а магнитный поток Ф в веберах (Вб). Наибольшее значение ЭДС имеет место при секциях с полным шагом и при положении условных щеток на геометрической нейтрали.

Выражение для электромагнитного момента M МПТ получим, если воспользуемся формулой преобразования мощности в ГПТ F v=B l I v=EI и перейдем от прямолинейного к вращательному движению с помощью формул:

F =2 M /D; v=D  / 2. Тогда выражение для МПТ получит вид

(2 M /D) (D  / 2) = E I и после сокращения M  = E I. Откуда M=EI/.

Подставив в последнее уравнение (16.14) получим

M =С Ф I. (16.15)

Используя полученные уравнения (16.12, 2.11,a), и выражение для линейной нагрузки N I /2 D a= A можно определить расчетную мощность машины P=m I E, (для МПТ m=1)

P'= D² l  B_ _ A  / 2,

где _ =b_ / – коэффициент полюсного перекрытия , b_ – ширина полюса. Из этого уравнения получается значение машинной постоянной Арнольда C_A, определяющей мощность машины (=const), приходящуюся на единицу объема ( в системе СИ C_A=(1,6–16) 10^-5 м с²/кг)

С_A= D² l  / P'= 6 10^–1/B_ _ A. (16.16).

- M =С Ф I. Величина вращающего момента двигателя постоянного тока определяется из уравнения моментной характеристики ДПТ).

- Для определения вращающего момента ДПТ необходимо в выражение M =С Ф I подставить значение конструктивной постоянной (в системе СИ) С=с_е=с_м= pN/2π a. В формуле для М: p – число пар полюсов, N – число проводников обмотки якоря, a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

- Нагрузку, создаваемую при работе двигателя рабочим механизмом, в лаборатории реализуют с помощью генератора электромашинного агрегата, в цепи якоря которого включено регулируемое сопротивление (реостат).

- Пусковой ток ДПТ определяется напряжением и сопротивлением якоря I_п=U/r. При пуске =0, Е=0. Поэтому необходимо введение реостата, чтобы ограничить ток при пуске: I_п=U/(r+R_П).

- Одними из основных характеристик любого двигателя постоянного тока являются механическая ω=U/cФ –М r/c² Ф² (или электромеханическая ω=U/cФ –I r/c Ф) и моментная M =С Ф I характеристики. На рис.18,а – характеристики ДПТ с параллельным возбуждением (отрезки прямых). На рис.18,б –механическая характеристика (гипербола) и моментная характеристика двигателя последовательного возбуждения.

Рис.18,а Рис.18,б.

- Потери машины определяют КПД.

Для двигателя КПД = P₂/P₁= U I – Σp/(UI).

Для генератора КПД = P₂/P₁= U I /(UI + Σp).

- В суммарные потери входят Σp= (p_c+ p_мех)+ p_эв+ [p_эл+ p_щ]+ p_Д,

Где, соответственно, потери в стали p_c≡В²; механические p_мех; электрические: в обмотке возбуждения p_эв ≡ I_в², в обмотке якоря p_эл ≡ I², в щетках p_щ; добавочные p_Д.

Если имеются добавочные полюса, то к [переменным] потерям добавляется р_дп.

- Зависимость КПД= f(P₂) КПД= f(I) имеет типичный вид с максимумом при равенстве потерь [переменных] и (постоянных). На рис.20 представлена зависимость КПД=f(P₂) ДПТ с независимым возбуждением

Так как двигатели работают по статистике с недогрузкой, то их проектируют так, что максимум обычно соответствует нагрузке меньшей номинальной (0,6-0,8) P_2н.

Рис.20. Рис.21.

Если двигатель работает с небольшой, но длительной перегрузкой, то повышается вероятность выхода из строя из-за перегрева и постепенного ухудшения изоляции.

- Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость скорости вращения n, величины тока I, коэффициента полезного действия η, вращающего момента М от мощности на валу двигателя P₂ при U=const и i_B=const (рис. 21).

Из-за жесткости характеристик при независимом возбуждении график M=f(P₂) имеет вид близкий к прямой. Если поток Ф=const, то этот график является в то же время выражением зависимости I=f(Р₂).

- Для регулирования скорости ДПТ можно использовать изменение сопротивления и напряжения якоря и магнитного потока. Рассмотрим эти способы для двигателя с независимым возбуждением.

А). Реостатные искусственные характеристики U=U_н, Ф=Ф_н. При изменении сопротивления якорной цепи пограничная скорость ω₀ - не изменяется, но увеличивается угловой коэффициент и характеристика становится мягче (Рис. 22). Механическая характеристика при включении дополнительного сопротивления в цепи якоря r_П называется искусственной реостатной.

; М, =ω₀ – Δω_иск

где ; - угловой коэффициент.

Рис. 22.1. Реостатные характеристики ДПТ с параллельным и независимым возбуждением.

Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называется номинальным изменением скорости ω_н= 100 (ω₀ – ω_н) /ω_н

б). Искусственные характеристики при изменении потока возбуждения (при U=U_н; R_р=0)

или

Номинальный магнитный поток машин близок к потоку насыщения. Поэтому изменение величины магнитного потока может вестись только в сторону снижения, т.е. Ф<Ф_н или Ф= Ф_н, где <1 - степень ослабления потока. При уменьшении потока пограничная скорость изменяется обратно пропорционально потоку (ω≡1/Ф). Ослабление потока позволяет регулировать скорость вверх от естественной характеристики.

Рис 22.2. Искусственные характеристики машин

с параллельным и независимым возбуждением при ослаблении поля.

При малых значениях тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи возбуждения (I_в=0) скорость вращения двигателя неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя, т.е. его механическому разрушению. Поэтому в цепь ОВ не ставят выключатели и предохранители.

в). Изменение подводимого напряжения (Ф=Ф_н , R_р=0). Как видно из характеристики ω_о=U/cФ –r M/(c² Ф²) при изменении напряжения, подводимого к якорю ДПТ НВ, меняется пограничная скорость, а угловой коэффициент остается неизменным (Рис. 27). Искусственные характеристики будут параллельны естественной.

Рис 22.3 Искусственные характеристики машин

с независимым возбуждением при изменении подводимого напряжения.

Недостатком способа является необходимость ЭМ или управляемого выпрямителя, равного по мощности двигателю, что удорожает систему.

- Для ДПТ с последовательным возбуждением (сериесного двигателя СДПТ) является характерным то, что I_я=i_в, поэтому при изменении нагрузки меняется и магнитный поток машины Ф const.

Рис 32. Машина постоянного тока

с последовательным возбуждением (сериесная машина)

..

Для ненасыщенной машины (Ф=К_фi_в=К_фI_я) уравнение скоростной характеристики примет вид:

где ; т.е. ω =к/I_Я

уравнение момента – ;

электромагнитная мощность P=M ω=k₂ I_я

При насыщении (Ф=Ф_нас=const). ;

Таким образом скоростная характеристика имеет вид гиперболы, переходящей в прямую, а моментная характеристика М=f(I_я) – параболы, переходящей в прямую (Рис. 33).

Рис 33. Скоростная характеристика машины постоянного тока

с последовательным возбуждением .

Как видно из скоростной характеристики, при малых нагрузках скорость двигателя резко увеличивается. При уменьшении тока происходит ослабление магнитного потока (до величины потока остаточного намагничивания), что приводит к резкому увеличению скорости, недопустимому для якоря по условиям механической прочности. Происходит так называемый «разнос» машины. По этой же причине этот двигатель не пускают вхолостую.

Основными особенностями сериесных машин является:

1. Работа СДПТ и его пуск при нагрузке на валу менее 25% номинальной недопустимы. По этой причине недопустима ременная передача.

2. Мягкость характеристик, т.е. резкое снижение скорости при увеличении нагрузки. Это способствует устойчивой работе при любой нагрузке.

3. Так как пограничная скорость этих машин стремится к бесконечно большой величине, то режим рекуперации (при ) СДПТ невозможен.

4. Момент пропорционален квадрату тока, что важно при тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как мощность на входе СДПТ растет медленнее - пропорционально току, что важно в транспортных и крановых приводах.

5.Неизменность момента на валу при изменении напряжения СДПТ

М=С_мФI_я, но Ф=f(I_я) [n=kU; n=k₁/Ф]

Два последних свойства делают сериесные машины особенно привлекательными для целей электрической тяги (электровозы, электрокары и т.п.). При движении в точках, удаленных от преобразовательных подстанций, или при питании от аккумуляторных батарей снижение напряжения не сказывается на силе тяги (но сказывается на скорости).

- Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией. Время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Тк. Период коммутации составляет 0,0001…0,01 с и вызывает вторичные явления механического, термического, электрохимического и электромагнитного характера.

Переход щетки с одной пластины на другую при вращении якоря сопровождается переключением секции из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.

При идеальной (линейной) коммутации (щетки расположены на геометрической нейтрали и в коммутирующей секции в не индуктируются электродвижущие силы, ширина щетки равна коллекторному делению (bщ=bк)). график изменения тока коммутирующей секции от +i = +I_a /2 до –i=–I_a /2 представляет собой прямую линию (рис.4.2,а). Уравнение линейной коммутации имеет вид:

i₁ /i₂= r₂/ r₁ (4.1)

где r₁ и r₂ – переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пластинами, i₁ и i₂ – токи, переходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2:

i₁ =i+i_k; i₂= i– i_k, (4.1а)

здесь i_k – ток коммутирующей секции.

Уравнение (4.1) можно записать в виде:

i₁ r₁ – i₂ r₂=0 (4.1б).

Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной (ток пропорционален площади контакта).

В реальных условиях работы (по второму закону Кихргофа) уравнение для коммутирующей секции замкнутой щеткой (основное уравнение коммутации) имеет вид

i₁ r₁ – i₂ r₂=e_р+ e_к , (4.6)

где результирующая реактивная ЭДС e_р =e_L+ e_M (ЭДС самоиндукции e_L =- L_S di_k / dt, ЭДС взаимоиндукци e_M =- M_S di_k / dt), ЭДС вращения e_к =2B_кlw_sv.

Суммарная ЭДС e= e_р+ e_к создает в коммутирующей секции добавочный ток коммутации i_Д=e /(r₁+r₂), который суммируется с током линейной коммутации, и так как ЭДС е имеет реактивный характер, препятствует изменению тока в коммутирующей секции, ведет к замедленной коммутации

При применении добавочных полюсов в случае, когда удается компенсировать влияние реактивной ЭДС, создавая в зоне коммутации магнитное поле, вызывающее такую e_к, чтобы e_р+ e_к=0, получают линейную коммутацию. Для этого в генераторном режиме работы полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как у следующих по направлению вращения главных полюсов. Действие добавочных полюсов одинаково при изменении нагрузки от 0 до номинального тока, так как они включены последовательно с обмотками главных полюсов. Если н.с. F_д добавочных полюсов больше требуемой величины (1,15…1,3 F_a), то e_к > e_р, ток i_Д направлен встречено току i, поэтому ток в коммутирующей секции достигает нуля раньше времени Т_к/2. Коммутация становится ускоренной, что вызывает увеличение плотности тока под набегающим краем щетки и увеличивает опасность возникновения искрения (рис.4.2,в).