4.8. Регулирование скорости вращения двигателя изменением напряжения на якоре с помощью импульсных регуляторов напряжения

Регулирование напряжения на якоре можно осуществить импульсным методом, периодически подключая двигатель к источнику питания и отключая его. В период отключения двигатель продолжает работать за счёт запасенных кинетической и электромагнитной энергий (рис. 4.18) [1; 2; 14].

Рис. 4.18. Схема включения (а) и механические

Характеристики (б) дпт нв

Рис. 4.19. Графики изменения напряжения и токов

Очевидно, что при подаче напряжения на двигатель ток замыкается по цепи якоря через источник (рис. 4.18, а). Параллельно якорю включается диод VD, который обеспечивает протекание тока по якорю в течение паузы. Ток протекает за счет ЭДС самоиндукции якоря, которая возникает при размыкании цепи. Кроме того, диод помогает избежать перенапряжения на якоре и существенно облегчает режимы коммутации ключа . За счет того, что ток по цепи якоря протекает непрерывно, существенно уменьшаются пульсации тока якоря (рис. 4.19).

Из всех видов импульсного регулирования обычно для управления Д используют широтно-импульсное. Оно характеризуется скважностью импульсов:

.

При этом частота импульсов остаётся постоянной. Среднее напряжение на якоре можем определить так:

.

В результате уравнение механической характеристики запишется следующим образом:

. (4.20)

Из этого выражения видно, что характеристики линейны и параллельны друг другу, а среднюю скорость можно легко регулировать, изменяя скважность импульсов. При этом жесткость достаточно высокая и соответственно высокая стабильность регулирования (рис. 4.18, б).

Недостатком этого метода является то, что при слишком большой паузе ток может уменьшиться до нуля и возникнет режим прерывистых токов, что приводит к нелинейности механических характеристик в заштрихованной области. В этом случае жесткость механических характеристик резко падает. Единственным способом борьбы с этим явлением является повышение частоты коммутации ключа . Она составляет 800-1200 Гц. Увеличению ее препятствует рост потерь в ключе и динамические параметры ключа.

Обычно для реализации этого способа используются тиристорные или транзисторные ключи. При включении Д по схеме представленной на рисунке (4.18, а), он может работать только в первом квадранте ( - режим динамического торможения). Реверсирование Д возможно лишь за счет обмотки возбуждения. В настоящее время разработан ряд схем, позволяющих при импульсном регулировании напряжения обеспечить работу Д во всех четырех квадрантах, осуществлять реверсирование за счет изменения тока в цепи якоря. Этот способ получил широкое распространение в связи с его простотой, малой инерционностью привода. Широкое распространение получил этот метод в маломощных приводах, особенно при использовании автономных источников постоянного тока (аккумуляторов).

4.9. Регулирование скорости вращения двигателя шунтированием якоря

Для получения сравнительно жестких механических характеристик двигателя при низких скоростях вращения часто используют шунтирование якоря резистором , при обязательном включении в цепь якоря добавочного сопротивления . Очевидно, что и образуют делитель напряжения. На работу делителя большое влияние оказывает нагрузка двигателя, поскольку по сопротивлению протекает ток , потребляемый из сети. Следовательно, падение напряжения зависит от . При таком включении двигателя используется совместно два способа регулирования: изменением подводимого к якорю напряжения и изменением сопротивления якорной цепи. За счет использования двух способов регулирования получаем характеристики, которые занимают промежуточное положение между характеристиками, полученными за счет изменения напряжения, и характеристиками, полученными за счет изменения сопротивления в цепи якоря [1; 2]. Запишем уравнения, описывающие данную схему (рис. 4.20):

Рис. 4.20. Схема включения ДПТ НВ

,

,

.

Найдем из этих выражений ЭДС :

.

В этом выражении заменим - коэффициент деления делителя напряжения при идеальном холостом ходе двигателя. Разделим обе части этого выражения на и получим уравнения электромеханической и механической характеристик:

,

. (4.21)

Как видим, и электромеханические, и механические характеристики линейны при =const. Построим эти характеристики (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Механические характеристики ДПТ НВ

1 – естественная характеристика;

2 – реостатная характеристика;

3 – характеристика, полученная при шунтировании якоря

Как видно из рис. 4.21, на характеристике 3 меньше скорости идеального холостого хода на естественной характеристике. За счет того, что всегда меньше 1. Благодаря большей жесткости характеристик в данном случае мы имеем возможность получить больший диапазон регулирования (он составляет , в отличие от при реостатном регулировании). Но это регулирование не экономичное, т.к. потери в цепи якоря значительные. Снижение угловой скорости идеального холостого хода объясняется тем, что при отсутствии тока в цепи якоря приложенное к якорю напряжение не будет равно напряжению сети, как это имело место при реостатном регулировании. В этом случае оно меньше напряжения сети на значение падения напряжения на добавочном резисторе, так как через него будет проходить ток и при отсутствии тока в якоре.

Из сопоставления характеристик очевидны преимущества данного метода. Ту же частоту вращения можно получить и при реостатном регулировании (характеристика 2), но при этом будет меньше жесткость характеристики и ниже стабильность регулирования. Учитывая то, что R_ш и мы можем изменять, получаем два различных семейства характеристик.

Первый вариант:

.

В этом случае получим семейство характеристик, показанное на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Семейство характеристик ДПТ НВ, полученных

при

При неизменном сопротивлении шунта изменяем добавочное сопротивление в интервале от 0 до ∞.

Точка - точка пересечения характеристик соответствует режиму, при котором сопротивление последовательного резистора не будет влиять на ток якоря, то есть когда через последовательный резистор не будет проходить ток. Это возможно только при вращении якоря с угловой скоростью большей скорости идеального холостого хода, когда ЭДС якоря полностью уравновешивает приложенное напряжение сети и внутренние потери в цепи якоря:

.

В этом случае двигатель работает в режиме динамического торможения на внешний резистор . Поскольку напряжение на якоре равно напряжению сети, ток якоря:

.

Подставим это значение тока в уравнение ЭДС и, разделив обе части на , получим:

- скорость вращения в точке .

В предельных случаях, при неизменном и переменном , получаются две характеристики. При мы имеем естественную характеристику двигателя. Напряжение, подводимое к якорю, не зависит от сопротивления шунтирующего резистора и не изменяется при изменении тока якоря. Другой крайний случай, когда . Это означает, что двигатель не получает питания от сети и работает в режиме динамического торможения, замыкаясь на . Характеристика в этом случае проходит через начало координат, крутизна зависит от величины . Все остальные характеристики занимают промежуточное положение. Очевидно, что, уменьшая сопротивление шунта, мы получим новое семейство более жестких характеристик, которым соответствуют все те же соотношения.

Второй вариант (рис. 4.23):

Рис. 4.23. Семейство характеристик ДПТ НВ, полученных

при

В этом случае получим семейство механических характеристик, пересекающихся в точке (на рис. 4.23 представлены два семейства R_д2>R_д1). Этой точке соответствует режим, возможный при некотором отрицательном значении скорости двигателя, когда его ЭДС:

.

Очевидно, что в этом случае сопротивление шунтирующего резистора не оказывает влияния на ток якоря. В этом случае ток не проходит через шунтирующий резистор при любом значении сопротивления, так как напряжение на зажимах якоря равно нулю. При этом двигатель потребляет ток . Подставим значение в уравнение ЭДС и, разделив обе части на , перейдем к частоте вращения:

- скорость вращения в точке .

В предельных случаях, при постоянном и изменении , получаются две характеристики. При характеристика параллельна естественной и двигатель работает в режиме динамического торможения, характеристика проходит через начало координат. При мы имеем реостатную характеристику, которая проходит через и точку , с включенным в цепь якоря добавочным резистором . Остальные характеристики занимают промежуточное положение. Увеличив получаем новое семейство характеристик с вершиной в точке .

Как видно, характеристики при данном способе регулирования получаются более жесткими, чем при реостатном регулировании. Но продолжительное использование этого способа нежелательно, так как имеют место большие потери в цепи якоря.