22. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока

ДПТ имеют две обмотки: обмотку возбуждения и обмотку управления. При этом напряжение управления может подаваться либо на обмотку якоря, либо на обмотку возбуждения. Поэтому различают якорное и полюсное управление.

1 Якорное управление двигателем

Напряжение возбуждения подается на обмотку полюсов, напряжение управления - на обмотку якоря. Коэффициент сигнала a здесь равен a = Uу/Uв. Для двигателей с постоянными магнитами a = Uу/Uу.ном. Регулирование частоты вращения осуществляется изменением напряжения управления.

При отсутствии насыщения Фв= kфUв, а поскольку Uв = const, магнитный поток возбуждения также остается постоянным, т.е. Фв = const.

Ток якоря:

где Е = с_еФ_вn = с_еk_фU_вn – ЭДС якоря; r_а- сопротивление якорной цепи.

Вращающий момент двигателя

Выразим момент в относительных единицах, приняв за базовый момент пусковой момент, развиваемый двигателем при n = 0 и a = 1

Тогда относительное значение момента m = M/M_б

(1.1)

Частота вращения при холостом ходе (m = 0 и a = 1)

(1.2)

Откуда находим cеkф= 1/nо. Подставляя это значение в (1.1), получим

(1.3)

где n = n/nо- относительная частота вращения двигателя.

(1.4)

Уравнение (1.3) есть уравнение механической характеристики исполнительного двигателя при якорном управлении. Решив его относительно n, получим уравнение регулировочной характеристики

Механическая мощность в относительных единицах р_мх = mn = n(a - n). Угловую скорость, при которой наступает максимум мощности, найдем известным приемом (dp_мх/dn = 0), откуда n_м= a/2, а максимальное значение механической мощности будет

Мощность управления

Приняв за базовую единицу мощность управления при коротком замыкании Р_у.к (n = О, a = 1)

получим мощность управления в относительных единицах

Мощность возбуждения

На рис. 1.2,а представлены механические, на рис. 1.2,б - регулировочные характеристики, а на рис. 1.3 показана зависимость р_мх = f(n) исполнительного двигателя. Проанализируем свойства двигателя при якорном способе управления.

Механические характеристикилинейные и параллельные, что означает независимость быстродействия от коэффициента сигнала. Пусковой момент и угловая скорость холостого хода пропорциональны коэффициенту сигнала.

Рис.1.2. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики исполнительного двигателя постоянного тока при якорном управлении

Рис. 1.3. Зависимость механической мощности от скорости вращения при якорном управлении

Регулировочные характеристикилинейные. Напряжение трогания пропорционально моменту нагрузки. Линейность механических и регулировочных характеристик является важным достоинством якорного управления.

Мощность управления резко возрастает с увеличением коэффициента сигнала. Кроме того, она доходит до 95 % полной потребляемой мощности двигателя, поскольку является мощностью якорной цепи, что характерно для двигателей постоянного тока.

В данном случае это является существенным недостатком якорного управления, ибо предполагает наличие мощных и дорогих усилителей.

Мощность возбуждения остается величиной постоянной, независящей ни от коэффициента сигнала, ни от частоты вращения. К тому же - она небольшая по величине, что также характерно для машин постоянного тока.

Максимум механической мощности в сильной степени зависит от коэффициента сигнала и даже при a = 1 не превышает 1/4 базовой мощности.

2. Полюсное управление исполнительным двигателем

Рис. 1.4. Схема включения исполнительного двигателя при полюсном управлении

Схема управления приведена на рис.1.4 Напряжение управления подается на обмотку главных полюсов, напряжение возбуждения - на обмотку якоря, по которой в течение всего времени работы двигателя протекает ток возбуждения. В двигателях, мощностью более 10 Вт, для его ограничения включают дополнительное сопротивление R_д.

Если пренебречь насыщением магнитной цепь, можно считать Ф = k_фU_у = k_фaU_в. Тогда ток якоря

Вращающий момент

Принимая за базовый момент пусковой (n = 0, a =1))

получим относительное значение момента

С учетом (1.2) уравнение механической характеристики примет вид

Решив его относительно n, получим уравнение регулировочной характеристики

Механическая мощность в относительных единицах р_мх= mn = an - a²n². Скорость, при которой наступает максимум мощности n_м = 0,5/a. Тогда максимальная механическая мощность будет

Мощность управления

Мощность возбуждения р_в = U_вI_в. Подставляя значение тока, получим

На рис. 1.5,а представлены механические, на рис. 1.5,б - регулировочные характеристики, двигателя при полюсном управлении.

Рис.2.5. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики двигателя постоянного тока при полюсном управлении

Проанализируем эти графики.

Механические характеристики линейные, но непараллельные, к тому же и неоднозначные (одну и ту же частоту вращения можно получить при разных значениях a). Пусковой момент прямо-, а частота вращения холостого хода обратно пропорциональны коэффициенту сигнала и при малых a может существенно превышать номинальную, что безусловно опасно для двигателя.

Регулировочные характеристики нелинейные, а при m < 0,5 неоднозначные. По этой причине полюсное управление используют лишь при m > 0,5.

Мощность управления пропорциональна квадрату коэффициента сигнала и не зависит от частоты вращения. Она значительно меньше, чем при якорном управлении, что является достоинством данного способа.

Мощность возбуждения с увеличением частоты вращения уменьшается и тем быстрее, чем больше a.

Максимум механической мощности не зависит от коэффициента сигнала, что также можно отнести к достоинствам полюсного управления.

Несмотря на отмеченные достоинства полюсного управления, предпочтение все-таки следует отдать якорному потому, что оно обеспечивает линейные и однозначные характеристики, в принципе исключает самоход (при полюсном он возможен из-за взаимодействия тока якоря с потоком остаточной намагниченности полюсов), обладает более высоким быстродействием, поскольку индуктивность якоря меньше индуктивности обмотки возбуждения.