6. Электромеханический преобразователь постоянного тока

Рассмотрим процесс электромеханического преобразования энергии в одном из видов электрической машины постоянного тока, а именно: в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением.

6.1. Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением

Необходимым условием процесса преобразования энергии является протекание переменных токов хотя бы по части обмоток машины. В двигателе постоянного тока это условие выполняется работой коллектора, коммутирующего постоянный ток, поступающий от источника питания, с частотой ω_эл, равный угловой скорости вращения ротора. Таким образом, с точки зрения протекания внутренних процессов двигатель постоянного тока является машиной переменного тока, а, следовательно, его моделью является обобщенная электрическая машина (рис. 6.1, а).

a б

Рис.6.1. Двухфазная модель двигателя постоянного тока c независимым возбуждением в осях , , d, q (а) и в осях , (б)

Обмотка статора по оси β включена на постоянное напряжение U_в. Обмотки ротора 2 d и 2q получают питание от преобразователя частоты ПЧ, осуществляющего коммутацию токов i_2d и i_2q в функции угла поворота φ_эл с частотой ω_эл. Если коммутация осуществляется механическим коммутатором-коллектором, то мы имеем обобщенную электрическую модель двигателя постоянного тока. В случае применения в качестве ПЧ вентильного преобразователя частоты, мы имеем модель вентильного двигателя.

МДС статора неподвижна в пространстве; она создается током возбуждения i_в= i_1β, а ее направление соответствует направлению оси β. Соответственно и МДС ротора при его вращении со скоростью ω должна быть неподвижна относительно статора, что возможно лишь при условии вращения МДС ротора против его вращения со скоростью ω. Это условие выполняется, если обмотки ротора обтекаются токами, изменяющимися по законам:

(6.1)

МДС ротора в этом случае неподвижна относительно статора, поэтому для математического описания динамических процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока целесообразно использовать формулы прямого преобразования координат обобщенной машины: α, β, d, q -› α, β (ω_к=0). Для роторных переменных они имеют вид:

(6.2)

Подставив u=α, v=β, , получим:

(6.3)

(6.4)

Следовательно, в осях α, β действительным переменным токам обмотки ротора эквивалентна одна якорная обмотка, ось которой совпадает с осью α и которая обтекается постоянным током i_я. В реальной машине по оси α расположены также обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка. Поэтому модель двигателя постоянного тока в осях α, β будет иметь вид (рис. 6.1, б).

6.2. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Уравнения электромеханической характеристики в осях α, β имеют вид:

(6.5)

Обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка в процессе электромеханического преобразования энергии не участвуют. Компенсационная обмотка (КО) компенсирует МДС поперечной реакции якоря, а обмотка дополнительных полюсов (ДП) создает в зоне коммутации тока в проводниках обмотки якоря магнитное поле такой величины и направления, при которых процесс коммутации протекает благоприятно.

Выражения для потокосцеплений имеют вид:

(6.6)

L_в–индуктивность обмотки возбуждения;

L_я_Σ –суммарная индуктивность рассеяния обмоток якоря (ОЯ), демпфирующей (ДО) и компенсационной обмотки (КО), так как основная МДС обмотки ОЯ компенсируется по оси α МДС обмотки КО;

R_я_Σ –сопротивление, включающее в себя все сопротивления якорной цепи машины.

Подставив выражения для потокосцеплений (6.6) в систему уравнений (6.5), получим: