1691 Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра электрооборудования

А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров

Исследование генератора постоянного тока

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 3 по дисциплине

"Электрические машины"

Для студентов специальности 140610

"Электрооборудование и электрохозяйство предприятий,

организаций и учреждений"

Липецк 2007

УДК 621.31 (07)

Ш 835

Шпиганович А.Н. Исследование генератора постоянного тока [Текст]: методические указания к лабораторной работе №3 по дисциплине "Электрические машины"/А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 37 с.

Методические указания предназначены для студентов 2 и 3 курса очной и 4 курса очно–заочной и заочной форм обучения специальности 140610 "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений"

Табл. 3. Ил. 37. Библиогр.: 6 назв.

Рецензент Зацепин Е.П. канд. техн. наук, доцент

© А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров, 2007

© ГОУ ВПО "Липецкий государственный

технический университет, 2007

Исследование генератора постоянного тока

Цель работы – изучение характеристик генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

1. Оборудование и приборы

Исследуется генератор со следующими параметрами: номинальная мощность Р_н = 0,37 кВт; номинальное напряжение U_н = 110 В; номинальное напряжение возбуждения U_в1 =110 В; номинальная частота вращения якоря n_н =1500 об/мин , номинальный ток возбуждения 0,5 А.

Г енератор установлен внутри стенда и приводится во вращение асинхронным двигателем, который запускается кнопкой «Включение к сети синхронной и асинхронной машин». Обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного напряжения кнопкой «Возбуждение синхронной машины и генератора постоянного тока». Изменение напряжения возбуждения осуществляется ручкой «Регулировка», расположенной рядом с кнопкой. Кнопки и ручка находятся на панели «Синхронная машина».

На панель «Машины постоянного тока» выведена ручка реостата регулировки сопротивления цепи возбуждения генератора. Здесь же находится переключатель «Нагрузка генератора».

В правой части горизонтальной панели стенда находится мнемосхема, на которой с помощью вилок-перемычек собирают необходимую схему. Измерительные приборы находятся в верхней части вертикальной панели и снабжены соответствующими надписями.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Ознакомиться с оборудование и приборами на стенде, записать их паспортные данные.

2.2. Собрать схему генератора с независимым возбуждением (рис.1.1).

2.3. Перед началом работы необходимо размагнитить магнитную цепь генератора. Для этого следует гнездо (+110 В) соединить с правым гнездом возбуждения генератора, гнездо (-110 В) с левым гнездом обмоток возбуждения. Ручку реостата цепи возбуждения повернуть против часовой стрелки до упора. Включить стенд, запустить приводной двигатель, включить возбуждение. Увеличивая ток возбуждения, добиться снижения напряжения якоря генератора до нуля. Выключить стенд и восстановить схему генератора.

2.4. Снять характеристику холостого хода E = f (I_в) при увеличении тока возбуждения от 0 до максимального значения (0,5 - 0,6 А) и при снижении тока возбуждения от максимального значения до нуля. Для этого переключатель «Нагрузка генератора» установить в положение 1 (нагрузка отключена), включить стенд, запустить приводной двигатель, повернуть ручку «Регулировка» напряжения возбуждения против часовой стрелки до упора и включить возбуждение. Ток возбуждения измерять амперметром PA1, эдс якоря вольтметром PV1. Данные записать в табл.2.1.

Таблица 2.1

Ветвь характеристики	Восходящая	Нисходящая
E, В
Iв , А

2.5. Снять внешнюю характеристику генератора U = f (I_я) при номинальном токе возбуждения. Для этого включить стенд, запустить приводной двигатель, включить возбуждение и установить номинальный ток возбуждения. По амперметру PA2 и вольтметру PV1 определить ток якоря и напряжение соответственно при различных положениях переключателя «Нагрузка генератора». Данные записать в табл.2.2.

Таблица 2.2

U, В
Iя, А

2.6. Снять регулировочную характеристику генератора I_в= f (I_я) при напряжении U =70-90 В (по заданию преподавателя). Для этого включить стенд, запустить приводной двигатель, включить возбуждение и установить ток возбуждения, при котором напряжение якоря соответствует заданному. Изменяя нагрузку генератора, изменять ток возбуждения таким образом, чтобы U = const.Измеренные значения тока якоря и тока возбуждения записать в табл.2.3.

Таблица 2.3

Iя
Iв

3. Обработка результатов и их анализ

3.1. По результатам измерений построить графики характеристик.

3.2. Вычислить изменение напряжения генератора при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке:

U = (U₀ - U_н / U_н ) 100 % ,

где U₀ - напряжение генератора на холостом ходу.

3.3. Объяснить и проанализировать все полученные результаты.

4. Материал для самоподготовки

4.1. Общие сведения о машинах постоянного тока

Схема машины постоянного тока показана на рис. 4.1. Обмотка якоря 2 расположена на роторе и представляет собой замкнутую многофазную обмотку, подключенную к коллектору, состоящему из коллекторных пластин 3, изолированных друг от друга, и щеток А и В. Коллектор связывает обмотку якоря с внешней цепью нагрузки при работе машины генератором или с сетью питания при работе двигателем. Обмотка возбуждения располагается на полюсах статора и присоединяется к независимому источнику постоянного тока или к якорю. Магнитный поток возбуждения Ф_в этой обмотки неподвижен в пространстве.

П ри вращении обмотки якоря в неподвижном магнитном поле в ней индуцируется ЭДС с частотой

.

где р – число пар полюсов; n – частота вращения вала двигателя.

Коллектор осуществляет согласование частоты f₂ с частотой сети постоянного тока f₁=0, т.е. преобразует переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную ЭДС между щетками А и В коллектора, и во внешней цепи протекает постоянный ток.

При холостом ходе машины магнитный поток создается только обмоткой возбуждения. При работе машины под нагрузкой обмотка якоря создает свой магнитный поток. Реакция якоря машины постоянного тока - воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле машины. В результате реакции якоря магнитное поле машины искажается, что ведет к искрению под щетками. Кроме того, под действием реакции якоря магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС по сравнению с ее значением при холостом ходе. Для исключения этого явления делают некоторые изменения в конструкции машины, однако самой действенной мерой является применение компенсационной обмотки, которая располагается в пазах главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря таким образом, чтобы ее намагничивающая сила была направлена встречно с намагничивающей силой якоря и компенсировала ее действие. Компенсационная обмотка применяется в машинах средней и большой мощности.

4.1.1. Генераторы постоянного тока. Свойства генераторов зависят от способа питания их обмоток возбуждения, и в зависимости от этого они подразделяются на группы: генераторы последовательного, параллельного и смешанного возбуждений (рис. 4.2).

4 .1.2. Двигатели постоянного тока. Свойства двигателей, как и генераторов, различаются в зависимости от способа включения обмотки возбуждения. Применяются двигатели с последовательным возбуждением, с параллельным возбуждением, со смешанным возбуждением. Одними из чаще всего применяемых типов двигателей постоянного тока являются двигатели серии 4П. Они различаются: по регулировочным свойствам - с нормальным регулированием частоты вращения: до 1-5; с широким регулированием - до 1-1000; тяжелым условиям эксплуатации (УХЛЗ и М8), соответствующим работе во вспомогательных механизмах металлургического производства и др. Для большинства двигателей номинальное напряжение - 110 и 220 В, диапазон частот вращения 750-4000 об/мин.

4.1.3. Микромашины. Примером микромашин могут служить универсальные коллекторные двигатели, которые широко применяются в устройствах автоматики и в бытовых машинах. Питание двигателей может осуществляться как от источников переменного однофазного тока, так и от источников постоянного тока. По принципу устройства двигатель сходен с двигателем последовательного возбуждения. Отличие заключается в конструкции магнитной системы и в том, что катушки его обмотки возбуж дения состоят из двух секций с промежуточными выводами (рис. 4.3). Секционирование обмотки делается потому, что при работе на переменном токе из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении обмоток частота вращения двигателя оказывается меньше, чем на постоянном токе. Для выравнивания скоростей при работе на постоянном токе включаются все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе только часть их.

4.2. Двигатели постоянного тока

4.2.1. Общие сведения о двигателях постоянного тока Назначение: двигатели постоянного тока в основном используются в приводах, требующих регулирования скорости вращения в широком диапазоне. Двигатели имеют большой пусковой момент и могут быть выполнены практически на любую допустимую по механическим соображениям скорость вращения. Их достоинством является возможность экономичного и плавного регулирования.

Недостатки двигателя постоянного тока по сравнению с другими типами двигателей связаны с применением коллектора. Искрение, сопровождаемое подгоранием коллектора, и непостоянство щеточного контакта приводит к нестабильности характеристик и является источником радиопомех. Щеточная пыль загрязняет двигатель, что требует систематического ухода. В системах автоматического регулирования микродвигатели постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей.

Области применения. Первыми электрическими машинами были машины постоянного тока. Однако изобретенные М. О. Доливо-Добровольским асинхронные двигатели оказались проще, дешевле и надежнее в работе, поэтому асинхронные двигатели получили преимущественное распространение. Двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ, благодаря которым они сохранили свое значение в автоматике, некоторых областях промышленности и на транспорте. Основным достоинством этих двигателей является возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах. Микромашины постоянного тока широко используются в системах автоматики в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Двигатели постоянного тока находят применение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых, подъемно-транспортных и других механизмах. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки, электрохимических низковольтных установок, а также в качестве возбудителей синхронных машин.

4 .2.2. Устройство. На рис. 4.4 представлена схема двухполюсной машины постоянного тока. Магнитный поток создается обмотками возбуждения 1, которые представляют собой катушки, надетые на полюсы 2, набранные из листовой электротехнической стали. Полюсы крепятся к магнитопроводящему ярму 3. Другая сторона полюсов заканчивается полюсными наконечниками 4, между которыми находится вращающийся якорь 5. Полюсы представляют собой пакет, набранный из листов электротехнической стали. У микромашин часто полюсы и ярмо штампуются как одно целое из одного листа. В пазах 6 якоря заложены проводники якорной обмотки. Якорь имеет цилиндрическую форму и набран из штампованных листов электротехнической стали. Между полюсными наконечниками и якорем имеется воздушный зазор, величина которого обычно имеет значение от долей миллиметра до нескольких миллиметров. На рис. 4.5 показано устройство микромашины постоянного тока, которая обычно имеет закрытое исполнение.

4 .2.3. Обмотка якоря. Основные сведения. В машинах постоянного тока применяется двухслойная обмотка, у которой одна активная сторона каждого витка закладывается в верхнем слое одного паза, другая — в нижнем слое паза, отстоящего от первого приблизительно на расстоянии полюсного деления τ (рис. 4.5.). Таким образом, в каждом пазу имеется два слоя обмотки, отсюда и название: двухслойная обмотка. Основные составные части машины постоянного тока: 1 - подшипниковые щиты; 2-щетки; 3 - катушка обмотки возбуждения; 4 - корпус; 5 - полюс; 6 - вал; 7 - сердечник якоря; 8 - полюсный наконечник; 9 - обмотка якоря; 10 - коллектор; 11 - подшипник.

Ч асть обмотки, состоящая из одного или нескольких витков между двумя коллекторными пластинами, следующими друг за другом по схеме обмотки, называется секцией. Концы секций припаиваются к коллекторным пластинам таким образом, чтобы к концу одной секции присоединялось начало следующей. В результате вся обмотка будет состоять из последовательно соединенных секций.

В машинах, мощность которых превышает 0,6 кВт, секции обмотки обычно изготовляются с помощью шаблона. Для этого необходимо, чтобы все секции из верхнего слоя паза шли в нижний слой одного паза (рис. 4.7, а), такая обмотка называется равносекционной. При несоблюдении этого условия обмотка называется ступенчатой (рис. 4.7, б). В микромашинах обмотка закладывается через прорези в пазах якоря. Такая обмотка называется всыпной. Две стороны разных секций, располагающиеся одна над другой в верхнем и нижнем слоях, образуют элементарный паз.

Часто действительные пазы якоря выполняют таким образом, чтобы в них помещалось несколько элементарных пазов (рис. 4.8.). Расстояние, на котором располагаются активные проводники в порядке их следования по схеме обмотки, называются шагами обмотки. Расстояние между первым и вторым активными проводниками одной секции называется первым частичным шагом обмотки и обозначается y₁. Расстояние между вторым активным проводником секции и первым активным проводником следующей по схеме обмотки секции называется вторым частичным шагом и обозначается у₂.

Расстояние между первыми активными сторонами следующих друг за другом по схеме обмотки секций называется результирующим, или полным шагом обмотки и обозначается у. Полный шаг обмотки получается в результате прохождения первого и второго частичных шагов. Первый частичный, второй частичный и результирующий шаги обмотки измеряются числом элементарных пазов. Расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединяются стороны одной секции, называется шагом обмотки по коллектору или коллекторным шагом и обозначается у_к. Коллекторный шаг у_к измеряется числом коллекторных пластин.

Ч исло коллекторных пластин всей обмотки обычно обозначается буквой К, число секций - S и число элементарных пазов - Z_э. В обмотках постоянного тока соблюдается равенство

K=S=Z_э.

4.2.4. Схемы и способы регулирование скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Схема регулирования скорости вращения «генератор - двигатель». Для регулирования скорости вращения применяют специальные схемы питания двигателя. В случае, когда, двигатель питают отдельным генератором, удобно соединить якори обеих машин накоротко (рис. 4.10). Такая схема называется «генератор - двигатель». С одним концом вала приводного двигателя (дизельного, синхронного или асинхронного) соединен генератор постоянного тока Г, с другим - возбудитель В, который питает обмотки возбуждения генератора Г и двигателя постоянного тока Д. Вал двигателя Д соединен с валом исполнительного механизма ИМ.

Изменяя сопротивления регулировочных реостатов генератора (r_вг) и двигателя (r_вд), можно экономично изменять скорость вращения двигателя в широких пределах, зависящих от величины нагрузки. В среднем диапазон регулирования скорости вращения можно считать равным 1:10. Изменяя при помощи переключателя П полярность на якорях машины, можно изменять направление вращения двигателя. Часто для сглаживания пиков и толчков нагрузки на вал приводного двигателя ПД насаживают маховик М, который запасает энергию и отдает ее при резком переходе к большим нагрузкам. Сглаживающее действие маховика настолько велико, что мощность приводного двигателя ПД в некоторых случаях может быть меньше мощности двигателя Д. Это, например, практикуется в приводах к прокатным станам. Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика представляет зависимость скорости вращения n от тока I_в возбуждения в случае, если ток I_а якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(I_в) при I_a=const и U=const.

Д о тех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяется пропорционально току возбуждения I_в. В этом случае регулировочная характеристика является гиперболической. По мере насыщения при больших токах I_в характеристика приближается к линейной (рис. 4.11). При малых значениях тока I_в скорость вращения резко возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждения двигателя (I_в = 0) с параллельным возбуждением скорость его вращения достигает недопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос». Исключение могут составлять микродвигатели, которые имеют относительно большой момент М₀ холостого хода.

В двигателях последовательного возбуждения I_в = I_а. При малых нагрузках ток якоря I_а мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому пуск и работа при малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущем случае, могут составлять исключение. Современные способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока. Принципы регулирования частоты вращения в двигательном режиме реализуются в четырех основных способах регулирования:

- реостатно-контакторное регулирование;

- регулирование по системе «генератор - двигатель»;

- регулирование по системе «управляемый выпрямитель - двигатель»;

- импульсное регулирование.

Подробно эти способы регулирования исследуются в курсах электропривода и теории автоматического регулирования. Здесь же будут рассмотрены только основные положения, имеющие непосредственное отношение к теории электрических машин. Реостатно-контакторное регулирование. В настоящее время это управление широко применяется для регулирования частоты вращения двигателей малой и средней мощности, а иногда (на железнодорожном транспорте) и для мощных двигателей.

О бычно при реостатно-контакторном управлении используются два метода регулирования:

- при частотах вращения, меньших номинальной, в цепь якоря включают дополнительные сопротивления;

- при повышенных частотах вращения изменяют ток возбуждения генератора.

Машины малой мощности при отсутствии автоматизированного управления имеют два ползунковых регулировочных реостата, один из которых включен в цепь якоря, а другой - в цепь возбуждения. При больших мощностях, а также при необходимости автоматизации процесса сопротивления изменяют ступенчато (рис. 4.12) с помощью контакторов. Если требуется точное регулирование, то контакторов должно быть очень много, вся установка становится громоздкой, дорогой и сравнительно малонадежной. Реостатно-контакторная система при двигателях с параллельным возбуждением позволяет в зоне высоких частот вращения осуществлять рекуперативное торможение путем увеличения тока возбуждения. В зоне низких частот вращения применяют реостатное торможение, причем регулирование тормозного усилия осуществляют с помощью той же реостатно-контакторной установки, которая регулирует двигательный режим, после соответствующего переключения схемы. В связи со сложностью автоматизации и большими расходами на ремонт и эксплуатацию реостатно-контакторное управление в настоящее время постепенно заменяют более совершенными системами управления.

Регулирование по системе «генератор-двигатель». В этой установке (рис. 4.13) двигатель Д получает питание от автономного генератора Г с независимым возбуждением, который приводится во вращение каким-либо первичным двигателем ПД (например, электродвигателем, дизелем) Регулирование частоты вращения осуществляют изменением:

- напряжения на якоре двигателя путем изменения тока возбуждения генератора I_Г;

- магнитного потока двигателя путем регулирования тока возбуждения двигателя I_в._д.

П уск в ход и получение низких частот вращения производят при максимальном токе возбуждения двигателя, но при уменьшенном токе возбуждения генератора, т. е. при пониженном напряжении. Ослабление магнитного потока двигателя (уменьшение его тока возбуждения) производят только после того, как исчерпана возможность повышения напряжения, т. е. когда установлен максимальный ток возбуждения генератора. Изменение направления вращения двигателя производят переменой полярности подводимого к якорю напряжения, для чего меняют направление тока в обмотке возбуждения генератора.

Система «генератор - двигатель» выгодно отличается тем, что в ней отсутствуют силовые контакторы, реостаты и т. п. Управление легко поддается автоматизации, так как осуществляется путем регулирования сравнительно небольших токов возбуждения.

Установки типа «генератор - двигатель» широко распространены в промышленности и на транспорте, в тех устройствах, где требуется регулирование частоты вращения в широких пределах. В транспортных установках генератор приводится во вращение дизелем, в промышленности — трехфазным синхронным или асинхронным двигателем. Систему «генератор — двигатель» широко применяют в металлургической промышленности для привода прокатных станов с двигателями мощностью 10 МВт и более при диапазоне регулирования частоты вращения 1 : 200 и точности поддержания заданной частоты вращения (погрешности) менее 1%.

В рассматриваемой системе уменьшение частоты вращения производят с использованием рекуперативного торможения: сначала увеличивая ток возбуждения двигателя, а затем, постепенно уменьшая ток возбуждения генератора, можно перевести двигатель в генераторный режим и быстро затормозить механизм. При этом накопленная кинетическая энергия якоря и механизма отдается в электрическую сеть.

Е сли нагрузка толчкообразная, то иногда на валу первичного двигателя, вращающего генератор, ставят маховик, который уменьшает перегрузки первичного двигателя. Недостатки системы «генератор - двигатель» - большие масса, габариты, высокая стоимость установки; сравнительно низкий КПД (примерно 0,6-0,7), так как производится трехкратное преобразование энергии.

В последнее время на транспорте (в тепловозах, больших автомобилях, кораблях) вместо генератора постоянного тока в системе «генератор — двигатель» применяют синхронный генератор с полупроводниковым выпрямителем. Это позволяет снизить массу и уменьшить стоимость генератора. В промышленных установках такое усовершенствование обычно не применяется, так как для рекуперативного торможения требуется управляемый выпрямитель-инвертор, в связи с чем выгоднее перейти к схеме «управляемый выпрямитель - двигатель», исключив генератор и первичный двигатель.

Регулирование по системе «управляемый выпрямитель-двигатель». Развитие полупроводниковой техники позволило применить для регулирования частоты вращения двигателя управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах, где одновременно с выпрямлением производится регулирование выпрямленного напряжения (рис. 4.15). Применение системы «управляемый выпрямитель - двигатель» позволяет увеличить КПД и уменьшить массу установки. Если требуется быстрая остановка механизма с последующим реверсированием, то для рекуперативного торможения параллельно с выпрямителем ставят инвертор, т. е. еще один полупроводниковый преобразователь, позволяющий отдавать энергию от машины постоянного тока в сеть переменного тока.

Н едостаток системы «управляемый выпрямитель - двигатель» - низкий коэффициент мощности при пониженном выходном напряжении. Кроме того, из-за пульсаций напряжения возникают пульсации тока, что ухудшает работу двигателя: возрастают потери, ухудшается коммутация и т. д. Особенно велики пульсации тока при питании от сети однофазного тока (в электровозах переменного тока), где обеспечение удовлетворительной коммутации - серьезная проблема.

Импульсное регулирование частоты вращения. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники широко применяют импульсный метод регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, при котором на двигатель с помощью импульсного прерывателя периодически подают импульсы напряжения определенной частоты.

Импульсный преобразователь (рис. 4.16,а) состоит из входного фильтра LС, электронного ключа ТК (транзисторного или тири-сторного), обратного диода Д и индуктивности L. В период времени t, когда электронный ключ замкнут (транзистор или тиристор открыт), питающее напряжение U подается полностью на якорь двигателя, и его ток i_a увеличивается (рис. 4.16, б); когда электронный ключ разомкнут (транзистор или тиристор заперт), ток i_a продолжает проходить через якорь двигателя и обратный диод Д под действием электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях (L_a + L) цепи якоря; при этом ток i_a уменьшается. Частоты следования импульсов при номинальном режиме обычно составляет 200-400 Гц, вследствие чего период Т примерно на два порядка меньше постоянной времени цепи якоря. Поэтому за время импульса т ток в двигателе не успевает значительно возрасти, а за время паузы (Т) -уменьшиться.

Среднее напряжение, подаваемое на обмотку якоря, где L_a + L - индуктивность цепи якоря двигателя. Если параметры схемы выбраны так, что пульсация тока не превосходит 5-10%, то работа двигателя обычно удовлетворительна. Скоростные и механические характеристики двигателя 1, 2 и 3, полученные при различных коэффициентах регулирования а в таком режиме работы аналогичны соответствующим характеристикам двигателя при изменении питающего напряжения U. При уменьшении нагрузки двигателя с параллельным возбуждением возрастают пульсации тока якоря, и при некоторой критической нагрузке наступает режим прерывистых токов. Поскольку I_а = 0 при E=U, частота вращения при идеальном холостом ходе ω₀=n/(с_еФ) не зависит от времени t, т. е. от коэффициента регулирования напряжения α. Благодаря этому при некоторой критической частоте вращения n_кр, когда двигатель переходит в режим изменения тока при работе импульсного прерывателя определяется по приближенной формуле:

. (4.1)

В настоящее время импульсное регулирование двигателей малой мощности и микродвигателей осуществляется с помощью импульсных прерывателей, в которых коммутирующими элементами являются транзисторы. Для регулирования двигателей средней и большой мощностей применяются прерыватели с тиристорами. Так как тиристор, в отличие от транзистора, не полностью управляемый вентиль, то для его запирания применяются различные схемы искусственной коммутации, обеспечивающие прерывание проходящего тока путем подачи на его электроды обратного напряжения. Торможение при импульсном регулировании. При работе двигателя от импульсного прерывателя возможны его рекуперативное и динамическое торможения. Наиболее интересная особенность рекуперативного торможения при импульсном регулировании - возможность осуществления его при ЭДС двигателя, меньшей напряжения сети. В связи с этим рекуперативное торможение может осуществляться почти до полной остановки.

При рекуперативном торможении импульсный прерыватель ИП включают параллельно якорю двигателя, диод Д - между якорем и питающей сетью (рис. 4.17, а). При отпирании прерывателя ИП якорь машины вместе с индуктивностью L замыкается накоротко. При этом увеличивается ток i_a и накапливается электромагнитная энергия в индуктивностях (L + L_a), а возникающая ЭДС самоиндукции e_L уравновешивает ЭДС машины Е (рис. 4.17, б). При запирании прерывателя ИП ток i_a под действием ЭДС самоиндукции проходит через диод Д и накопленная энергия отдается в сеть. Среднее значение тока, отдаваемого в сеть, определяется разностью между средней ЭДС якоря Е и напряжением сети U.

С ледовательно, при уменьшении частоты вращения якоря ток I_а, отдаваемый в сеть, уменьшается, хотя может оставаться постоянным, а, следовательно, и тормозящий электромагнитный момент. По мере снижения частоты вращения ω и ЭДС Е для поддержания требуемого значения тока I_а увеличивают частоту тока при частотно-импульсном регулировании или длительность импульса t при широтно-импульсном. При малой частоте вращения, когда α растет до единицы, якорь машины остается все время замкнутым накоротко и отдача энергии в сеть прекращается. Однако ток I_а проходит через якорь, и режим торможения осуществляется практически до полной остановки. Динамическое торможение осуществляется аналогично, однако в схеме вместо сети и фильтра С_ф включается реостат, в котором гасится энергия, отдаваемая машиной. Импульсное регулирование широко применяется при питании двигателей от сети постоянного тока, а также в автономных устройствах, где необходимо использовать аккумуляторы электрической энергии.

В схеме «управляемый выпрямитель - двигатель» и при импульсном регулировании в цепи якоря находится быстродействующий регулятор напряжения, благодаря чему могут быть существенно улучшены переходные процессы в двигателе, возникающие при резких колебаниях нагрузки, напряжения питающей сети и по другим причинам.

4.2.5. Механические характеристики двигателей. Механические характеристики n=f(M), показывающие связь между частотой вращения и моментом - основные характеристики двигателей.

M = c_MФI_a = c_Mk_ФI_a² = k₂I_a². (4.2)

В двигателе с параллельным возбуждением уравнение скоростной характеристики можно легко преобразовать в уравнение механической характеристики: т. е. скоростная характеристика превращается в механическую путем изменения масштаба по оси абсцисс (рис. 4.18, кривая 1).

С равнение механических характеристик, показывает, что при изменении момента сопротивления на валу двигателя параллельного возбуждения со значения M₁ до М₂ скорость двигателя меняется незначительно. Такая характеристика называется жесткой. У двигателя с последовательным возбуждением при таком же изменении нагрузки на валу (от M₁ до М₂) скорость изменяется значительно - примерно в 1,5 раза. Такую характеристику называют мягкой.

Вид механической характеристики определяет устойчивость работы двигателя под нагрузкой. Анализ устойчивости работы проводят исходя из уравнения механики о равенстве моментов, приложенных к валу:

М_с=Jdω/dt,

где М_с - статический момент нагрузки (учитывающий внутренние силы торможения); J - момент инерции вращающихся масс;

На рис. 4.19 показаны типичные зависимости статического момента от угловой скорости:

. (4.3)

- кривая 1- увеличение момента с увеличением скорости; типично для вентиляторов, насосов;

- кривая 2 - уменьшение момента с увеличением скорости; типично для транспортеров, бетономешалок, прокатных станов;

- кривая 3 - момент почти не зависит от скорости; типично для грузоподъемных механизмов, тяговых двигателей.

Исследуем устойчивость работы двигателя параллельного возбуждения при постоянном статическом моменте. Этот режим соответствует точке пересечения механической характеристики двигателя с кривой статического момента. Пусть на двигатель, работающий в точке А (рис.4.20), подействовала какая-то кратковременная сила, приведшая к небольшому снижению скорости. При этом вращающий момент двигателя возрастает и возникает избыточный ускоряющий момент М_А, который приводит к увеличению скорости

∆M_l = M - M_А= Jdω/dt. (4.3)

вследствие чего устанавливается исходный режим, соответствующий точке А. Если кратковременная внешняя сила увеличивает скорость двигателя, то электромагнитный момент становится меньше статического, вследствие чего ротор замедляет вращение и возвращается в исходную точку А. Таким образом, работа двигателя в точке А устойчива: случайные причины, вызывающие небольшие отклонения от установившегося режима, не вызывают больших изменений в режиме работы, и после того, как эти причины исчезают, двигатель сам возвращается в исходный режим.

Аналогично считая, что имеются кратковременные небольшие возмущения, можно доказать, что двигатель с параллельным возбуждением, имеющий падающую механическую характеристику, работает устойчиво и при других типичных нагрузках.