3.4. Искусственные статические характеристики и режимы работы двигателя с независимым возбуждением

Для управления работой двигателя производятся необходимые изменения параметров и воздействий, определяющих его механические и электромеханические характеристики. В соответствии с (3.9) и (3.10) такими параметрами и воздействиями являются суммарное сопротивление якорной цепи R_я, магнитный поток машины Ф, приложенное к якорной цепи напряжение U_я. Характеристики, соответствующие измененным параметрам двигателя или специальным схемам его включения, принято называть искусственными характеристиками двигателя.

Искусственные характеристики, полученные путем введения добавочных резисторов в цепь якоря, называются реостатными характеристиками двигателя. Схема включения резистора для получения реостатных характеристик представлена на рис.3.5,я. При этом суммарное сопротивлениеякорной цепи увеличивается:

Соответственно ограничивается ток короткого замыкания

и уменьшается модуль жесткости статической механической характеристики

Скорость идеального холостого хода остается неизменной ₀=_0.ном, а между током и моментом, если не учитывать реакцию якоря, сохраняется пропорциональность М=с·I_я, поэтому механические и электромеханические реостатные характеристики двигателя отличаются друг от друга только масштабом по оси абсцисс.

Семейство механических и электромеханических характеристик двигателя для ряда значений R_доб представлено на рис.3.5,б. Введение резисторов в цепь якоря двигателя является простейшим средством ограничения тока при различных переходных процессах и используется для этой цели во всех случаях при питании двигателя от сети.

Как следует из (3.33), увеличение сопротивления якорной цепи R_я влечет за собой относительное снижение влияния реакции якоря на характеристики двигателя, поэтому при расчете реостатных характеристик влиянием реакции якоря можно пренебречь.

И зменение потока двигателя Ф в связи с насыщением его магнитной цепи в номинальном режиме практически возможно в сторону уменьшения потока - ослабления поля двигателя. Уменьшение потока вызывает увеличение скорости идеального холостого хода ₀ и уменьшение момента короткого замыкания М_кз, а ток короткого замыкания при этом не претерпевает изменений. Соответственно модуль статической жесткости механической характеристики уменьшается пропорционально квадрату потока, о чем свидетельствует (3.16). Изложенным объясняется форма статических характеристик двигателя при различных потоках, построенных на рис.3.6 с помощью формул (3.9) и (3.10). При рассмотрении этих характеристик следует иметь в виду, что рабочий участок характеристик двигателя ограничивается его перегрузочной способностью и, как показано на рис.3.6 утолщенными отрезками характеристик, лежит вблизи скорости идеального холостого хода. Нетрудно видеть, что ослабление поля в пределах рабочих нагрузок приводит к увеличению скорости двигателя.

И зменение напряжения, подведенного к якорю двигателя при номинальном потоке, является в регулируемом электроприводе постоянного тока основным управляющим воздействием. Как правило, изменение напряжения U_я возможно только в сторону уменьшения по сравнению с номинальным, причем для мощных двигателей это ограничение является жестким, так как допустимое по условиям работы коллектора повышение напряжения невелико. Ряд двигателей краново-металлургических серий рассчитан на возможную работу с напряжением U_я=2U_ном, однако это является исключением из общего правила. Как следует из (3.10), при изменении U_я пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода двигателя, а жесткость механических характеристик при любом уровне напряжения одинакова, поэтому механические характеристики при U_я=var имеют вид параллельных прямых, показанных на рис.3.7. В отличие от ослабления поля изменение напряжения на якоре позволяет не только изменять скорость, но и ограничивать ток короткого замыкания. Плавное повышение напряжения на якоре от 0 до U_ном обеспечивает наиболее благоприятные условия пуска двигателя.

В представленном на рис.3.7 семействе характеристик определенным своеобразием отличается характеристика, соответствующая U_я=0. Так как энергия к якорной цепи от внешнего источника не подводится, эта характеристика проходит через начало координат и полностью располагается только во втором и четвертом (тормозных) квадрантах. При наличии активной нагрузки, приложенной к валу, якорь двигателя приводится во вращение за счет подведенной со стороны механизма механической мощности. Под действием возрастающей ЭДС двигателя в якорной цепи, замкнутой через источник питания накоротко, начинает протекать ток и машина развивает тормозной момент, противодействующий движущему моменту активной нагрузки. Это режим динамического торможения, в котором двигатель работает генератором на сопротивление якорной цепи. В общем случае, когда сеть имеет нерегулируемое напряжение, т. е. U_с=U_ном=const, для осуществления режима динамического торможения двигатель должен быть отключен от сети и его якорь замкнут на внешний резистор R_доб (рис.3.8,а). Уравнения статических характеристик двигателя при динамическом торможении можно получить, положив в (3.9) и (3.10) U_я=0:

Рис.3.8. Схема включения (а) и характеристики двигателя с независимым возбуждением (б, в)

Увеличение сопротивления якорной цепи R_я из-за введения добавочных сопротивлений R_доб уменьшает жесткость механических характеристик в режиме динамического торможения так же, как и в двигательном режиме. Аналогично изменяется модуль жесткости механических характеристик динамического торможения и при ослаблении поля двигателя. Механические характеристики, соответствующие различным R_доб, представлены на рис.3.8,б, а при ослаблении поля - на рис.3.8,в. Электромеханические характеристики при введении сопротивлений отличаются от механических только масштабом по оси абсцисс, как это и отмечено на рис.3.8,б. При переменном потоке коэффициент пропорциональности между током и моментом для различных характеристик неодинаков, поэтому на рис.3.8,в представлены только механические характеристики, а подобные им по форме электромеханические не показаны.

Используем полученные представления о статических характеристиках двигателя с независимым возбуждением для анализа его режимов работы с энергетической точки зрения. Нэ рис.3.9,а- д изображен ряд возможных схем включения электропривода подъемного механизма с двигателем независимого возбуждения и показаны механические характеристики, позволяющие проанализировать соответствующие режимы работы двигателя.

Для осуществления режима подъема номинального груза Гр со скоростью _пгр двигатель включается по схеме, показанной на рис.3.9,a Установившийся режим подъема определяется на рис.3.9,д естественной механической характеристикой двигателя 1, причем принято, что статический момент при подъеме груза М_сп равен номинальному моменту двигателя М_ном. При этом двигатель работает в двигательном режиме, и для якорной цепи уравнение электрического равновесия можно записать так:

где I_ном=I_{с п}- статический ток при подъеме груза

У множив левую и правую части уравнения на I_ном, получим уравнение баланса мощностей в этом режиме:

здесь U_ном·I_ном - электрическая мощность, потребляемая из сети, часть которой теряется в якорной цепи в виде теплоты (I²_ном·R_я) а основная часть преобразуется в механическую электромагнитную мощность

Для спуска груза со скоростью v_с.гр, близкой к скорости v_n.гр , двигатель включается по той же схеме, но к его якорю подводится напряжение противоположного знака U_я=-U_ном. Естественная характеристика 2, соответствующая этой полярности, и статический момент при спуске груза М_сс определяют на рис.3.9,д рабочую точку М_сс; _сс, которая соответствует генераторному режиму работы Действительно, при этом активный момент М_сс вращает двигатель со скоростью _{с с} по значению большей, чем скорость идеального холостого хода _0ном. Следовательно, ЭДС двигателя больше, чем напряжение сети, и с учетом знаков скорости, напряжения и ЭДС баланс мощностей в этом режиме можно представить так:

Уравнение (3.37) показывает, что механическая мощность, вырабатываемая опускающимся грузом, в основном отдается в сеть, а частично теряется в виде теплоты на сопротивлениях якорной цепи. Это генераторный режим работы параллельно с сетью или режим рекуперативного торможения двигателя

Для получения пониженной скорости спуска груза двигатель может быть включен по схеме, приведенной на рис.3.9,в. Сравнивая ее со схемой рис.3.9,а, можно убедиться, что она соответствует включению двигателя для работы в направлении подъема груза, но в цепь якоря вводится большое добавочное сопротивление R_доб , ,при котором момент короткого замыкания (пусковой момент М_п) меньше, чем активный момент нагрузки при спуске груза М_сс. Как показано на рис.3.9,д такой выбор добавочного сопротивления (характеристика 3) обеспечивает тормозной спуск груза со скоростью '_сс при этом активный движущий момент нагрузки принуждает якорь вращаться в сторону, противоположную заданной приложенным н апряжением, и уравнение баланса мощностей записывается так:

В соответствии с (3.38) потребляемая из сети мощность U_номI_ясс и вырабатываемая вследствие опускания груза механическая мощность М_сс''_cc=E''_сc·I_ясс в этом режиме превращаются в тепловые потери в якорной цепи двигателя. Это генераторный режим работы двигателя последовательно с сетью, чаще называемый режимом торможения противовключением. Сравнивая (3.37) и (3.38), можно видеть, что торможение противовключением является неэкономичным режимом, в котором поступающая с вала механическая мощность не отдается в сеть, а вместе с потребляемой из сети электрической мощностью преобразуется в теплоту, выделяющуюся на сопротивлениях якорной цепи.

По сравнению с режимом противовключения более экономичным тормозным режимом является динамическое торможение двигателя. Этот режим работы рассматриваемой подъемной установки обеспечивается включением двигателя по схеме рис.3.9,г. Выбором добавочного сопротивления R_доб2 можно обеспечить спуск груза с требуемой по условиям технологии скоростью _с определяемой механической характеристикой 4 на рис.3.9,д. Баланс мощностей для режима динамического торможения (U_я=0) имеет вид

Здесь механическая мощность преобразуется в электрическую (М_сс"_с=E''_сс·I_ясс) и выделяется в виде теплоты на сопротивлениях якорной цепи. Более высокая экономичность режима динамического торможения по отношению к режиму торможения противовключением наглядно устанавливается сравнением (3.38) и (3.39). Сравнивая (3.37) с (3.39), можно убедиться в большей экономичности режима рекуперативного торможения, в котором значительная часть механической мощности преобразуется в электрическую мощность, отдаваемую в электрическую сеть, и лишь часть выделяется в виде теплоты в сопротивлениях якорной цепи.