Принципиальная схема включения двигателя параллельного возбуждения представлена на рис. 220. Для пуска используется пусковой реостат (п. Р.). Свойства двигателя определяются его характеристиками.

1.Скоростная характеристика, зависимость ,,

Скоростная характеристика при называется естественной, рис. 221. Если, то характеристика называется реостатной. Так как сопротивление якоря, как правило мало, то с увеличением тока якоря падение напряжения в якорной цепи мало и скорость уменьшается незначительно. Поэтому, естественная характеристика двигателя получается жесткой.

2.Моментная характеристика, зависимость ,. На рис. 221. Представлена моментная характеристика, где

3.Механическая характеристика, зависимость скоростиот момента,.

, определим ток якоря через момент,, откуда, это выражение подставим в исходное уравнение, получим механическую характеристику:,.

М

Рис. 222

еханические характеристики при разных сопротивленияхпредставлены на рис. 222, где, т. е. механическая характеристика притакже жесткая. Это определяет область использования этих двигателей (трансмиссии, вентиляторы, системы ГД для привода станков).

Условия устойчивой работы агрегата, рис. 223. Основное уравнение движения электропривода

.

У

Рис. 223

становившийся процесс, когда,,,

Если,,.

Если ,,.

условием устойчивой работы агрегата является: , точкабудет соответствовать устойчивой работе агрегата, рис. 69

4

224

. Рабочие характеристики, это зависимость, рис. 69.

Р

рис.45

абочие характеристики двигателя – это зависимость потребляемой мощности, тока, кпд, скорости и момента от мощности на валу.

4-6-4-2. Двигатели последовательного возбуждения

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, рис. 225. Ток якоря равен току возбуждения. Поэтому обмотка возбуждения имеет большое сечение и малое число витков. Последовательное соединение обмотки возбуждения является отличительной особенностью этого двигателя и влияет на вид характеристик. С увеличением тока якоря, увеличивается поток, скорость двигателя резко падает, т. е. получается мягкая скоростная характеристика, рис. 226.

1.Скоростная характеристика,. В общем виде, за счет насыщения, не имеет решения. Аналитическое выражение скоростной характеристики можно получить только для ненасыщенной машины, когда, рис. 226.

Момент, при,, т. е. если ток нагрузки возрастает в 2 раза, то момент в 4 раза. Это условие и определяет область применения этих двигателей, т. е. используются там, где при пуске нужен большой пусковой момент (тяговый привод). Скоростная характеристика при, запишется:.

2. Моментная характеристика, ,, при,, рис. 226.

3. Механическая характеристика, . Аналитическое выражение характеристики может быть записано при условии.

, ,, если подставить токв исходное уравнение, получим:,, где.

Общий вид механических характеристик представлен на рис. 27.

Двигатель последовательного возбуждения пойдет на разнос при работе его в холостую. Это может привести к механическим поломкам двигателя. Поэтому, минимальный ток двигателя должен быть не менее .

4-6-3-3. Двигатель смешанного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя представлена на рис. 228. В зависимости от того, какая из обмоток преобладает по потоку, двигатели подразделяются на две разновидности:

1)Двигатель параллельного возбуждения с добавочной, последовательной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к двигателю параллельного возбуждения, рис. 75. Характеристика (1), естественная. Характеристика (2) соответствует встречному включению потоков , при согласном включении,получаем характеристику (3).

2)Двигатель последовательного возбуждения с добавочной параллельной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к характеристикам двигателя последовательного возбуждения. Характеристика 4 - характеристика двигателя последовательного возбуждения, характеристика 5 - характеристика двигателя смешанного возбуждения, при этом, обмотки включаются только согласно. Такая характеристика имеет скорость идеального холостого хода и двигатель не пойдет в разнос при холостом ходе. У такого двигателя частота вращения и момент зависят от двух потоков.

, .

При согласном включении обмоток, при том же токе якоря, можно получить повышенный момент. Такой двигатель используется для тяговых установок и там, где имеются резкие изменения нагрузки.

4-6-4. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

С точки зрения регулирования частоты вращения, двигатель постоянного тока является универсальным. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря, потока и подводимого напряжения. Это видно из формулы: .

4-6-5. Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря.

Уравнения токов до и после введения сопротивления

, , откуда, т. е. токи момент уменьшается () .

При этом и скоростьуменьшается. С уменьшением скороститок якоря возрастает, и он достигнет исходного тока якоря, но при меньшей скорости.

Переходный процесс показан на рис. 230.

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря осуществляется в сторону уменьшения скорости, рис. 231.

Но так как ток якоря протекает по R_р, то увеличиваются общие потери, и снижается кпд. При постоянном токе, за счет увеличения падения напряжения , скорость двигателя уменьшается.

4-6-5-2. Регулирование частоты вращения за счет изменения потока

Ток якоря до и после изменения потока,, их отношение. Уравнение моментов. Уменьшим поток на, т. е.,. Напряжение примем за единицу, тогда.

Ток якоря возрос в 3,3 раза, тогда , тои(возрастает). Переходный процесс представлен на рис. 232.

С увеличением скорости вращения, ток якоря будет уменьшаться, но он будет больше исходного, т. к. уменьшен поток.

При уменьшении потока частота вращения возрастает, рис 233.

Как правило, регулирование частоты вращения изменением потока производят в сторону увеличения. В сторону уменьшения регулирования малоэффективно из-за насыщения магнитной цепи.

4-6-5-3. Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения производится следующими способами:

А) Система генератор-двигатель (Г-Д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д).

В) Широтно-импульсное регулирование.

А) Система Г-Д, рис.234.

Увеличивая ток возбуждения генератора i_вг, возрастает поток Ф_ги Е_г, а следовательно увеличивается напряжение на якоре двигателя и скорость возрастает. Регулирование происходит плавно при малых потерях энергии, рис. 234.

Эта система используется при большой мощности двигателя (подъёмники, прокатные станы, экскаваторы и т.д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель.

В системе Г-Д используется большое число машин, что увеличивает стоимость установки и снижает надежность.

Поэтому в последнее время для регулируемого напряжения все чаще используются статические преобразователи, рис.235.

Увеличивая угол управления - площадь полупериода уменьшается, уменьшается среднее значение напряжения -U_ср, а следовательно уменьшается скорость вращения.

В) Широтно-импульсное регулирование.

И

дея регулирования напряжения подводимого к двигателю заключается в том, что, изменяя длительность подключения двигателя ключом (К) к сети, изменяется среднее значение напряжения, рис. 236. В качестве ключа используются схемы на базе тиристоров или транзисторов.

Изменяя время импульса t_и изменяется скважность ,

где t_и - время импульса;

t_п - время паузы.

С

Рис. 236

реднее значениеU_ср=U₀.

.

Как видим, изменяя среднее значение напряжения, можно регулировать частоту вращения двигателя. Эта система широко используется вместо контактарно-резисторных систем.

4-7. Коммутация в машинах постоянного тока.

При вращении якоря щетка попеременно замыкает секции якоря и в этой секции происходит изменение направления тока. А сама секция передается в другую параллельную ветвь, рис.237. Ток в секции меняется только под щеткой. Дадим определение коммутации:

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую.

Рис. 237.

П

i_a

i_a

Рис. 238

ри коммутации под щетками происходит очень сложный процесс, этот процесс протекает быстро (10^-2 10^-5 сек.) и на него влияет много факторов. Мы будем исходить из классической теории коммутации. Разберем коммутацию в узком смысле, возьмем одну секцию и ширину щетки равную ширине коллекторной пластины.

На рис. 238 еще раз показан процесс коммутации. При положении щетки на пластине (1) ток в секции протекает по часовой стрелке, и секция относится к правой параллельной ветви. Затем при вращении якоря секция щеткой будет закорочена. В конце коммутации щетка будет расположена на пластине (2). Ток в секции сменит направление, и она перейдет в левую параллельную ветвь (показано пунктиром).

Процесс коммутации длится всего тысячные доли секунды. Такое быстрое изменение направления тока вызывает многие неприятности, в частности, искрение на коллекторе.

Искрение гостируется в специальной таблице:

Степень искрения: 1 - отсутствие искрения.

1- слабое точечное искрение под небольшой частью щетки.

1- слабое точечное искрение под большей частью щетки.

2 – искрение под всем краем щетки.

3 – значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных искр.

При нормальной коммутации степень искрения не должна превышать 1.

Искрение определяется не только неудовлетворительной коммутацией, а также определяется механическими причинами, потенциальными неравномерностями. Механическое искрение определяется некачественной щеткой, при плохой обработке и

т. д.

При изучении коммутации будем исходить из двух положений:

1. Будем считать, что контактная поверхность щетки проводит ток равномерно.

2. Удельное сопротивление контакта (переходное сопротивление единицы площади), будем принимать постоянным и не зависимым от плотности тока.

4-7-1. Закон изменения тока в коммутируемой секции

Время, в течение которого происходит смена направления тока в коммутируемой секции, называется периодом коммутации - Т_к.

,

где к - число коллекторных пластин,

n - частота вращения якоря,

В_ш - ширина щетки,

В_к - коллекторное деление.

За начальный момент коммутации примем момент, когда щетка находится на пластине (1), а конец коммутации, когда щетка находится на пластине (2).На рис.59 представлен момент, когда щетка находится на пластине 1 и 2 и секция коммутирует. Сопротивление секции по сравнению с сопротивлениями r₁ и r₂ невелико и им можно пренебречь.

2i_a

i_a

i_a

Рис. 239.

Определим закон изменения тока i в коммутируемой секции.

По первому закону Кирхгофа:

I₁=i_a+i,

I₂=i_a-i.

По второму закону Кирхгофа:

I₁r₁-i₂r₂=.

Решив эти уравнения относительно тока коммутируемой секции, получим

I=i_a+,

где -сумма в коммутируемой секции (ЭДС самоиндукции, взаимоиндукции и ЭДС внешнего поля).

Как видим, ток в коммутируемой секции состоит из двух слагаемых: первое  ток прямолинейной коммутации (основной ток), а второе – добавочный ток. Добавочный ток будет влиять на характер коммутации. Она может быть прямолинейной, замедленной и ускоренной.

4-7-2. Прямолинейная коммутация

Прямолинейная коммутация происходит тогда, когда добавочный ток (r_доб) равен нулю.

Ток в коммутируемой секции равен

i=i_a,=, (1)

где S₁ - площадь соприкосновения пропорциональная времени оставшегося до конца коммутации - Т_к–t;

S₂ - площадь соприкосновения пропорциональная времени от начала коммутации - t.

Разделим уравнение (1) на r₂

I=i_a=i_a,==

Заменим отношение на.

I=i_a, после преобразования получим закон изменения тока прямолинейной коммутации, ток в коммутируемой секции. Графически это будет прямая линия.

На рис. 240 на момент времени t показаны токи i₁, i₂ и i. Эта коммутация самая хорошая, так как плотность тока под щеткой равномерно распределяется под обеими частями щетки.

Рис. 240.

tg ₂=

tg ₁=

т.к. ₁=₂, то tg ₁=tg ₂, а, следовательно, ₁=₂ (  плотность тока).

4-7-3. Замедленная коммутация

Так как период коммутации составляет тысячные доли секунды, то от скорости изменения тока в коммутируемой секции наводится ЭДС самоиндукции . Кроме того, в пазу располагается другая активная сто­рона другой секции, которая коммутирует под другим полюсом. Ток этой секции наведет ЭДС взаимоиндукции в впервой коммутируемой секции. Обе эти ЭДС по природе одинаковы, поэтому объединим их в одну и назовем реактивной ЭДС e_r.

Кроме того, в коммутируемой секции от внешнего поля наведется ЭДС  e_k. (e_k  ЭДС от внешнего поля или коммутирующая ЭДС). ЭДС e_r и e_k вызовут в секции добавочный ток , где r₁+r₂  общее сопротивление под щеткой. Характер тока будет определяться характером суммарного значения ЭДС e. Конечно, e тоже меняется, но мы будем брать среднее значение и считать, что e будет постоянной.

Посмотрим, как будет изменяться добавочный ток i_доб и сопротивление r₁+r₂ за период коммутации. Исходя из соотношения

, откуда . Аналогично,, откуда. Так как s_щT_k, а s₂t, s₁T_kt, то r₁+r₂=r_щ.

При t=0, r₁+r₂=, i_доб =0

t=T_k, r₁+r₂=, i_доб=0

t=T_k/2, r₁+r₂=4r_щ, i_доб 0.

На рис.61 представлено изменение суммы сопротивлений r₁+r₂ добавочному току. Видим, что при t=T_k/2 добавочный ток имеет наибольшее значение.

Рис. 241.

Результирующий ток в коммутируемой секции состоит из тока прямолинейной коммутации (пунктирная прямая) и добавочного тока. Так как при замедленной коммутации преобладает реактивная ЭДС, то процесс коммутации замедляется, т.е. ток в секции изменяет направление позже, чем при прямолинейной коммутации . При замедленной коммутации e_re_k и добавочный ток i_доб увеличивает ток i₁ и уменьшает ток i₂, рис.242.

i₁

i₂

Рис. 242.

Поэтому равномерное распределение тока под щеткой будет нарушено. Плотность тока на сбегающей части щетки возрастает, и искрение будет наблюдаться на этой части щетки. Замедленная коммутация – это наихудший вид коммутации.

4-7-4. Ускоренная коммутация

Ток, при ускоренной коммутации e_ke_r, т.е. ЭДС от внешнего поля больше реактивной ЭДС и добавочный ток изменит свое направление, что приведет к изменению тока в коммутируемой секции раньше, чем через t =T_k/2, рис.243 (коммутация криволинейная).

Рис. 243.

При ускоренной коммутации ток в секции i₂ возрастает, а i₁ уменьшится. Ток в секции i уменьшится.

Плотность тока на набегающей части щетки возрастает, и искрение будет наблюдаться на этой части щетки, рис.244. Равномерное распределение тока под щеткой также будет нарушено. Этот вид коммутации также неблагоприятный. Иногда специально настраивают коммутацию на ускоренную.

Рис. 244.

При ускоренной коммутации искрение более вероятное на набегающей части щетки. При наладке коммутации стремятся приблизить криволинейную коммутацию к прямолинейной.

4-7-5. Определение реактивной ЭДСe_r

- это выражение для самоиндукции, но мы примем это выражение для реактивной ЭДС, учитывая разность в коэффициенте L. Это запись мгновенной ЭДС.

Среднее значение ЭДС , где L_cкоэффициент самоиндукции, определение его связано с рядом сложностей. Напомним, что индуктивность секции определяется ее потокосцеплением, т.е. произведением потока на число сцепленных с ним витков, когда по секции протекает ток в 1 ампер.

Воснову определения L_s положено понятие об удельной магнитной прово­димости, под которой понимают число потокосцеплений на единицу длины секции, состоящей из одного витка, по которой протекает ток в один ампер. ,, где W_cчисло витков секции, тогда , поток секции.

Рис. 245.

Определим проводимость секции. На длине l может быть проводимость пазовая и зубцовая. И еще есть лобовая проводимость.

Проводимость секции

, рис. 245

, где удельная приведенная магнитная проводимость.

Это было бы справедливо, если бы в пазу лежала только одна секция, но в пазу лежит еще другая активная сторона другой секции, т.е. здесь будет взаимоиндукция. Надо учесть влияние взаимоиндукции.

эта часть удваивается, тогда

.

Перейдем к определению реактивной ЭДС

где W_c  число витков секции, период коммутации ,, домножим на, тогда, где линейная скорость на окружности якоря, величина , окончательно реактивная ЭДС

, где A  линейная нагрузка. гн/м.

ЭДС от внешнего поля  e_k

, где B_k, l_k  индукция B_k в зоне коммутации и длина l_k также в зоне коммутации.

4-7-6. Способы улучшения коммутации

Идея улучшения коммутации сводится к тому, чтобы криволинейную коммутацию, привести к прямолинейной, а для этого необходимо, чтобы добавочный ток i_доб был равен нулю.

. Уменьшить ток i_доб можно, попытавшись увеличить сопротивление r₁+r₂, теоретически это возможно, но через эти сопротивления проходит и основной ток машины, что увеличит потери напряжения и нагрев пластин. Значит этим путем идти нельзя. Кроме того, марку щеток выбирают в зависимости от плотности тока и скорости вращения коллектора. Обычно для машин постоянного тока используют графитные или электро­графитные щетки. Поэтому сопротивления r₁+r₂ определяются выбранной маркой щеток.

Уменьшить добавочный ток i_доб можем за счет уменьшения реактивной ЭДСe_r.

. Уменьшая любую величину, мы уменьшаем e_r, но больших результатов не получим, к примеру, если уменьшим линейную нагрузку A, то это приведет к увеличению габаритов. Уменьшение скорости вращения приведет к такому же результату.

Можно уменьшить число витков в секции  W_c, но опять таки сильно уменьшить W_c нельзя, так как от W_с зависит наводимая ЭДС якоря. Остается последнее – уменьшить .

.

Для уменьшенияиспользуют обмотки с укороченным шагом, либо используют ступенчатую обмотку, рис.246, рис. 247.

Рис. 246. Рис. 247.

За счет укорочения шага, рис. 246, активные стороны секций расположены в разных пазах, это приводит к тому, что ЭДС взаимной индукции в них не будет. Частично этот же результат получен при ступенчатой обмотке, рис. 247 Но и здесь большого эффекта достичь нельзя.

Наиболее рациональным средством в приближении коммутации к прямолинейной, т.е. при i_доб=0, является достижение равенства e_r=e_k, т. е. необходимо получить e_k=e_r, которые скомпенсируют друг друга и сведут добавочный ток i_доб=0.

При этом улучшение коммутации производят двумя методами:

1. За счет сдвига щеток с нейтрали,

2. За счет установки добавочных полюсов.

1. Улучшение коммутации за счет сдвига щеток с нейтрали, рис. 248, рис. 249, рис. 250.

Рис. 248 Рис. 249 Рис. 250

Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то секция, подойдя к пластине (1), начнет коммутировать. От скорости изменения т ока в секции в ней наведется реактивная ЭДС. Кроме того, секция коммутирует во внешнем поле той же полярности. Поэтому в секции наведется ЭДС e_k того же знака, что и ЭДС e_r. Если щетки сдвинуть на физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать, подойдя к пластине (2), и в ней наведется ЭДС e_r, а ЭДС e_k будет равна нулю, т.к. индукция B в точке 2 равна нулю. Затем, если сдвинуть щетки за физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать, дойдя до пластины (3), и в ней появится ЭДС e_r, а индукция B в этом положении будет иметь противоположный характер, и наводимая ЭДС e_k будет противоположна ЭДС e_r. Сдвинув щетки на соответствующий угол, можно получить полную компенсацию e_r и e_k и тем самым свести ток i_доб =0 и привести коммутацию к прямолинейной. Этот способ улучшения коммутации применим только тогда, когда нагрузка генератора практически постоянная. В практике нагрузка, как правило, переменная. Поэтому для улучшения коммутации используют второй способ.

2. Улучшение коммутации за счет установки добавочных полюсов, рис. 251.

Дополнительные полюса устанавливают на геометрической нейтрали. Количество их равно числу главных полюсов. Это простое и целесообразное решение. Все современные машины постоянного тока снабжены дополнительными полюсами.

Рис. 251.

Идея улучшения коммутации сводится к следующему:

Секция идет от южного полюса. Дойдя до щетки на нейтрали, секция начнет коммутировать и в ней наведется от скорости изменение тока ЭДС . Дополнительный полюс своим потоком наведет в коммутируемой секции ЭДСe_k. Для того, чтобы ЭДС e_k была встречно с ЭДС e_r, необходимо, чтобы секция коммутировала в зоне противоположной полярности, т.е. полярность дополнительного полюса должна быть северной (N).

Обмотка дополнительного полюса включается последовательно с якорем. Это делается для того, чтобы с увеличением тока якоря одновременно изменялись ЭДС e_r и e_k.

Для того, чтобы B_kI_a, необходимо, чтобы дополнительные полюса должны быть ненасыщенные и набираться из пакета листов электротехнической стали.

Определение числа витков дополнительного полюса

Число витков дополнительного полюса выбирается исходя из равенства ЭДС e_r=e_k.

обычно ll_k, тогда B_k=. Исходя из индукции B_k, ведется расчет числа витков дополнительного полюса.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов складывается из двух частей:

Первая часть должна создать индукцию B_k,

Вторая часть должна компенсировать реакцию якоря, обычно эта часть больше.

F_q=F_aq+F_g=AЕ+2,

где g – зазор под дополнительным полюсом,

K_g – коэффициент зазора.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов

F_g=2I_aW_g, откуда W_g=.

Задавшись током I_a определяем линейную нагрузку А, а по А определяем В_k и F_g.

На практике для наладки коммутации снимают кривые безискровой коммутации и по ним производят коррекцию числа витков W_g или изменяют зазор g для того, чтобы коммутация была прямолинейна.

4-7-7. Круговой огонь в машинах постоянного тока

Круговой огонь в машинах постоянного тока возникает при пиковых нагрузках или при коротком замыкании.

Это тяжелый и не приятный случай коммутации, приводящий к порче машины, т.е. коллекторные пластины перекрываются огнем по всему коллектору и они плавятся, т.е. машина выходит из строя.

Физическая природа этого явления отличается чрезвычайной сложностью. Развитию кругового огня способствуют две причины:

1. Первая причина.

Предположим, что имеем пик нагрузки, резко увеличивается ток в якоре, также резко возрастает линейная нагрузка А и столь же быстрое возрастание ЭДС е_r, а ЭДС e_k в это время не успевает расти, так как при большом токе дополнительный полюс насыщен и ЭДС e_k будет мало изменяться, т.е. e_r>>e_k, отсюда коммутация становится явно замедленная. Появится искрение на сбегающем крае щетки. Искры объединяются в дугу. При вращении якоря дуги сливаются и получается круговой огонь.

2. Вторая причина.

Рис. 252.

В момент перегрузки реакция якоря сильно искажает индукцию. И секция, дойдя до максимального значения индукции, в ней наведется увеличенная ЭДС. Напряжение между коллекторными пластинами резко возрастает, кроме того, изоляция между пластинами загрязнена угольной пылью. Эти причины приведут к перекрытию этих пластин. Далее подойдя в эту зону максимальной индукции, следующая секция окажется в таком же положении, и следующие коллекторные пластины перекроются (произойдет пробой изоляции). Это будет также способствовать развитию кругового огня, рис.252.

Вмашинах большой мощности для ликвидации второй причины устанавливают компенсационную обмотку. Эта обмотка расположена в пазах полюсных наконечников, рис.253.

Рис. 253.

Эта обмотка соединяется последовательно с якорем. Поток компенсационной обмотки компенсирует поток якоря. Это приводит к тому, что у машины, как при холостом ходе, так и при нагрузке индукция имеет вид трапеции. Не будет повышенных индукций, а следовательно не будет перенапряжений и пробоя изоляции между пластинами.

Наличие компенсационной обмотки облегчает условия работы дополнительных полюсов. Для ослабления кругового огня машину часто настраивают на ускоренную коммутацию, чтобы при пиковых нагрузках она приходила к прямолинейной коммутации. Кроме того, по окружности якоря устанавливают предохранительные щиты для ограничения развития кругового огня.