Внешняя характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U навыводах генера­тора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внеш­ней характеристики генератор приводят во вращение с номиналь­ной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. (I= 0), снимают показания приборов. Сопротивле­ние цепи возбуждения r_B и частоту вращения в течение опыта под­держивают неизменными.На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генера­тора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижа­ется; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

.                        

Обычно для генератора независимого возбуждения ΔU_ном  = 5 – 10% .

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Характери­стика  I_В= F(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуж­дения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (n – const).

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения уста­навливают ток I_во, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восхо­дящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепен­но уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответст­вующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б). Нисходящая ветвь регу­лировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3,проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называютпрактической регулировочной характери­стикой генератора.

Основной недостаток генераторов независимого возбужде­ния — это необходимость в постороннем источнике энергии по­стоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирова­ния напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.

25. Характеристики генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Определение. Генераторами параллельного возбуждения называют генераторы, обмотка возбуждения которых питается от ЭДС обмотки якоря и подключена к выводам якоря машины параллельно цепи нагрузки.

Схема генератора параллельного возбуждения. Схема изображена на рис. 1.20. Ток якоря I_Я = I+ I_В у щеток разветвляется на ток нагрузкиI и ток возбуждения I_В . Обычно ток возбуждения невелик и составляет (0,01-0,05) I_Я.НОМ . Последовательно с обмоткой возбуждения включается реостат R_P для  регулирования  возбуждения. Реостат позволяет изменять ток возбуждения и, следовательно, напряжение генератора.

Характеристика холостого хода генератора с самовозбуждением всегда снимается при независимом возбуждении (обмотка возбуждения отключается от якоря и запитывается от постороннего источника) и поэтому аналогична характеристике холостого хода  генератора с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода U₀=f (I_в) при I=0 и n=const. В процессе самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения I_a=I_в, причем I_в=(0,02…0,03) I_н. Поэтому можно пренебречь реакцией якоря и падением напряжения в обмотке якоря и считать, что между характеристиками холостого хода генератора параллельного возбуждения и независимого возбуждения практически нет разницы. Следует учесть, что эта характеристика может быть снята только в одном квадранте, так как процесс самовозбуждения в данном генераторе может протекать только в одном направлении при согласном действии остаточного магнитного потока и потока, создаваемого током возбуждения, причем на прямолинейном участке характеристики напряжение генератора не удается регулировать как у генератора независимого возбуждения, что определяет меньший диапазон регулирования его напряжения.

Нагрузочная характеристика U=f (I_в) при I=const и n=const. Нагрузочные характеристики генератора параллельного возбуждения практически совпадают с характеристиками генератора независимого возбуждения, так как увеличение тока I_а на величину тока возбуждения при параллельном возбуждении не может оказать заметного влияния на напряжение генератора.

Внешняя характеристика U=f (I) при r_в=const и n=const (рисунок 1) показывает влияние изменения нагрузки на напряжение генератора. При этом ток возбуждения не регулируется с помощью регулировочного реостата. Следует учесть, что при независимом возбуждении

 а при параллельном возбуждении

Последнее равенство означает, что при снятии внешней характеристики ток возбуждения генератора изменяется пропорционально напряже­нию на генераторе. Таким образом, уменьшение напряжения генератора параллельного возбуждения при увеличении его нагрузки вызывается не только размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря, но и уменьшением тока возбуждения. Поэтому внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рисунок 1 ) (кривая 1) располагается ниже внешней характеристики генератора независимого возбуждения (кривая 2).

В генераторе параллельного возведения ток нагрузки I будет увеличиваться только до определенного критического значения I_кр=(2...2,5) I_н, после чего он начнет уменьшаться до I_ко< I_н. Действительно , т.е. ток зависит от двух факторов — напряжения генератора U и сопротивления нагрузки r_н. Уменьшение сопротивления r_н ведет к увеличению тока I, а это приводит к уменьшению напряжения U по вышеуказанным причинам. Вначале, пока генератор насыщен, магнитный поток Ф при уменьшении тока возбуждения спадает не очень значительно. По этой причине и напряжение падает сначала медленно.

Сопротивление r_нв этот период снижается быстрее, чем напряжение U, и ток I растет. По мере увеличения тока I сверх номинального, напряжение U начинает уменьшаться быстрее, т.к. генератор переходит в ненасыщенное состояние (на прямолинейных участках характеристики холостого хода) и поток Ф начинает спадать пропорционально уменьшению тока возбуждения. Наступает момент, когда уменьшение напряжения опережает уменьшение r_н и ток I, достигнув критического значения I_кр, начинает уменьшаться (рисунок 1 ), пунктирная часть кривой I). Начиная с точки a , дальнейшее уменьшение r_н не вызывает увеличения тока I, а наоборот, происходит его уменьшение, т.к. напряжение U падает быстрее, чем сопротивление r_н. При коротком замыкании U=0, I_в=0 и ток I_ко определяется только потоком остаточ­ного намагничивания. Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генераторов параллельного возбуждения. Однако, при внезапном ко­ротком замыкании ток успевает достигнуть значений I_кз=(8…15) I_н. Это обусловлено значительной индуктивностью обмотки возбуждения (большая постоянная времени обмотки), что приводит к постепенному уменьшению тока возбуждения I_в и процесс уменьшения магнитного потока происходит значительно медленнее, чем процесс нарастания тока в цепи якоря. Поэтому для защиты генераторов параллельного возбуждения от токов короткого замыкания необходимы быстродействующие автоматические выключатели, как и для генераторов независимого возбуждения.

Регулировочная характеристика I_в=f (I) при n=const и U=const снимается так же как и для генератора независимого возбуждения и практически получается такой же, как и при независимом возбуждении, т.к. ток возбуждения очень мал и падение напряжения I_вr_aв цепи якоря от тока возбуждения также очень мало и не оказывает заметного влияния на напряжение генератора.

Характеристика короткого замыкания I_к=f (I_в) при n=const и U=0 может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника, т.к. при самовозбуждении при U=0 ток возбуждения I_в=0.

26. Электромагнитная мощность и электромагнитный вращающий момент машины постоянного тока

В результате взаимодействия Iя тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя Eя При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДСEя направленная навстречу Iя. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС  и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

Eя = Се * Ф * n (1)

Ce — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

U = Eя + Iя * ∑R (2)

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

обмотки якоря

добавочных полюсов

обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)

Ток якоря Iя

Выразим из формулы 2 ток якоря.

 

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Pэм = Ея Iя (5)

Электромагнитный момент

 где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, Cм — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М0 момент холостого хода;

Р2 — полезная мощность двигателя

27. Электромеханические (скоростные) и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Обмотка возбуждения электродвигате­ля постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтов о и электродвигатель) подключается к обмотке якоря параллель­но (рис. 8), что и обусловливает его электромеханические свой­ства.

Ток в обмотке возбуждения ШОВ определяется по закону Ома

где R­в — сопротивление цепи воз­буждения.

Если пренебречь влиянием реак­ции якоря, то при постоянном напря­жении U можно считать, что и магнитный поток электродвигате­ля Ф является постоянной величи­ной. При работе электродвигателя его якорь вращается в этом магнит­ном потоке со скоростью n и в обмотке якоря наводится з. д. с. Е, определяемая по формуле (7).

Таким образом, ток в обмотке якоря должен определяться по выражению

если в его цепи нет дополнительных сопротивлений. Отсюда

Подставив выражение (7) в уравнение (23), получим

Решив уравнение (24) относительно n, получим

Эта аналитически выраженная зависимость числа оборотов электродвигателя от величины тока в обмотке якоря называет­ся уравнением естественной скоростной характеристики элект­родвигателя. Очевидно, что в случае включения в цепь якоря дополнительного сопротивления R, ток якоря будет равен

а уравнение искусственной скоростной характеристику примет вид:

При работе любого электродвигателя постоянного тока в ре­зультате взаимодействия тока обмотки якоря с магнитным по­током возбуждения создается вращающий момент, определяемый по выражению (5). Если учесть, что Ф = const, то величина вращающего момента для электродвигателей с параллельным возбуждением определяется величиной тока в обмотке якоря.

В свою очередь ток якоря зависит от величины вращающего момента, так как вращающий момент электродвигателя, как бу­дет показано ниже, автоматически следует за моментом сопро­тивления механизма. Таким образом,

Подставив выражение (28) в уравнения (25) и (27), по­лучим соответственно уравнения естественной и искусствен­ной механических характеристик электродвигателя [уравнения вида п = f(М) ]:

механическая и скоростная характеристики электродвигателя по­стоянного тока с параллельным воз­буждением прямолинейны и :при со­ответствующем выборе масштабов они могут быть представлены одной прямой (рис. 9).

Действительно, ко­гда электродвигатель работает вхо­лостую, развиваемый им момент ра­вен нулю, так как нулю равен мо­мент сопротивления на валу двига­теля. При этом, согласно выраже­нию (28), нулю должен быть равен и ток в обмотке якоря. Таким обра­зом, из уравнения (25) или (29) может быть получена скорость идеального холостого хода электродвигателя

Нужно иметь в виду, что фактическая скорость холостого хода электродвигателя всегда несколько ниже скорости идеаль­ного» холостого хода, так как в действительности момент со­противления на валу электродвигателя не может быть равен нулю даже при отсутствии нагрузки на электродвигатель, а следовательно, и ток действительного холостого хода электро­двигателя нулю не равен.

Если нагрузка на электродвигатель возрастает (т. е. воз­растает момент сопротивления на его валу), то возрастает развиваемый электродвигателем вращающий момент и растет ток в его якорной обмотке. Это должно вызывать, согласно уравнениям (25) и (29), снижение скорости вращения электродвигателя. В режиме короткого замыкания электродвигателя (режим стоянки под током) n = 0, а ток короткого замыкания Аналогично, момент короткого замыканияМ_к = кФІ_я._к. Таким образом, скоростная характери­стика электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением п = f(І_я) и механическая характеристика п = f(М) пересекают оси координат в совершенно определенных точках, соединив которые, можно получить указанные характеристики, представленные одной прямой (см. рис. 9). На рис. 9, помимо естественной характеристики, показан ряд искусственных ха­рактеристик двигателя при различных дополнительных сопро­тивлениях R в якорной цепи. Изуравнений (27) и (30) вытекает, что искусственные характеристики тоже прямолинейны, исходят из общей точки холостого хода и лежат ниже естест­венной характеристики, т. е. чем выше дополнительное сопро­тивление R в якорной цепи, тем круче (или мягче) характерис­тика электродвигателя. На рисунке обозначены: М_н (I_я._н) — номинальный момент и ток якоря; М_к (I_я.к) — момент и ток якоря при заторможенном якоре.

Как видно из уравнений, скорость электродвигателя парал­лельного возбуждения меняется при различных нагрузках за счет изменения падения напряжения в сопротивлении якоря. Поскольку сопротивления якорей машин постоянного тока невелики, скорость электродвигателей параллельного возбужде­ния меняется незначительно, особенно при работе на естест­венной характеристике. Так, для электродвигателей мощностью от 5 до 100 квт перепад скорости пои номинальной нагрузке

где большие значения соответствуют электродвигателям мень­шей мощности.

Ввиду прямолинейности, практическое построение характе­ристик электродвигателя с параллельным возбуждением вы­полнить нетрудно. Для этого достаточно иметь координаты двух точек. Обычно естественную характеристику электродви­гателя строят по скорости идеального холостого хода, номи­нальной скорости вращения и номинальному моменту (или току). Скорость идеального холостого хода электродвигателя может быть вычислена следующим образом.

Против э. д. с. при работе электродвигателя в номиналь­ном режиме на естественной характеристике

а на холостом ходу

Разделив второе выражение на первое, получим

В выражении (34) все величины, кроме R_я могут быть взяты из паспорта электродвигателя. Величина R_я может быть взята из формуляра на электродвигатель, определена измерением или приближенно из следующего выражения:

где Р_н — номинальная мощность электродвигателя, квт;

?_н — к.п.д. электродвигателя при номинальной нагрузке.

Выражение (35) составлено исходя из предположения, что при номинальной нагрузке электродвигателя потери мощности в сопротивлении якоря равны примерно половине общих потерь в электродвигателе. Если величина R определяется измере­нием, то нужно иметь в виду, что сопротивление якоря включает в себя сопротивления обмотки якоря, обмотки дополни­тельных полюсов, щеток и сопротивления компенсационной обмотки (если она имеется), соединенных последовательно.

Выше указывалось, что вращающий момент электродвига­теля автоматически следует за моментом сопротивления меха­низма. Физическая сущность этого процесса состоит в следу­ющем. Если электродвигатель работает с установившейся ско­ростью, то развиваемый им вращающий момент М₁ равен моменту сопротивления на его валу М_с. Если же момент сопро­тивления возрастет до M_с2> M₁,  то скорость электродвигателя начнет уменьшаться. При этом уменьшается и против э. д. с., а ток в обмотке якоря, согласно выражению (22), будет воз­растать, что вызовет возрастание вращающего момента. Умень­шение числа оборотов будет происходить до тех пор, пока вра­щающий момент не станет равным моменту сопротивле­ния М_с2.

При уменьшении момента сопротивления происходит обрат­ный процесс. Если момент сопротивления станет меньше вра­щающего момента, развиваемого электродвигателем, то ско­рость вращения последнего начнет возрастать. Это вызовет возрастание противо э. д. с., а значит, уменьшение тока и вра­щающего момента. Процесс прекратится, когда вращающий момент станет равным моменту сопротивления на валу электро­двигателя.

28. Электромеханические (скоростные) и механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Коллекторные двигатели послдовательного возбуждения чаще применяются в неуправляемых электроприводах. Их достоинством является возможность одновременного обеспечения большого пускового момента и высокой скорости холостого хода, что способствует их применению в качестве тяговых двигателей на транспорте или исполнительных двигателей механизмов с широким диапазоном скоростей. В последнее время такие двигатели находят применение в бытовой технике. Например, в приводе барабана стиральной машины, где эти двигатели используются и как управляемые

Схема замещения двигателя в первом приближении может быть представлена в виде рис. 2.12, где, кроме обозначений, принятых в предыдущем параграфе, обозначено R_вт, L_вт – активное сопротивление и индуктивность короткозамкнутого контура вихревых токов.

Рис. 2.12. Схема замещения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Из теории электрических машин известно, что вихревые токи образуются в полюсах и в магнитопроводе двигателя при быстром изменении потока. В двигателях большой мощности влияние короткозамкнутого контура на динамические свойства может оказаться существенным. Однако для рассматриваемого класса приводов с мощностью до нескольких киловатт этим влиянием можно пренебречь. Тогда, в соответствии со схемой замещения и с учетом выражения (2.3), уравнение напряжения якорной цепи получит вид

(2.57)

U_я=KΦω+i_яR_яс+L_яс×di_яс/dt+w_в×dΦ/dt,

где R_яс=R_я+R_в, L_яс=L_я+L_в, w_в – число витков обмотки возбуждения.

В отличие от двигателей независимого возбуждения здесь магнитный поток является функцией тока якоря. Как мы отмечали, эта зависимость нелинейная, поэтому нелинейная и механическая характеристика, которую для реальной зависимости потока от тока (см. рис. 2.8.а) вообще трудно выразить аналитически. Для того, чтобы представить электромеханические характеристики в аналитической форме, заменим, как мы делали в предыдущем параграфе, реальную зависимость потока от тока аппроксимированной, вида (см. рис. 2.8.б). Тогда в установившемся режиме при i_я≤I_нс, где I_нс – ток двигателя, при котором наступает насыщение магнитной системы, из уравнения (2.57) с учетом (2.6) и (2.43.а) получим уравнения электромеханической:

(2.58)

ω=U_я/(Kk₁I_я)−R_яс/(Kk₁)

и механической характеристик:

(2.59)

Здесь k₁ – коэффициент, связывающий поток двигателя с током якоря (Φ=k₁I_я).

При i_я>I_нс из-за насыщения системы согласно (2.43.б) поток условно можно принять постоянным, как и в двигателе независимого возбуждения, поэтому для описания характеристик с определенной степенью приближения справедливы выражения (2.5) и (2.7). Электромеханические характеристики двигателя имеют вид (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

Согласно рис. 2.13 жесткость механической характеристики двигателя последовательного возбуждения – переменная. Для ее оценки при M<M_нс, где M_нс – момент при котором наступает насыщение магнитной системы, воспользуемся выражением (2.59). Откуда, согласно определению жесткости, получим

(2.60)

.

При M≥M_нс жесткость приближенно определяется выражением (2.11), где поток необходимо принять равным потоку насыщения магнитной системы.

Изложенная методика представления статических характеристик является довольно грубым приближением и удобна тем, что просто дает качественное представление о них. Для точного расчета необходимо использовать универсальные характеристики, приведенные в каталогах.

. Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения.

Схема двигателя.

Схема двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 1.25. Обмотка якоря и обмотка возбуждения включены параллельно. В этой схеме: I – ток, потребляемый двигателем из сети, I_я – ток якоря, I_в – ток возбуждения. Из первого закона Кирхгофа следует, что I = I_я + I_в.

Естественная механическая характеристика. Естественная механическая характеристика описывается формулой (1.6).

При холостом ходе М = 0 и n_х = U/С_ЕФ.

Если Ф = const, то уравнение механической характеристики принимает вид:

n = n_х – bМ, (1.8)

где b = R_я/С_ЕФ.

Из (1.8) следует, что механическая характеристика (рис. 1.26, прямая 1) – прямая с углом наклона a и угловым  коэффициентом b. Так как у двигателей постоянного тока R_я мало, то с увеличением нагрузки на валу частота вращения  n  изменяется незначительно – характеристики подобного типа называются «жесткими».

Ток, потребляемый двигателем из сети, практически растет пропорционально моменту нагрузки. Действительно, М » М_эм = С_м I_я Ф, и так как у двигателя параллельного возбуждения Ф = const, то I_я ~ М.

Регулирование частоты вращения.

Регулирование частоты вращения возможно из (1.6) тремя способами: изменением магнитного потока главных полюсов Ф, изменением сопротивления цепи якоря R_я и изменением подводимого к цепи якоря напряжения U (изменение n за счет изменения момента нагрузки М в понятие регулирования не входит).

Регулирование n изменением магнитного потока Ф осуществляется с помощью регулировочного реостата R_р. При увеличении сопротивления реостата ток возбуждения I_в и магнитный поток главных полюсов Ф уменьшаются. Это приводит, во-первых, к увеличению частоты вращения холостого хода n_х и, во-вторых, к увеличению коэффициента b, т.е. к увеличению угла наклона механической характеристики. Однако b остается небольшим и жесткость механических характеристик сохраняется. На рис. 1.28 помимо естественной характеристики 1, соответствующей максимальному магнитному потоку Ф, приведено семейство механических характеристик 2-4, снятых при уменьшенном магнитном потоке. Из характеристик следует, что изменением магнитного потока можно только увеличивать частоту вращения относительно естественной характеристики. Практически частоту вращения таким методом можно увеличивать не более чем в 2 раза, так как увеличение скорости приводит к ухудшению коммутации и даже механическим повреждениям машины.

Другой способ регулирования скорости связан с включением последовательно с якорем регулировочного реостата R_я.р (пусковой реостат R_п для этой цели непригоден, так как он рассчитан на кратковременный режим работы). Формула (1.6) при этом принимает вид:

n = ,

(1.9)

откуда следует, что скорость при холостом ходе при любом сопротивлении R_я.р одинакова, а коэффициент b и, следовательно, наклон механических характеристик 5-7 увеличивается (рис. 1.26). Регулирование частоты вращения этим способом приводит к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. Кроме того, оно неэкономично, так как связано с большой мощностью потерь (R_я.р I) в регулировочном реостате, по которому протекает весь ток якоря.

Третий способ регулирования частоты вращения – безреостатное изменение подводимого к якорю напряжения. Он возможен только в случае, когда якорь двигателя питается от отдельного источника, напряжение которого можно регулировать. В качестве регулируемого источника применяются отдельные, специально предназначенные для данного двигателя генераторы или управляемые вентили (тиратроны, ртутные выпрямители, тиристоры). В первом случае образуется система машин, называемая системой Г-Д (генератор – двигатель), (рис. 1.27). Она применяется для плавного регулирования в широких пределах частоты вращения мощных двигателей постоянного тока и в системах автоматического управления. Система регулирования с управляемыми вентилями УВ (рис. 1.28) находит применение для регулирования частоты вращения двигателей меньшей мощности. Ее преимущество – большая экономичность.

28, Регулирование частоты вращения двигателя последовательного возбуждения.

Регулирование частоты вращения изменением U практически возможно только в сторону уменьшения, так как увеличение напряжения выше номинального недопустимо из-за резкого ухудшения коммутации. Из (1.9) следует, что при уменьшении напряжения уменьшается скорость холостого хода n_х, а наклон механических характеристик 8-10 не изменяется (см. рис. 1.26), они остаются жесткими даже при низких напряжениях. Диапазон регулирования (n_max/n_min) таким способом 6:1-8:1. Он может быть значительно расширен при применении специальных схем с обратными связями. Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

 (29.5)

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

Дополнительное сопротивление (реостат r_д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления r_д в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

, (29.12)

где — частота вращения в режиме х.х.;

 — изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(r_д) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением r_д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = M_ном ) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I²_a *r_Д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении r_рег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикойдвигателя n=f(I_В) при и.

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря Ia = M/(C_м*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения, т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n_max. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_a второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения n_max во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя n_ном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата  r_рег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n_max уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуж­дения ток I_В = (0,01 — 0,07)Iа, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n_MAX/n_MIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I_B = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n₀ пропорциональна напря­жению, а от напряжения не зависит, поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4,в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6,а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Диспользуется возбу­дитель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под на­званием системы «генератор — двигатель» (Г—Д).

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М,который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазонеn_MAX/n_MIN ≥ 25 . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.