Глава третья

ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1. Схема включения, статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 3.1, а. На рис. 3.1 приняты обозначения:IиI_В– токи якоря и обмотки возбужденияОВ;Е–ЭДС якоря;иМ–скорость и момент двигателя;R_виR_д– соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать);– полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоряr_{о, я}, дополнительных полюсовr_{д, п}, компенсационнойr_{к, о}и щеточного контактаr_щ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения,

хотя во многих случаях используется только один источник

Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде

(3.1)

(3.2)

(33)

где –полное сопротивление цепи якоря, Ом;

Ф – магнитный поток ДПТ, Вб; – угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с;k=рN/(2а) – конструктивный коэффициент ДПТ;р – число пар полюсов;N –число активных проводников обмотки якоря;а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставляя (3.2) в (3.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ

(3.4)

Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (3.4) заменой в нем тока на момент по выражению (3.3)

(3.5)

В соответствии с (3.4) и (3.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (3.4) и (3.5) представляются в следующей форме записи:

, (3.6)

где – скорость идеального холостого хода двигателя,

; (3.6а)

 – перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода,

.

На рис. 3.1, бпоказаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряженияU,причем посколькуkФ=const, тоМ~Iи характеристики представлены совмещенными линиями.

На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (3.4) и (3 5) приU=0

; (3.7)

(3.8)

Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 3.2 Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети.

Полученные выражения (3.4) и (3.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря R_д,магнитного потока Ф и напряженияU,подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются

Энергетический режим работы двигателязависит от механическихМ,и электрическихЕ, Iкоординат двигателя, определяющих его механическуюи электромагнитнуюмощности.

В табл. 3.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов – двигательного и генераторного и двух граничных режимов – холостого хода и короткого замыкания.

Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента – нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания – равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.

Основываясь на данных табл. 3.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 3.1, бпри положительной полярностиU.

1.Режим холостого хода имеет место в точкеА, гдеI=0,М=0,=₀иE=U=kФ₀ .Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 3.3,а.

Таблица 3.1

Режим	Координаты
	механические	электрические
Двигательный	М>0; >0 М<0; <0	Е<0; I>0 E>0; I<0
Генераторный	М>0; <0 М<0; >0	E>0; I>0 Е<0; I<0
Холостой ход	М=0; =0	E=U; I=0
Короткое замыкание	M=Mк,з;=0	E=0; I=Iк,з

2.Двигательный режим имеет место на участкеIпри 0<<₀, т.е. в первом квадранте, гдеиМсовпадают по направлению. В этом режиме |Е| <|U|, токI=(U–E)/Rсовпадает по направлению сUи не совпадает с ЭДС, электрическая энергияЭЭ(рис. 3.3,б) поступает из сети, а механическая энергияМЭотдается с вала ДПТ.

3. Генераторный режим работы ДПТ параллельно с сетью, или режим рекуперативного торможения, имеет место на участкеII.На участкеII>₀, поэтому ЭДС становится больше напряжения сети, ток и момент изменяют свое направление на противоположное. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (рис. 3.8,в).

4.Режим короткого замыкания наступает при=0,E=0. В этом режиме согласно (3.1)I= I_к,з=U/R, электрическая энергияЭЭ(рис. 3,3,г), поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как=0.

5.Режим генератора последовательно с сетью, или режим торможения противовключением, наступает при<0 (участокIIIхарактеристики). За счет изменения направления скорости изменяется направление ЭДС, которая теперь совпадает по направлению с напряжением сети. Двигатель оказывается включенным последовательно с сетью, ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е..В результате этого электрическая энергия поступает из сети (рис. 3.3,д)и вырабатывается самим ДПТ за счет поступающей на его вал механической энергии. Электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. По этой причине рассматриваемый режим в тепловом отношении является для ДПТ наиболее трудным, так как связано необходимостью рассеивания в виде тепла значительного количества энергии.

6.Режим генератора независимо от сети, или режим динамического торможения, имеет место при отключении якорной цепи ДПТ от сети и закорачивании ее на добавочный резистор или накоротко (отметим, что закорачивание накоротко якоря электрической машины не означает для нее режима короткого замыкания). Ток в якоре протекает под действием ЭДС и совпадает с ней по направлению, электрическая энергияЭЭ (см. рис. 3.3,е),вырабатываемая за счет механической энергии, поступающей с вала, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи.