Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

I1н , I2' н , I ян - номинальные значения токов силовых обмоток.

Количество теплоты, выделяемое в двигателе, возрастает с увеличением нагрузки, что вызывает повышение температуры его частей. Максимально допустимая температура двигателя определяется классом изоляции его обмоток. Повышение температуры изоляции свыше максимально – допустимой вызывает резкое старение изоляции. Это определяет важнейшее ограничение, накладываемое на процесс преобразования энергии – ограничение по нагреву двигателя. Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется его номинальной нагрузкой и указывается в паспортных и каталожных данных. К числу номинальных данных двигателя относятся номинальная мощность на валу Рн (кВт), номинальный

ток Iн (А), номинальное напряжение его обмоток Uн (В), частота fн (Гц), номинальная скорость вращения nн (об/мин). Кроме того указываются номинальные значения КПД, а для двигателей переменного тока и коэффициент мощности cos н .

Второе ограничение, накладываемое на процесс преобразования энергии, это допустимые кратковременные перегрузки сверх номинальных, которые определяются перегрузочной способностью двигателя

где , – максимально-допустимый момент и ток двигателя при

кратковременной перегрузке.

Для двигателей постоянного тока перегрузочная способность ограничивается коммутационной устойчивостью (допустимым искрением на коллекторе) и составляет для двигателей серии П, МП

двигателей серии Д 3,5.

Для двигателей переменного тока допустимы большие перегрузки по току силовых цепей, а по моменту перегрузочная способность определяется величиной наибольшего момента, который двигатель может развить при номинальном напряжении сети и номинальной частоте.

Для двигателей постоянного тока третье ограничение обусловлено допустимой скоростью изменения тока якоря

и тоже связано с искрообразованием при коммутации.

50

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТО-

КА НЕЗАВИСИМОГО (ПАРАЛЛЕЛЬНОГО) ВОЗБУЖДЕНИЯ

3.1 Основные уравнения и соотношения для электроприводов с двигателями постоянного тока независимого возбуждения

3.1.1. Принцип действия. Основные уравнения

Рис. 3.1. К принципу действия коллекторной машины постоянного тока

По закону Ампера принцип действия любого коллекторного дви-

гателя состоит в том, что на проводник с током (рис. 3.1) в магнитном поле с магнитной индукцией В (потоком главных полюсов Ф) действует сила

где l – длина проводника, м; B - индукция, Тл;

I я – сила тока, А, направление которой определяется по правилу

левой руки. Под действием этой силы (для витка – пара сил) якорь, на котором расположен виток, начинает непрерывно вращаться благодаря коллектору со щеточным аппаратом, обеспечивающим постоянство направления тока в проводнике, находящемся под полюсом, а значит и момента М . Важнейшая особенность, основное достоинство двигателей постоянного тока – прямой угол между вектором магнитной индукции В

и вектором тока I я . На угол влияет только расположение щѐток на кол-

лекторе.

При движении проводников в магнитном поле в соответствии с законом Фарадея в них наводится электродвижущая сила – ЭДС вращения

где v – линейная скорость движения проводников, м/с, направленная по правилу правой руки. В случае витка ЭДС проводников складываются и в соответствии с законом Кирхгофа уравновешиваются напряжением

где E Eпр – суммарная ЭДС вращения;

R – сопротивление.

Машина постоянного тока, как и все электрические машины, на основании принципа обратимости Ленца может работать как двигателем, так и генератором. В генераторном режиме коллектор со щетками играет роль выпрямителя и поэтому сохраняется ортогональность между магнитным потоком (индукцией) и током якоря.

Умножив левую и правую часть уравнения (3.3) на ток , полу-

чим

или баланс мощности в двигательном режиме

где Р1 UI я – мощность, забираемая двигателем из сети, Вт;

Рэм EI я – электромагнитная мощность, Вт;

Рэл I я2Rя - потери мощности в якорной цепи двигателя, Вт;

52

Rя - суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.

Баланс мощности в генераторном режиме (механическая мощность,

где P1 - мощность, отдаваемая в сеть или на пассивную нагрузку;

Рэл – потери, покрываемые за счѐт электромагнитной мощности

где Рм ех – механические потери в двигателе.

3.2 Механические и электромеханические характеристики

электропривода с ДПТ НВ

Для получения основных соотношений для простейшей модели электропривода постоянного тока в статических (установившихся) режимах воспользуемся электрической схемой, приведѐнной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Электрическая схема включения электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

53

Будем считать, что якорь двигателя питается от источника напряжения бесконечно большой мощности. Взаимодействие тока в обмотке

якоря с магнитным потоком Ф , создаваемым обмоткой возбуждения, расположенной на главных полюсах машины, приводит к возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитному моменту

где к – конструктивный параметр машины.

Под действием момента М якорь двигателя вращается со скоростью и в проводниках обмотки якоря наводится ЭДС в соответствии

направленная встречно по отношению к току, а значит и напряжению. Уравнение равновесия якорной цепи на основании закона Кирхго-

включая сопротивление обмотки добавочных полюсов rдп и компенса-

ционной обмотки rко ;

Rпя - добавочное сопротивление, введѐнное в общем случае в сило-

вую цепь.

Тогда уравнение скоростной (электромеханической) характеристики f (I я ) запишется так

уравнение механической характеристики двигателя может быть представлено в следующем виде

54

где p – число пар главных полюсов;

N 2wя – число активных проводников обмотки якоря; wя - число витков обмотки якоря;

a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Эти параметры, а также сопротивления rдп , rя , rко могут быть получены из каталожных данных или клиентского формуляра двигателя.

называется статическим падением скорости при действии момента статического сопротивления M c на валу двигателя. Тогда

0

есть уравнение прямой, и может быть представлено графически на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Электромеханическая и механическая характеристики без дополнительного сопротивления в силовой цепи

55

Жѐсткость механической характеристики

отрицательная величина, что говорит об уменьшении скорости с увеличением нагрузки, и определяется величиной момента короткого замыкания

M к .з кФ U Rя

и скорости идеального холостого хода

0 кФU .

Тогда модуль статической жѐсткости механической характеристики электропривода определяется в следующем виде

с (кФ)2 , (3.19)

Rя

т.е. модуль статической жѐсткости пропорционален квадрату магнитного потока Ф и обратно пропорционален полному сопротивлению якор-

ной цепи привода .

3.3 Естественная характеристика ЭП с ДПТ НВ

Из всего семейства характеристик электропривода с двигателями постоянного тока независимого возбуждения (ЭП с ДПТ НВ) необходимо выделить одну характеристику – естественную, которая определя-

ется при номинальном напряжении , номинальном магнитном потоке

и отсутствием дополнительных внешних сопротивлений в якорной цепи. Еѐ уравнения записываются в виде

теристики.

Естественная механическая характеристика двигателя даѐт основные представления об электромеханических свойствах двигателя. Она определяет его рабочую номинальную скорость и показывает статическое изменение скорости при изменении нагрузки. Чем выше мо-

дуль жѐсткости с , тем более стабильна работа при широких измене-

ниях M. Другой оценкой стабильности рабочей скорости электропривода при различных моментах нагрузки является статизм механической характеристики

Таким образом, статизм механической характеристики обратно пропорционален модулю еѐ жѐсткости.

Для сравнения естественных механических характеристик различных двигателей с независимым возбуждением и обобщѐнной формой записи уравнений широко используется система относительных

единиц. В качестве базовых величин обычно принимаются U н , I н ,

58

здесь , =, , =,

, .

Уравнения естественных электромеханических и механических характеристик в относительных единицах могут быть получены из (3.25)

На рис. 3.5 приводятся естественные механические характеристики ЭП с ДПТ с НВ.

Рис. 3.5. Естественные характеристики компенсированных (а) в относительных единицах и некомпенсированных (б) ДПТ с НВ в абсо-

лютных единицах

59