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 Rя, магнит­ный поток машины Ф, приложенное к якорной цепи напря­жениеUя. 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,а. При этом суммарное сопротивление якорной цепи увеличи­вается:

Соответственно ограничивается ток короткого замыкания

и уменьшается модуль жесткости статической механической характеристики

Скорость идеального холостого хода остается неизменной о =оном) а между током и моментом, если не учитывать реакцию якоря, сохраняется пропорциональность М = сIя, 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 Rдоб 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 цепиRявлечет за собой относительное снижение влияния реакции якоря на характеристики двигателя, поэтому при расчете реостатных характеристик влиянием реакции якоря можно пренебречь. Изменение 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о и уменьшение момента короткого замы­кания Мк,з, 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. Изменение напряжения, подведенного к якорю двигателя при номинальном потоке, является в регулируемом электро­приводе постоянного тока основным управляющим воздей­ствием. Как правило, изменение напряжения Uя, 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 Uя, = 2Uном, однако это является исключением из общего правила. Как следует из (3.10), при измененииUя пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода двигателя, а жесткость механических характеристик при любом уровне напряжения одинакова, поэтому механические

характеристики при Uя =varимеют 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 Uном обеспечивает наиболее благоприятные условия пуска двигателя. В представленном на рис. 3.7 семействе характеристик определенным своеобразием отличается характеристика, соответствующая Uя = 0. Так как энергия к якорной цепи от внешнего источника не подводится, эта характеристика прохо­ дит 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.

Рис. 3.5. Схема (а) и реостатные характеристики двигателя с неза­висимым возбуждением (б)

Рис. 3.6. Электромеханические (о) и механические (б) характеристики двигателя с независимым возбуждением при ослаблении поля

Это режим динамического торможения, в котором двигатель работает генератором на сопротивление якорной цепи. В общем случае, когда сеть имеет нерегулируемое напряжение, т. е. Uc= Uном =const, для осуществления режима динамического торможения двигатель должен быть отключен от сети и его якорь замкнут на внешний резистор Rдоб (рис. 3.8, а). Уравнения статических характеристик двигателя при динамическом торможении мож­но получить, положив в (3.9) и (3.10)Uя = 0:

(3.34) (3.35)

Увеличение сопротивления якорной цепи Rяиз-за введения добавочных сопротивлений Rдоб 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.

Рис. 3.7. Механические характе­ристики двигателя с независи­мым возбуждением при Uя = var

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

Механические характеристики, соответствующие различным Rдоб, 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. 3.8,6. При переменном потоке коэффициент пропорциональности между током и мо­ментом для различных характеристик неодинаков, поэтому на рис. 3.8, б 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. На 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 vп,гр двигатель включается по схеме, пока­занной на рис. 3.9,а.

Рис. 3.9. Статические режимы работы электропривода подъемного механизма

Установившийся режим подъема опре­деляется на рис. 3.9, д естественной механической характеристи­кой двигателя 1, причем принято, что статический момент при подъеме груза Мс,п равен номинальному моменту двигателя Мном. При этом двигатель работает в двигательном режиме, и для якорной цепи уравнение электрического равновесия можно записать так:

где Iном = Iя,с,п - статический ток при подъеме груза. Умножив левую и правую части уравнения на Iном, полу­чим уравнение баланса мощностей в этом режиме:

(3.36)

здесь UнoмIном — электрическая мощность, потребляемая из сети, часть которой теряется в якорной цепи в виде теплоты (), а основная часть преобразуется в механическую электромагнитную мощность

ЕномIном = сномIном = Мномном.

Для спуска груза со скоростью vc,гp, близкой к скорости vг,гp, двигатель включается по той же схеме, но к его якорю подводится напряжение противоположного знака:Uя = -Uном. Естественная характеристика 2, соответствующая этой поляр­ности, и статический момент при спуске груза Мс,с определяют на рис. 3.9, д рабочую точку Мс,c;с,с которая соответствует генераторному режиму работы. Действительно, при этом активный момент Мс,с 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:

(3.37)

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 Rдоб1, при котором момент короткого замыка­ния (пусковой момент Mп) меньше, чем активный момент нагрузки при спуске груза Мс,с. Как показано на рис. 3.9, д, такси выбор добавочного сопротивления (характеристика 3) обеспечивает тормозной спуск груза со скоростью'с,с, при этом активный движущий момент нагрузки принуждает якорь вращаться в сторону, противоположную заданной приложен­ным напряжением, и уравнение баланса мощностей записыва­ется так:

(3.38)

В соответствии с (3.38) потребляемая из сети мощность UномIя,с,с и вырабатываемая вследствие опускания груза меха­ническая мощность Мс,с'c,с = Е'с,cIя.с.с 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 Rдоб2 можно обеспечить спуск груза с требуемой по условиям тех­нологии скоростью"c, с, определяемой механической характе­ристикой 4 на рис. 3.9, д. Баланс мощностей для режима динамического торможения (Uя = 0) имеет вид

(3.39)

Здесь механическая мощность преобразуется в электриче­скую (Мс,с'с,с = Е"с,сIя,с,с) 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.

Пример 3.2. Рассчитать искусственные механические характе­ристики двигателя с независимым возбуждением, соответствующие изменению: а) потока двигателя Ф = 0,45Фном; б) напряжения Uя = = 0,25Uнoм; в) сопротивления якорной цепи Rя= 0,72 Rном. Данные для расчета: Рном = 5,4 кВт; Uном = 220 В;ном = 105 1/с; Iном =27 А; суммарное сопротивление якорной цепи при нагретой машинеRя= 0,275 Ом. Коэффициент ЭДС двигателя при номинальном потоке

Скорость идеального холостого хода на естественной характе­ристике

Модуль жесткости естественной механической характеристики

Уравнение естественной механической характеристики в форме (3.18)

Для построения механической естественной характеристики по двум точкам (0ном; 0 ином; Мнoм) определим электромагнитный номинальный момент:

Рис. 3.10. Механические характеристики двигателя: 1 — естественная; 2 — искусственная при Ф=0,45Фном: 3 — искусственная при Uя = 0.25Uя,ном; 4 - искусственная при Rя= 5,86 Ом

Естественная механическая характеристика построена на рис. 3.10 (прямая 1). Коэффициент ЭДС при ослабленном поле

Скорость идеального холостого хода при ослабленном поле

Модуль жесткости при ослабленном поле

Уравнение механической характеристики при Ф = 0,45Фном

Механическая характеристика при ослабленном поле построена по этому уравнению на рис. 3.10 (прямая 2). Скорость идеального холостого хода при пониженном напряже­нии Uя

Уравнение механической характеристики при

Соответствующая зависимость показана на рис. 3.10 (прямая 3). Номинальное сопротивление

Заданное значение суммарного сопротивления якорной цепи для расчета реостатной характеристики

Модуль жесткости реостатной механической характеристики

Уравнение этой характеристики

Для построения характеристики по двум точкам определим момент короткого замыкания:

Ток короткого замыкания

Реостатная механическая характеристика, соответствующая Rя= 5,86Ом, построена на рис. 3.10 (прямая 4).