4.4 Построение механических характеристик двигателя независимого возбуждения. Двигателя независимого возбуждения


2.2.2. Пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Вмомент пуска двигателя (подключения якорной цепи к сети) ω = 0 и Е = 0. Из (2.1) получаем:

.

Обычно RЯ очень мало, поэтому пусковой ток IЯП может в десятки раз превышать номинальный IЯН. В зависимости от типа и мощности двигателя пусковой ток ограничивают до IЯП = (2...3) IЯН, включением в цепь якоря пускового реостата рис. 2.6. Определим сопротивление пускового реостата:

.

В момент пуска двигателя выключатель SA разомкнут. Ток якоря течет через пусковой реостат. После разгона двигателя RП закорачивают, замыкая контакты SA.

2.3. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения (дпт-пв)

Обмотки якоря и возбуждения такого двигателя включены последовательно рис. 2.7 и по ним протекает один и тот же токIЯ.

Предположим, что зависимость между потоком возбуждения и током, протекающим по ОВ – линейная:

, (2.6)

где α – коэффициент пропорциональности.

Подставим (2.6) в выражение момента (2.3) и выразим ток якоря:

.

(2.7)

Подставим выражения (2.6) и (2.7) в (2.4), получим механическую характеристику двигателя с последовательным возбуждением:

.

(2.8)

Выражение (2.8) показывает, что скорость вращения якоря обратно пропорциональна моменту на валу двигателя. Определим асимптоты механической характеристики.

При М → 0; ω → 0.

При М → ∞; .

Построенная на рис. 2.9 характеристика имеет гиперболический характер. Чем меньше момент нагрузки на валу двигателя, тем больше скорость вращения вала двигателя. Поэтому, при работе двигателя на холостом ходу, скорость вращения вала может вырасти настолько, что центробежные силы вырвут якорные обмотки из пазов и двигатель выйдет из строя. Поэтому, такие двигатели без нагрузки включать не допускается.

Пусковые режимы этот двигатель переносит хорошо, благодаря активному и индуктивному сопротивлению обмотки возбуждения, ограничивающей ток якоря. Направление вращения двигателя не зависит от полярности напряжения питания, т.к. направление тока меняется одновременно и в якорной цепи и в обмотке возбуждения. Поэтому некоторые двигатели с последовательным возбуждением работают и в цепях переменного тока, их называют универсальными.

2.4. Двигатели переменного тока

В настоящее время практически вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока, соответственно и двигатели переменного тока получили самое широкой распространение. Но и среди них есть рекордсмены - это трехфазные асинхронные двигатели.

Более 90 % всех двигателей применяемых в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве – это трехфазные асинхронные двигатели (АД). Что объясняется простотой изготовления и эксплуатации, их низкой стоимостью и высокой надежностью в работе в сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока.

Статор АД имеет трехфазную обмотку, соединяемую в звезду или треугольник, и обмотку ротора.

В зависимости от конструкции обмотки ротора различают АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором.

studfiles.net

Устройство и принцип действия ДПТ

Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) отличает от других двигателей наличие специального механического коммутатора – коллектора. Несмотря на то, что из-за этого ДПТ менее надежны и дороже двигателей переменного тока, имеют большие габариты, они находят применение, когда их особые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, по перегрузочной способности и экономичности, по возможности получения характеристик специального вида, и т.д.

В настоящее время ДПТ применяют в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков, роботов, на транспорте и т.д. ДПТ небольшой мощности используют в различных автоматических устройствах.

Устройство и принцип действия ДПТ

Внешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1, а его поперечный разрез в упрощенном виде – на рис. 2. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы 2 имеют полюсные наконечники, служащие для равномерного распределения магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных – обмотки дополнительных полюсов 5.

Рис. 1. Внешний вид двигателя постоянного тока

Рис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение): 1 – корпус; 2 – главные полюсы; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительные полюсы; 5 – обмотка дополнительных полюсов; 6 – якорь; 7 – обмотка якоря; 8 – щетки; 9 – коллектор; 10 – вал.

В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается обмотка якоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8.

Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля, показанного на рис. 2 условно с помощью двух силовых линий, изображенных пунктиром. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и на электрических схемах часто не изображают. На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными полюсами. В зависимости от мощности и напряжения машины могут иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов.

У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания с напряжениями и . Как правило, . В общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы rд и rр (см. рис.3). Их назначение будет пояснено далее.

Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготавливают на одинаковые напряжения и . В этом случае цепи обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением . Такие ДПТ называют двигателями параллельного возбуждения. Если мощность источника питания значительно превышает мощность двигателя, то процессы в якорной обмотке и в обмотке возбуждения протекают независимо. Поэтому такие двигатели являются частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства одинаковы.

Рис. 3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого возбуждения: 1 – цепь обмотки якоря; 2 – цепь обмотки возбуждения.

При подключении двигателя к источнику питания в обмотке якоря протекает ток Iя, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент, действующий на якорь

, (1)

где k – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф – магнитный поток одного полюса.

При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки Мс якорь начинает вращаться с угловой скоростью w и в нем наводится ЭДС

(2)

У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности напряжения источника U, поэтому с ростом скорости w ток Iя уменьшается

(3)

где rя – сопротивление якорной цепи двигателя при rд = 0.

Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента. При равенстве моментов и скорость вращения якоря перестает изменяться. Чтобы изменить направление вращения двигателя следует изменить полярность напряжения . Это приведет к изменению направления тока и направления момента . Двигатель начнет замедляться, а затем разгонится в обратную сторону.

Пуск двигателя

В первое мгновение при пуске скорость двигателя w = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0. Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению пусковой ток якоря , как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи rя (при rд=0)

(4)

Значение сопротивления относительно невелико (обычно в пределах 1 Ом), поэтому если напряжение близко по значению к номинальному напряжению, значение пускового тока может в (10–30) раз превышать номинальное значение тока двигателя . Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения пускового тока является увеличение суммарного сопротивления якорной цепи ДПТ при неизменном значении напряжения U. Для этого последовательно с якорем включают дополнительный пусковой реостат (на рис. 3 не показан), который обычно выполняют в виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостата выключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные потери мощности.

Более экономичным способом снижения пускового тока является пуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре U по мере разгона двигателя и увеличения ЭДС Е. Как следует из выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U, при котором ток на протяжении всего времени пуска не будет превышать допустимого значения. В лабораторной установке, используемой при выполнении данной работы, используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока.

Похожие статьи:

poznayka.org

4.4 Построение механических характеристик двигателя независимого возбуждения

Для построения механической характеристики двигателя независимого возбуждения, естественной или реостатной, достаточно знать лишь две ее точки, поскольку все механические характеристики теоретически представляют собой прямые линии (рис. 4.3). Эти две точки для каждой характеристики могут быть любыми, однако построение естественной механической характеристики удобно производить по точкам, одна из которых соответствует номинальному электромагнитному моменту двигателя и номинальной скорости (и), а другая - скорости идеального холостого хода (и). Номинальная скорость двигателя определяется по паспортным данным. Номинальный электромагнитный момент вычисляется по формуле

Скорость идеального холостого хода для естественной характеристики может быть получена из (4.9), если числитель и знаменатель ее умножить на и учесть, что

тогда

(4.13)

Так как в каталогах внутреннее сопротивление якоря обычно не указывается, то его ориентировочно определяют, принимая, что половина всех потерь в двигателе при номинальной нагрузке связана с потерями в меди якоря. Поэтому.

Отсюда

. (4.14)

Пользуясь естественной механической характеристикой, легко построить и реостатную характеристику при любом сопротивлении реостата . Она также строится по двум точкам: угловой скорости идеального холостого хода(приМ = 0) и угловой скорости, соответствующей номинальному моменту при заданном сопротивлении резистора , т. е.(при). Угловая скоростьопределяется по формуле

(4.15)

Механическая характеристика может быть построена также по точке идеального холостого хода и точке, соответствующей режиму короткого замыкания где , а скорость. Угловую скоростьопределяем по (4.13), а момент, пренебрегая реакцией якоря, - по формуле

(4.16)

где - ток короткого замыкания.

Сопротивление якорной цепи может быть различным в зависимости от сопротивления внешнего резистора. В соответствии с этим будут различными для различных реостатных характеристик и токи короткого замыканияи, моменты короткого замыкания.

Для естественной механической характеристики значение момента короткого замыкания является наибольшим, так как при этом ток короткого замыкания ограничивается лишь внутренним сопротивлением обмоток якоря двигателя.

С учетом сказанного уравнение механической характеристики представляется в следующем виде:

. (4.17)

Согласно (4.17) при скорость. Если в (4.17) положить, то скорость. Это будут (при различных реостатных характеристиках) точки, лежащие на оси абсцисс (рис. 4.3) и определяемые в конечном счете сопротивлениями, ограничивающими ток и момент короткого замыкания.

Так, если у нескольких двигателей механические характеристики обладают одинаковой жесткостью, то указанные характеристики, выраженные в относительных единицах, будут для всех этих двигателей представлены одной и той же прямой.

Уравнение характеристики двигателя независимого возбуждения в относительных единицах легко может быть получено из (4.4), если выразить его следующим образом:

. (4.18)

Разделив затем левую и правую части (4.18) на получим:

; (4.19)

после преобразований

(4.20)

или соответственно (при )

(4.21)

где ;;- соответственно угловая скорость, ток и момент двигателя в относительных единицах;- сопротивление в относительных единицах;- номинальное сопротивление двигателя.

Номинальным сопротивлением двигателя постоянного тока называется такое сопротивление, которое при неподвижном якоре и номинальном напряжении ограничивает ток в якоре до номинального значения.

Рис. 4.4 Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при пуске

В (4.20) и (4.21) второй член правой части представляет собой перепад (статическое падение) угловой скорости, выраженный в относительных единицах и равный:

(4.22)

Последнее равенство позволяет при известных условиях значительно упростить расчет механических характеристик. Действительно, если рассматривать точки механических характеристик, отвечающие номинальному моменту, то для них иследовательно, равенство

(4.22) принимает вид:

(4.23)

Это означает, что при номинальном моменте относительный перепад угловой скорости двигателя численно равен относительному сопротивлению якорной цепи двигателя.

Произведем теперь в качестве примера построение механических характеристик двигателя независимого возбуждения, схема включения которого представлена на рис. 4.4. Процесс пуска двигателя состоит в том, что вначале замыкается выключатель К, затем через некоторые промежутки времени по мере увеличения угловой скорости замыкаются последовательно выключатели К1, К2 и К3. Когда же все контакты замкнутся и пусковой резистор окажется полностью зашунтированным, двигатель начнет работать с определенной угловой скоростью на естественной механической характеристике.

Рис. 4.5 Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения в относительных единицах

Естественная характеристика в относительных единицах легко может быть построена, если принять согласно (4.21) и (4.23)

и при.

Координаты одной точки характеристики:

;

другой

Проведенная через эти две точки прямая и будет естественной механической характеристикой. Указанное построение произведено на рис. 4.5. Там же дано построение реостатных характеристик и графическое определение сопротивлений.

Построение реостатных характеристик и расчет сопротивлений резисторов имеют значение при проектирований схем автоматизированного пуска двигателя, Для построения реостатных характеристик принято, что момент и ток двигателя при пуске изменяются в пределах от дои отдо. Значениепри номинальном потоке двигателя обычно принимается по условиям коммутации равным 2-2,5. Что касается значениято его нужно принять по крайней мере на 10-20 % больше момента сопротивления механизма;

В соответствии с характеристикой 1-2 двигатель увеличивает угловую скорость до значения, определяемого положением точки 2, затем должна быть зашунтирована первая ступень резистора (замыкается выключатель К1 схемы на рис. 4.5.). Угловая скорость двигателя из-за инерционности электропривода не может измениться сразу, а момент, если пренебречь индуктивностью якоря, возрастает мгновенно до значения поэтому переход на новую характеристику осуществляется по линии 2-3, параллельной оси абсцисс. Далее двигатель будет увеличивать угловую скорость соответственно прямой 3-4 до точки 4, и когда замкнется выключательК2, произойдет переход на следующую характеристику. После замыкания выключателя КЗ наступает переход на естественную характеристику (6-7). Если при пуске нагрузка на валу двигателя соответствует номинальному моменту, то двигатель по окончании пуска работает на естественной характеристике со скоростью, соответствующей .

Согласно (4.23) вертикальные отрезки на линии, проведенной через точку , соответствуют отдельным ступеням сопротивления якорной цепи в относительных единицах (рис. 4.5). Ординатав относительных единицах равна номинальному сопротивлению, т. е.. Ординаты,,,равны соответственно относительным сопротивлениям отдельных ступеней якорной цепи двигателя. Если из указанных относительных величин вычесть относительное внутреннее сопротивление двигателя, отмеченное отрезком, то получатся относительные сопротивления отдельных ступеней реостата (соответствующие ординатам,и). Отдельные секции реостата R1, R2 и R3 (рис. 4.5) имеют относительные сопротивления,исоответствующие отрезкам,и(рис. 4.5).

Для перехода от сопротивлений, выраженных в относительных единицах, к значениям сопротивлений в Омах, производится соответствующий пересчет по равенству

studfiles.net

Матописание ДПТ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением имеет обмотку якоря и обмотку возбуждения, которые в общем случае получают питание от независимых источников постоян­ного тока. Необходимым условием непрерывного процесса электромеханического преобразования энергии является проте­кание переменных токов хотя бы по части обмоток машины. Выполнение этого условия в машине постоянного тока обеспечивается работой коллектора, коммутирующего постоянный ток, поступающий в якорную обмотку со стороны источника питания, с частотой , равной электрической скорости ротора.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения можно описать следующей системой дифференциальных уравнений:

,

, (1)

,

,

где , - напряжение и ток цепи возбуждения, , - сопротивления и индуктивность цепи возбуждения, , - напряжение и ток якорной цепи, , - сопротивления и индуктивность якорной цепи, - взаимная индуктивность обмоток якоря и возбуждения, - угловая скорость ротора, - электромагнитный момент двигателя, - момент нагрузки, , - число пар полюсов, - суммарный момент инерции двигателя и нагрузки.

Нетрудно видеть, что первые два уравнения полученной системы представляют собой уравнения Кирхгофа для цепей возбуждения и якоря машины, причем последний член урав­нения для цепи якоря есть ЭДС двигателя:

. (2)

Момент двигателя определяется соотношением

(3)

Следовательно, для записи уравнений механической харак­теристики двигателя постоянного тока можно, как это принято, непосредственно использовать схему его цепей на постоян­ном токе, приведенную на рис. 1.

Математическое описание механической характеристики двигателя постоянного то­ка (1) при переменном потоке нелинейно в связи с тем, что ЭДС двигателя е и электромагнитный момент Мдв пропорциональны произведениям потока соответственно на скорость и ток якоря. Во многих случаях двигатель с независимым возбуждением работает при постоянном потоке Ф=const, при этом уравнения механи­ческой характеристики линеаризуются и после преобразова­ний математическое описание динамических процессов преоб­разования энергии в двигателе с независимым возбуждением представляется в виде следующего уравнения механической характеристики:

. (4)

Рис. 1. Естественная схема включения двигате­ля с независимым возбуждением

Подстановка в (4) дает уравнение электромеха­нической характеристики:

. (5)

Как частный результат полученного математического опи­сания могут быть определены уравнения статических электро­механической и механической характеристик двигателя. При постоянном потоке уравнения этих характеристик с помощью (4) и (5) при записываются в виде

; (6)

. (7)

Рассматривая полученные уравнения, можно заключить, что при Ф=const электромеханическая и механическая харак­теристики двигателя с независимым возбуждением линейны. Поэтому положение каждой характеристики может быть оха­рактеризовано двумя точками: точкой идеального холостого хода, в которой ;, и точкой короткого замыкания, в которой. В соответствии с (6) и (7) первой из них соответствует скорость идеального холостого хода:

. (8)

Второй соответствуют момент и токкороткого за­мыкания. Их можно определить, решив (6) и (7) относи­тельно тока и момента. Приняв в этих уравнениях, получим

, . (9)

Получим структурную схему двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при питании его от источника напряжения.

Обозначив , исходную систему уравнений (1) можно переписать в следующем виде:

,

,

,

,

где - электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения,- электромагнитная постоянная времени цепи якоря.

На основе этих уравнений можно получить структурную схему двигателя постоянного тока независимого возбуждения (см. рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Естественные статические характеристики. Электрический двигатель проектируется и изготавливается для определенного расчетного режима, называемого номиналь­ным режимом работы. Этот режим реализуется в естественной схеме включения, которая для двигателя с не­зависимым возбуждением приведена на рис. 1. Она соответ­ствует отсутствию добавочных сопротивлений в якорной цепи и номинальным значениям напряжения и потока Ф=Фном. Электромеханическая и механическая статические характеристики двигателя, соответствующие этим условиям работы, называются естественными характеристиками (уравнения (6) и (7)).

Естественная механическая характеристика двигателя дает основные представления об электромеханических свойствах двигателя. Она определяет его рабочую - номинальную - скорость и показывает, как изменяется скорость электропри­вода при изменениях нагрузки в статических режимах работы. Чем выше модуль жесткости естественной характеристики (т.е. чем меньше ее наклон), тем более стабильна скорость электропривода при широких пределах изменения его нагрузки, и напротив, при малой жесткости механической характеристики изменения рабочей скорости механизма при изменениях нагрузки могут быть значительными.

Искусственные статические характеристики. Для управления работой двигателя производятся необходи­мые изменения параметров и воздействий, определяющих его механические и электромеханические характеристики. В соот­ветствии с (6) и (7) такими параметрами и воздействиями являются суммарное сопротивление якорной цепи , магнит­ный поток машины Ф, приложенное к якорной цепи напря­жение . 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, а. При этом суммарное сопротивление якорной цепи увеличи­вается:

.

Соответственно ограничивается ток короткого замыкания

и увеличивается наклон статической механической характеристики.

Скорость идеального холостого хода остается неизменной , а между током и моментом сохраняется пропорциональность 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 представлено на рис. 3,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.

Рис. 3. Схема (а) и реостатные характеристики двигателя с неза­висимым возбуждением (6)

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 и уменьшение момента короткого замы­кания, а ток короткого замыкания при этом не претерпевает изменений. Соответственно наклон статической механической характеристики увеличивается пропорциональ­но квадрату потока. Изложенным объясняется форма статических характеристик двигателя при различных потоках, построенных на рис. 4 с помощью фор­мул (6) и (7). При рассмотрении этих характеристик сле­дует иметь в виду, что рабочий участок характеристик дви­гателя ограничивается его перегрузочной способностью и, как показано на рис. 4 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 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, однако это является исключением из общего правила. Как следует из (7), при изменениипропорционально изменяется скорость идеального холостого хода двигателя, а наклон механических характеристик при любом уровне напряжения одинаков, поэтому механические характеристики приимеют вид параллельных прямых, показанных на рис. 5. 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 дообеспечи­вает наиболее благоприятные условия пуска двигателя.

Рис. 4. Электромеханические (а) и механические (б) характеристики двигателя с независимым возбуждением при ослаблении поля

Рис. 5. Механические характе­ристики двигателя с независи­мым возбуждением при

В представленном на рис. 5 семействе характеристик определенным своеобразием отличается характеристика, соот­ветствующая . Так как энергия к якорной цепи от внешнего источника не подводится, эта характеристика прохо­дит 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. Эторежим динамического торможения, в котором двигатель работает генератором на сопротивление якорной цепи. В общем случае, когда сеть имеет нерегулируемое напряжение, т. е. , для осуществления режима динамического торможения двигатель должен быть отключен от сети и его якорь замкнут на внешний резистор(рис. 6, а). Уравнения статических характеристик двигателя при динамическом торможении мож­но получить, положив в (6) и (7):

;

.

Рис. 6. Схема включения (а) и характеристики двигателя с неза­висимым возбуждением (б, в)

Увеличение сопротивления якорной цепи из-за введения добавочных сопротивленийувеличивает наклон механи­ческих характеристик в режиме динамического торможения так же, как и в двигательном режиме. Аналогично изменяется наклон механических характеристик динамического торможения и при ослаблении поля двигателя. Механические характеристики, соответствующие различным, представлены на рис. 6,б, а при ослаблении поля - на рис. 6, в. Электромеханические характеристики при введении сопротивле­ний отличаются от механических только масштабом по оси абсцисс, как это и отмечено на рис. 6, б. При переменном потоке коэффициент пропорциональности между током и мо­ментом для различных характеристик неодинаков, поэтому на рис. 6, в представлены только механические характеристи­ки, а подобные им по форме электромеханические не показаны.

studfiles.net

Реверсирование двигателя независимого возбуждения и механические характеристики для прямого и обратного напрявления вращения.

Для изменения направления вращения ДНВ нужно изменить направление действия момента, чего можно достичь изменением направления IЯили Ф, как следует из выражения:

.

Обычно это осуществляется изменением направленияIЯ, т.к. изменение направления Ф сильно затянуло бы процесс реверса из-за большой индуктивности обмотки возбуждения. Кроме того, в ней при ее отключении и быстром исчезновении Ф может навестись большая ЭДС самоиндукции, которая может вызвать пробой изоляции.

Схема реверса двигателя изображена на рис.

Всоответствии с 2-мя направлениями вращения имеют место 2-семейства механических характеристик. Для положительного направления вращения одно семейство пересекается в точке0, а для противоположного направления вращения – в точке -0.Уравнение механической характеристики для обратного направления вращения имеет вид:

.

Эта форма уравнения более удобна при рассмотрении режимов работы, отображенных во II, III, иIVквадрантах.

Тормозные режимы двигателя независимого и параллельного возбуждения.

Процессы торможения для значительного числа электроприводов являются очень ответственными, т.к. нечеткая работа, а тем более отказ в работе тормозного устройства, могут привести к серьезным авариям. Почти во всех рабочих механизмах с электроприводом используется электрическое торможение. Возможны следующие тормозные режимы электродвигателей:

  1. Генераторное с рекуперацией энергии в сеть;

  2. Торможение противовключением;

  3. Электродинамическое, называемое обычно просто динамическим, торможение.

Все тормозные режимы являются генераторными.

Генераторное торможение с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть.

Переход двигателя в тормозной режим с отдачей энергии в сеть будет иметь место тогда, когда скорость двигателя будет больше скорости идеального холостого хода0. В этом случае ЭДС двигателя становится больше приложенного напряженияU. Ток якоря

при этом меняет направление. Такой режим имеет место при активном моменте сопротивления, например, при спуске груза, когда момент двигателя действует в направлении спуска груза. Под действием момента двигателя и исполнительного механизма система будет ускоряться. При этом противо ЭДС двигателя начнет расти, а ток падать. По достижении якорем скорости=0, ЭДС станет равной напряжениюUсети и машина не будет потреблять тока. Дальнейшее повышение скорости под влиянием движущего момента исполнительного механизма сделает ЭДС двигателя по абсолютной величине больше напряжение сети и двигатель, перейдя в генераторный режим, будет отдавать энергию в сеть, поскольку токIяизменит направление на противоположное. Момент, развиваемый при этом двигателем, будет тормозным. Двигатель превращается в генератор, преобразующий механическую энергию, подводимую к валу со стороны рабочей машины, в электрическую. Как только растущий тормозной момент двигателя станет равным движущему моменту Мс, создаваемому рабочей машиной, наступит установившийся режим спуска с постоянной скоростью.

Т.к. переход из двигательного в тормозной режим произошел без изменения параметров двигателя и схемы его включения в сеть, уравнение механической характеристики остается прежним, так же, как и жесткость характеристики. Графически механические характеристики для режима рекуперации энергии в сеть являются естественными продолжением характеристик двигательного режима в область IIквадранта (см. рис.).

Увеличение сопротивления цепи якоря увеличивает крутизну механической характеристики. При этом то же значение тормозного момента получается при большей скорости. Практически этот способ электрического торможения применяется при спуске тяжелых грузов со скоростью, превышающей скорость0, как показано на следующем рис.

Характеристика двигателя при его разгоне (он включается в направлении спуска груза) пойдет из IIIквадранта вIV. После достижения скорости -0система будет разгоняться менее интенсивно, т.к. знак момента двигателя меняется на обратный. При некоторой скорости наступит равновесие моментов Мдв=Мс. Груз будет спускаться с постоянной скоростьюУ.

Режим рекуперативного торможения возможен и при реактивном моменте сопротивления. Если двигатель, работающий, например, при номинальном напряжении, мгновенно переключить на пониженное напряжение (что возможно в системах ГД, ТП-Д), то в 1-й момент в силу инерционности скорость мгновенно не изменится, а двигатель окажется работающим на искусственной характеристике, соответствующей пониженному напряжению (см. рис.) в т.2 в генераторном режиме, развивая тормозной момент. Скорость, так же и тормозной момент, начнут уменьшаться, причем до т. А торможение сопровождается отдачей энергии в сеть, а с т. А до новой установившейся скорости2в т.2, начнется замедление с потреблением энергии из сети.

Режим рекуперативного торможения можно получить при реактивном Мстакже путем быстрого изменения магнитного потока возбуждения. Если двигатель работал с ослабленным потоком Ф<Фн(см. рис.), то после увеличения потока, например, до Фнв 1-й момент скорость двигателя не изменится, но ЭДС возрастет согласно выражениюи станет большеUc. Ток изменит направление на противоположное, момент машины станет тормозным. Двигатель с т.2 начнет тормозится сначала с отдачей энергии в сеть,(до т. А), а затем с потреблением энергии из сети. В т.3 М станет равным Мси наступит установившийся режим работы со скоростью, соответствующей новому значению магнитного потока.

Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть экономично, т.к. сопровождается отдачей энергии в сеть. Мощность, отдаваемая в сеть , гдеRД– добавочное сопротивление, которое в общем случае может иметься. КПД машины в этом режиме

studfiles.net

34. Характеристика дпт с параллельным возбуждением.

Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение Uн=const.

Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения

Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=Ia+Iв, ток возбуждения обычно равен Iв=(0,03...0,04) Iн. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения rв=const и якоря

Σr = const.

 

Скоростная характеристика.

Зависимость n=f (Ia) при Uн=const и Iв=const

Из уравнения ЭДС для электродвигателя

 

имеем

Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.

Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока Ia уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.

На рис. 2  показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния Ia∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.

Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения

Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.

Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.

Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно , где no — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений Rрг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.

Моментная характеристика – это зависимость М=f (Ia) при rв=const, U=Uн и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно

имеем Mэм = M2+M0 = смIaФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока Ia несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).

Характеристика КПД η=f (Ia) снимается при U=Uн, rв=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Рн , достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Рн, а затем до Р=Рностается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.

Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=Uн, Iв=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя

Определив ток Iа из выражения М = сеIaФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим

Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления Rрг включенного в цепь якоря. При Rрг=0 характеристика называется естественной.

Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения

Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения Iв=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.

studfiles.net

2.2. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (дпт-нв)

Обмотки возбуждения и якоря этого двигателя питаются от разных источников (рис. 2.3,а). Где UB и IB – напряжение источника питания и ток обмотки возбуждения; U и IЯ – напряжение источника питания и ток якоря. Функцию обмотки возбуждения у таких двигателей может выполнять и постоянный магнит (рис. 2.3,б).

Для двигателя с независимым возбуждением величинаСМ Ф = const, поэтому вид электромеханической и механической характеристики в соответствии с (2.4) и (2.5) будет один и тот же (рис. 2.3).

Характерные точки характеристик

1. ПриIЯ = 0 и М = 0; ω = ωхх (ωхх – скорость холостого хода двигателя). В режиме холостого хода механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует.

2. При ω = 0; IЯ = IП и М = МП (IП и МП – пусковой ток и пусковой момент двигателя). В литературе их иногда называют как IКЗ и МКЗ (током и моментом короткого замыкания), т.к. режим короткого замыкания для электродвигателя соответствует неподвижному состоянию якоря, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус.

2.2.1. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основное преимущество двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока – это относительная легкость регулирования частоты вращения. Известно несколько способов регулирования скорости, которые можно получить из анализа зависимостей (2.4) или (2.5). Регулирование осуществляют: путем изменения сопротивления обмотки якоря, точнее включением последовательно с ней добавочного сопротивления; изменением потока возбуждения или напряжения питания якоря.

Первый способ отличают небольшие затраты на его осуществление, но при эксплуатации, из-за больших потерь мощности на добавочном сопротивлении, его целесообразно применять только для маломощных двигателей и там, где не предъявляется больших требований к стабильности скорости, т.к. этот способ снижает жесткость механической характеристики двигателя.

На практике изменение магнитного потока возбуждения возможно только в сторону его уменьшения, т.к. при увеличении потока, требуется повысить ток возбуждения выше номинального, что приведет к перегреву обмотки возбуждения и двигателя в целом. Кроме того, двигатель рассчитан и сконструирован так, что его магнитная система близка к насыщению, поэтому увеличение тока возбуждения не приведет к заметному росту потока возбуждения. Однако, уменьшение потока возбуждения из (2.4) приводит к росту скорости двигателя. На практике же в большинстве случаев требуется ее снижать, что в данном способе невозможно.

Поэтому лучшим способом является регулирование скорости путем изменения напряжения питания якоря. В этом способе якорь двигателя подключают к регулируемому источнику постоянного тока, в качестве которого обычно служит управляемый выпрямитель УВ рис. 2.5. Управляемый выпрямитель обычно питается переменным трехфазным напряжением. Величиной выходного постоянного напряжения U управляют, например, путем изменения величины управляющего напряжения UУ, что может осуществлять оператор или система автоматического регулирования. Регулировочные механические характеристики при этом имеют вид, показанный на рис. 2.6. Они имеют вид прямых с одинаковым наклоном к оси абсцисс, т.е. жесткость (наклон) характеристики не меняется с изменением скорости вращения.

Реверс двигателя (изменение направления вращения якоря) осуществляют, меняя полярность источника питания якорной цепи или цепи возбуждения.

studfiles.net