Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, когда для питания цепи возбуждения используется отдельный источник постоянного тока, находит применение в регулируемых электроприводах.
Якорь двигателя М и его обмотка возбуждения LМ обычно получают питание от разных, независимых друг от друга источников напряжения U и UВ, что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре двигателя и на обмотке возбуждения. Направление тока I и эдс вращения двигателя Е, соответствуют двигательному режиму работы, когда электрическая энергия потребляется двигателем из сети: Рэ = Uс I и преобразуется в механическую, мощность которой Рм = М ω. Зависимость между моментом М и частотой вращения ω двигателя определяется его механической характеристикой.
Рис. 266 Схема включения ДПТ
При установившемся режиме работы двигателя приложенное напряжение U уравновешивается падением напряжения в якорной цепи I × R и наведенной в якоре эдс вращения Е, т.е. U = I R + E,
где I – ток в якорной цепи двигателя;
R = Rя + Rр1 – суммарное сопротивление якорной цепи, Ом, включающее внешнее сопротивление резистора Rp1 и внутреннее сопротивление якоря двигателя Rя (при наличии дополнительных полюсов учитывается и их сопротивление): E = k Ф ω,
где k – конструктивный коэффициент двигателя;
k = pN/2a (р – число пар полюсов двигателя;
N – число активных проводников обмотки якоря;
2а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
Ф – магнитный поток двигателя.
Подставив в уравнение баланса напряжений якорной цепи выражение для Е и выразив ω, получим:
Это уравнение называется электромеханической характеристикой двигателя.
Для получения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента двигателя. Запишем формулу связи момента с током якоря двигателя и магнитным потоком: M = k Ф I
Выразим ток якоря двигателя через момент и подставим в формулу электромеханической характеристики:
где ω0 = U / kФ – частота вращения машины в режиме идеального холостого хода;
β = (kФ)2 / R – жёсткость механический характеристики машины.
Механическая характеристика двигателя при неизменных параметрах U, R и Ф представляется прямой линией 1.
Рис. 267 Механические характеристики двигателя
Механические характеристики двигателя:
1 - естественная характеристика;
2 - искусственные характеристики при изменении напряжения на якоре;
3 - искусственные характеристики при изменении сопротивления якорных цепей
На холостом ходу (М = 0) двигатель вращается с частотой вращения ω0. По мере увеличения момента нагрузки частота вращения снижается, номинальному моменту нагрузки Мн соответствует номинальная частота вращения ω0. Изменение величины питающего напряжения вызывает пропорциональное уменьшение частот вращения во всех режимах работы. При этом жесткость механической характеристики β сохраняется, так как его величина, согласно, определяется сопротивлением якорной цепи, конструктивным коэффициентом и магнитным потоком машины.
Согласно, путем изменения величины питающего напряжения U от нуля до номинального значения (например, при помощи управляемого тиристорного выпрямителя), можно изменять частоту вращения вала в широких пределах. При этом диапазон плавного и экономичного регулирования частоты вращения – глубина регулирования – находится по формуле:
где ωmax, ωmin – максимально и минимально возможные частоты вращения при данном способе регулирования.
Практически значение глубины регулирования достигает 10…100 тыс. Столь большой диапазон регулирования позволяет исключить или значительно упростить механическую трансмиссию.
Вторым способом регулирования частоты вращения двигателя является изменение сопротивления якорных цепей – путём включения последовательно в цепь якоря регулировочного резистора RР1 (рис. 266). В этом случае, при увеличении сопротивления жесткость характеристики машины уменьшается (рис. 267, линии 3). Как видно из рис. 267, частота вращения машины при идеальном холостом ходе: М = 0 не изменяется, а с ростом момента нагрузки частота вращения снижается значительно (β уменьшается). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения в значительном диапазоне, однако вследствие значительных потерь мощности в регулировочном резисторе резко снижается кпд привода:
Регулирование частоты вращения машины постоянного тока магнитным потоком машины Ф – за счёт изменения тока возбуждения резистором RР2 – является экономичным способом, так как потери в резисторе RР2 не велики вследствие малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения по сравнению с номинальной (глубина регулирования не превышает D = 2…3. Такой способ регулирования предусмотрен для большинства машин.
Ранее была рассмотрена работа двигателя независимого возбуждения в двигательном режиме, чему соответствовали механические характеристики, представленные и расположенные в первом квадранте координатных осей. Однако этим не исчерпываются возможные режимы работы электродвигателя и его механические характеристики. Весьма часто в современных электроприводах необходимо быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Быстрота и точность, с какой будут проделаны эти операции, во многих случаях определяют производительность механизма. Во время торможения или перемены направления движения (реверса) электродвигатель работает в тормозном режиме на одной из механических характеристик, соответствующих осуществляемому способу торможения.
Рис. 268 Механические характеристики двигателя при различных режимах
Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при различных режимах работы: 1 – механическая характеристика при номинальном напряжении на якоре;
2 – механическая характеристика при напряжении на якоре, равном нулю
Здесь, кроме участка характеристик, соответствующих двигательному
режиму (квадрант I), показаны участки характеристик в квадрантах II и IV, характеризующие три возможных способа генераторного
электрического торможения, а именно:: |  1. Торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное).
Торможение с отдачей энергии в сеть, или рекуперативное торможение (генераторный режим работы параллельно с сетью) осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его эдс Е больше приложенного напряжения U. Двигатель здесь работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдает электрическую энергию; ток при этом изменяет свое направление, следовательно, изменяет знак и момент двигателя, т. е. он становится тормозным:
М = – Ia Ф. Если обозначить тормозной момент через МТ = –М, то уравнение при ω > ω0 примет следующий вид:
Как видно из выражения, жесткость (наклон) механической характеристики в рассматриваемом генераторном режиме будет такой же, как и в двигательном. Поэтому графически механические характеристики двигателя в режиме торможения с отдачей энергии в сеть являются продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II. Этот способ торможения возможен, например, в приводах транспортных и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых способах регулирования скорости, когда двигатель, переходя к низшим скоростям, проходит значения ω>ω0. Такое торможение является весьма экономичным, поскольку оно сопровождается отдачей в сеть электрической энергии. |
2. Динамическое торможение. Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор, поэтому иногда его называют реостатным торможением. Обмотка возбуждения при этом должна оставаться присоединенной к сети.
Рис. 269 Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при динамическом торможении
При динамическом торможении, так же, как и в предыдущем случае, механическая энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую. Однако эта энергия не отдается в сеть, а выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря.
Так как при динамическом торможении якорные цепи машины отключены от сети, то в выражении следует приравнять нулю напряжение U, тогда уравнение примет вид:
При динамическом торможении механическая характеристика двигателя представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи.
Динамическое торможение широко используется для останова привода при отключениях его от сети (особенно при реактивном характере момента), например при спуске грузов в подъемных механизмах. Оно достаточно экономично, хотя и уступает в этом отношении торможению с отдачей энергии в сеть. |
3. Торможение противовключением. Торможение противовключением (генераторный режим работы последовательно с сетью) осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону. Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза. Такой же режим получается и при переключении обмотки якоря (или обмотки возбуждения) двигателя для быстрой остановки или для изменения направления вращения на противоположное.
Графическое изображение механической характеристики для торможения противовключением, когда имеет место, например, так называемый тормозной спуск груза, механическая характеристика при торможении противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в квадрант IV. |
|
|
