Какие существуют способы регулирования скорости двигателей постоянного тока

Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока

>С увеличением нагрузки на валу двигателя увеличивается так же и ток в якоре. Это вызывает увеличение падения напряжения» сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах.

Так как ток возбуждения остается неизменным (машина нерегулируема), то магнитный поток также постоянен. Однако при увеличении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Ф несколько уменьшится. Увеличение Iяrя вызывает уменьшение скорости двигателя, а уменьшение Ф увеличивает скорость. Обычно падение напряжения влияет на изменение скорости в несколько большей степени, чем реакция якоря, так что с увеличением тока в якоре скорость умень­шается. Изменение скорости у двигателя этого типа незначительно и не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до номиналь­ной, т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют жесткую скоростную характеристику.

При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в якоре представится прямой линией. Но под воздействием

Вращающий момент двигателя реакции якоря с увеличением нагрузки происходит некоторое уменьшение магнитного потока и зависимость момента пойдет не­сколько ниже прямой линии.

Схема двигателя последовательного возбуждения показана на рис. 153. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два за­жима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь. Характеристики двигателя изображены на рис. 154. Число оборотов двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением:

где rс— сопротивление последовательной обмотки возбуждения. В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагруз­ки, что вызывает значительное изменение скорости. Так как паде­же напряжения в сопротивлении якоря и в обмотке возбуждения очень мало в сравнении с приложенным напряжением, то число оборотов можно приближенно определить следующим выражением:

Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который равен току в якоре. Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения скорость вращения обратно пропорциональна току в якоре и число оборотов резко уменьшается с увеличением нагруз­ки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристику. С уменьшением нагрузки скорость вращения двигателя увеличи­вается. При холостом ходе (Iя=0) скорость двигателя беспредель­но возрастает, т. е. двигатель идет в разнос.

Таким образом, характерным свойством двигателей последова­тельного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет минимальную допустимую нагрузку, составляющую 25—30% номи­нальной. При нагрузке меньше минимально допустимой скорость двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разрушение. Поэтому, когда возможны сбросы или резкие уменьшения нагруз­ки, использование двигателей последовательного возбуждения яв­ляется недопустимым.

В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызы­вает разноса, так как механические потери двигателя будут доста­точно большой нагрузкой для него.

Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным пото­ком и током в якоре (Ф = С’Iя), можно определить следующим выражением:

т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии. Таким обра­зом двигатели этого типа развивают большие вращающие момен­ты при малых оборотах, что имеет существенное значение при пуске больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели широко используют в транспортных и подъемных устройствах.

При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и встречное включение обмоток возбуждения.

Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широ­кого применения, так как они обладают плохими пусковыми свой­ствами и работают неустойчиво.

Скоростные характеристики двигателей смешанного возбужде­ния занимают промежуточное положение между характеристика­ми двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

С увеличением тока в якоре число оборотов якоря уменьшается в большей мере, чем для двигателей параллельного возбуждения, за счет увеличения магнитного потока, вызываемого увеличением тока в последовательной обмотке возбуждения. При холостом ходе двигатель смешанного возбуждения не идет вразнос, так как маг­нитный поток не уменьшается до нуля из-за наличия параллельной обмотки возбуждения.

При увеличении нагрузки в двигателях смешанного возбуждения увеличивается магнитный поток и вращающий момент возрастает в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, но в меньшей мере, чем в двигателях последовательного воз­буждения.

§ 116 РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока дают возможность плавно и эконо­мично регулировать скорость вращения в широких пределах. В результате этого весьма ценного свойства двигатели постоянного тока получили широкое распространение и часто являются неза­менимыми.

Число оборотов якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:

где rс — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для двигателя параллельного возбуждения rс=0). Это выраже­ние показывает, что изменение скорости вращения двигателя мож­но осуществить изменением напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.

Регулирование скорости вращения изменением напряжения сети осуществляется в случае, когда источником электрической энергий двигателя является какой-либо генератор.

Для регулирования скорости вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового ре­гулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное про­хождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается

Регулирование скорости вращения якоря двигателя изменением магнитного потока производится изменением тока в обмотке воз­буждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочный реостат. В двигателях последователь­ного возбуждения изменение тока в обмотке возбуждения дости­гается шунтированием этой обмотки каким-либо регулируемым со­противлением. Этот способ регулирования скорости не создает до­полнительных потерь и экономичен.

Читайте также:  Запуск двигателя hdd хабрахабр

§ 117. ПОТЕРИ И К. П. Д. МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из следующих потерь:

1. Потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На перемагничивание стали затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис. Одновременно, при вращении якоря в магнитном поле в сердеч­нике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.

Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.

Магнитная индукция зависит от э. д. с. машины или, иначе, от напряжения, а частота перемагничивания — от скорости вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме ге­нератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не за­висящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и ско­рость его вращения постоянны.

2. Потери энергии на нагревание проводов обмоток возбужде­ния и якоря протекающими по ним токами, называемые потерями в меди,— Роб.

Источник

Регулирование скорости двигателей постоянного тока

Из уравнения электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:

1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,

3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U . Ток в цепи якоря I я и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.

Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря . Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1 , а электромеханические и механические характеристики — на рис. 2 , а.

Рис. 1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.

Проведем анализ данного способа регулирования угловой скорости двигателей постоянного тока с помощью основных технико-экономических показателей. Так как при данном способе регулирования изменяется жесткость характеристик в широких пределах, то при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен ( D = 2 — З).

Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Диапазон регулирования скорости для данного способа D = 2 — 4 .

Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2 , а и 2 , б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления.

При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и U ном двигателя.

Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.

Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

Читайте также:  Схема регулятор для коллекторного двигателя 24 вольта

Источник

Основные сведения. Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоян-

Ного тока

Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоян-

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоян-

ного тока на примере электродвигателя с независимым ( параллельным ) возбуждением.

Уравнение естественной механической характеристики двигателя имеет вид

ω = ,

где ω – угловая скорость якоря;

U – напряжение на обмотке якоря;

.k – постоянный коэффициент;

Ф – магнитный проток обмотки ( обмоток ) возбуждения;

М – электромагнитный момент электродвигателя;

R— cопротивление обмотки якоря электродвигателя.

Из уравнения следует, что скорость двигателей с независимым ( параллельным )

возбуждением можно регулировать тремя способами:

1. изменением напряжения на обмотке якоря двигателя U;

2 изменением сопротивления цепи обмотки якоря R;

3. изменением магнитного потока полюсов Ф.

Первый способ регулирования – изменением напряжения на обмотке якоря, приме

няется только для двигателей с независимым возбуждением в т.н. «системах генератор – двигатель» ( см. ниже ).

Второй способ – изменением сопротивления цепи обмотки якоря, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с обмоткой якоря.

Этот способ позволяет изменить скорость двигателя только вниз от основной, при

чем с увеличением сопротивлений скорость двигателя умень­шается. Это объясняется уве-

личением падения напряжения в до­бавочных резисторах и уменьшением напряжения на зажи­мах якоря.

Положительное качество данного способа регулирования — его простота, т.к. он осуществляется путем введения ( выведения ) ступеней регулировочного реостата в цепь обмотки якоря двигателя.

Основным недостатком способа является большой расход энергии в добавочных

Этот способ применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якор-

но-швартовных устройств на постоянном токе.

Третий способ – изменением магнитного потока полюсов, на практике осуществля-

ется путем введения добавочных резисторов последовательно с параллельной обмоткой возбуждения. При этом магнитный поток возбуждения уменьшается, а скорость якоря увеличивается.

Скорость двигателей, специально сконструированных для работы с регулируемым потоком, может превышать номинальную в три раза и более, скорость остальных двигате-

лей повышается на 10 — 20 %. Верх­ний предел скорости ограничен условиями коммута-

ции, механи­ческой прочности или нагревом двигателя.

Положительное качество данного способа регулирования — его экономичность,

т.к. расход электроэнергии в регулировочном резисторе мал из-за небольшого значения тока возбуждения в цепи параллельной обмотки.

Основными недостатками способа являются возможность регулирования скорости только вверх от номинальной, а также увеличение тока якоря во столько раз, во сколько раз ослаблен магнитный поток.

Последняя особенность не позволяет применять этот способ регулирования при ра-

боте электропривода с номинальным моментом, т.к. при ослаблении потока ток якоря пре

высит номинальный, что недопустимо.

Поэтому этот способ регулирования применяется в электроприводах грузоподъем-

ных механизмов и якорно-швартовных устройств для получения высоких скоростей при перемещения холостого гака ( грузовые лебедки и краны ) или швартовного каната ( бра-

шпили, шпили ), т.е. при небольшой нагрузке на валу электродвигателя.

2.2. Регулирование скорости в системе «генератор – двигатель» ( Г – Д )

Система Г-Д как минимум состоит из трех электрических машин:

1. исполнительного электродвигателя М2, приводящего в действие механизм;

2. генератора G1, питающего исполнительный ЭД;

3. приводного электродвигателя Ml, вращающего якоря генератора G1 и образую-

щего с ним так называемый преобразователь.

Машины М2 и G1 — постоянного тока с независимым возбуждением.

Несмотря на это, система Г-Д может применяться при любом роде тока питающей сети.

Если сеть постоянного тока, то в качестве приводного двигателя М1 применяют ЭД параллельного возбуждения, а обмотки возбуждения всех машин получают питание от сети.

Если сеть переменного тока, используют асинхронный приводной ЭД. Для питания обмоток возбуждения L1G1 и LM2 в этом случае применяют четвертую машину – возбуди

тель G2. Это небольшой генератор постоянного тока с самовозбуждением. Он приводится во вращение тем же приводным электродвигателем М1 , что и генератор G1 ( рис. 9.3 ).

Рис. 9.3. Схема системы генератор – двигатель

Система действует следующим образом.

Сначала пускают приводной ЭД М1, якорь которого затем вращается постоянно в одну сторону с неизменной скоростью. Потом при помощи регулировочного резистора

( реостата возбуждения ) RP3 возбуждают возбудитель G2, создающий неизменное напря-

От него получают питание независимые обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя LM2 и генератора L1G1.

В цепь первой включен регулировочный резистор RP2, в цепь второй – регулиро-

вочный резистор RP1 и переключатель SA, изменяющий направление тока в обмотке L1G1.

Перед пуском резистор RP1 должен быть полностью введен в цепь, а резистор RP2 — выведен.

Для пуска М2 переключатель SA устанавливают в одно из рабочих положений и

постепенно выводят резистор RP1, увеличивая этим ток возбуждения в обмотке L1G1.

Последний возбуждается и подает плавно возрастающее напряжение на якорную обмотку М2. По цепи якорей G1 и М2 протекает ток.

Так как М2 возбужден, его якорь начинает вращаться, и по мере возрастания напря-

жения, подве­денного к его якорю, увеличи­вается угловая скорость. При полностью выве-

денном резисторе RP1 напряжение G1 и угловая скорость М2 номинальные.

Для реверса переключателем SA изменяют направление тока в обмотке возбужде-

ния L1G1. Генератора изменяет полярность напряжения, ток якорной цепи изменяет на-

правление, и исполнительный двигатель М2 реверсируется.

Регулирование скорости вниз от номинальной выполняют, вводя в цепь обмотки возбуждения L1G1 регулировочный резистор RP1. Ток возбуждения, магнитный поток и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого снижается напряжение, подведен­ное к обмотке якоря М2, и его угловая скорость уменьшается ( характеристики 3, 2 и 1 на

Читайте также:  Индикатор короткозамкнутых витков коллекторных двигателей схема

Регулирование скорости вверх от номи­нальной осуществляют, вводя в цепь обмот-

ки возбуждения М2 регулировочный резистор RP2, что уменьшает ток и поток воз­бужде-

ния, при этом скорость ЭД увеличивается ( характеристики 5, 6 и 7 на рис. 9.4 ).

Рассмотренная система называется «система Г – Д в чистом виде» и на практике не применяется. Это объясняется тем, что при работе с номинальным напряжением на якоре М2 внезапная остановка этого якоря ( например, под винт попала льдина ) приводит к рез-

кому увеличению тока якорей двигателя М2 и генератора G1 до значения, равного пуско-

Рис. 9.4. Механические характеристики исполнительного двигателя

в системе генератор – двигатель: 4 – естественная; 3, 2 и 1 – искусственные, полученные уменьшение напряжения на обмотке якоря М2; 5, 6 и 7 –искусствен-

ные, полученные ослаблением магнитного потока М2

Кроме того, такое увеличение тока приводит к увеличению нагрузки на приводной двигатель генератора. Это особенно опасно, если генератор G1 приводится во вращение дизелем. Как известно, дизели крайне чувствительны к перегрузкам ( не более 10% мощ-

ности в течение 1 часа ).

Поэтому на судах применяют систему Г-Д с противокомпаундным генератором. Она отличается от системы Г-Д в чистом виде тем, что генератор, помимо независимой обмотки возбуждения L1G1, снаб­жен еще одной обмоткой возбуждения – противоком-

паундной обмоткой L2G1, включенной последовательно в цепь якоря G1 и выполняющей функции жесткой обратной связи по току ( на рис. 9.3 место включения обмотки L2G1 по

казана при помощи стрелок, т.е. последовательно в цепь главного тока ).

Ее намагничивающая сила Fнаправлена встречно намагничивающей силе Fоб-

мотки независимого возбуждения L1G1, т. е. она действует на генератор размагничиваю-

Общий магнитный поток возбуждения гене­ратора создается разностью намагничи-

вающих сил обеих обмоток.

При нормальной нагрузке намагничивающая сила обмотки L1G1 значительно боль

ше, чем обмотки L2G1, и генератор развивает ЭДС, как в обычной системе Г-Д.

При перегрузке разность намагничивающих сил обмоток уменьшается, магнитный поток и ЭДС генератора снижаются, напряжение, подведенное к ЭД, падает, и угловая скорость ЭД становится меньше.

При остановке якоря исполнительного двигателя М2 ЭДС генератора G1 настолько уменьшается, что ток стоянки оказывается в пределах кратковре­менно допустимого, обыч

но равного ( 2,2…2,5) I.

Система Г-Д обладает исключительно хорошими регулиро­вочными свойствами и позволяет регулировать скорость в пределах 1 : 30. Регулирование получается плавным, так как из-за срав­нительно небольших токов возбуждения можно сделать регули­ровочные резисторы с большим количеством ступеней.

Систему Г – Д применяют в электроприводах мощностью более 75…80 кВт – тя-

желовесных лебедках и кранах, брашпилях, а также на судах с ГЭУ для привода гребного винта.

Существенный недостаток системы Г — Д – большое количество установленных эле

Развитие полупроводниковой техники позволило перейти от рассмотренной систе-

мы Г – Д к т.н. системам «управляемый вентильный преобразователь – двигатель», или, сокращенно, системам УВП – Д ( рис. 9.5 ).

2.3. Регулирование скорости в системе двойного рода тока ( УВП – Д )

В таких системах исполнительный двигатель постоянного тока получает питание от судовой сети через управляемый вентильный преобразователь ВП ( рис. 9.5 ).

Рис. 9.5. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

В качестве вентилей используются управляемые полупроводниковые диоды – тиристоры.

В общем случае такой электропривод состоит из следующих основных элементов:

1. силовой трансформатор Тр;

2. вентильный преобразователь ВП;

3. сглаживающий фильтр СФ;

4. электродвигатель М;

5. система управления СУ.

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нужных

пределах. Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нулевым выводом ( рис. 9.6, а ) или двухполупериодные мостовые схемы ( рис.9.6., б ).

Рис. 9.6. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом ( а ); мостовая ( б )

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от об-

щей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр ( дроссель Др на рис.9.6 ) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

Система управления СУ изменяет угол отпирания тиристоров α. Вследствие чего изменяется выпрямленное напряжение на якоре исполнительного двигателя, а значит, и его скорость

При этом, при малых скоростях якоря этот угол близок к 90º, а для разгона якоря

СУ непрерывно уменьшает этот угол. При номинальном ( наибольшем ) напряжении на якоре угол α = 0º.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тиристоров α приведены на рис. 9.7.

Они подобны механическим характеристикам исполнительного двигателя в систе-

ме Г – Д ( рис. 9.4 ).

Рис. 9.7. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла α

На рис. 9.7 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного

( справа от пунктирной линии ) и прерывистого ( слева от этой линии ) токов якоря двига-

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. при уменьшении угла отпирания тиристоров от α = π / 2 = 90º ( характеристика

2 ) до α= 0º ( характеристика 7 ) скорость двигателя увеличивается, двигатель работает в двигательном режиме;

2. при увеличении угла α свыше 90º ( характеристика 1 ) ток якоря двигателя не

изменяет направление, но двигатель реверсирует и переходит в режим тормозного спуска.

при котором электромагнитный момент двигателя, направленный на подъем, ограничива-

ет скорость спуска тяжелого груза или судового якоря с якорь-цепью.

Источник

Adblock
detector