Электроприводы постоянного тока

Рис. 3.10. К режиму динамического  торможения с самовозбуждением

 

Для того, чтобы получить тормозной момент, ток, созданный Е_ост, должен протекать в том же, что и раньше, направлении, усиливая магнитный поток, т.е. создавая самовозбуждение. Это условие выполнится, если при переходе на режим торможения переключить обмотку возбуждения как показано на рис. 3.10, схема справа.

Ток, создаваемый увеличивающейся  ЭДС, изменит знак, момент будет направлен против движения, т.е. станет тормозным.

Работа машины постоянного  тока с самовозбуждением возможна лишь при определенных условиях, а именно при таких значениях скорости и сопротивления R цепи якоря, чтобы имело место равенство

E = IR,      (3.11)

Существованию этого  равенства отвечает наличие точки  пересечения кривых (при данной скорости) и прямой IR = f(I) - рис. 3.11. Очевидно, что чем больше R, тем при большей скорости произойдет самовозбуждение машины.

а)                                                         б)

Рис. 3.11. Характеристики динамического торможения с

самовозбуждением

 

Наименьшая скорость, при которой машина может самовозбуждаться, будет при R_доб = 0, то есть при замкнутой накоротко якорной цепи машины.

Построение механической характеристики в режиме динамического  торможения при самовозбуждении  можно произвести, исходя из уравнения баланса мощностей.

Мощность, развиваемая  двигателем в режиме динамического  торможения, целиком рассеивается в  сопротивлениях якорного контура, то есть

(-I)²R = - Mw,

откуда

.      (3.12)

Зная R и задаваясь током I, по универсальной характеристике определяют соответствующий этому току момент М, вычисляют скорость и т.д. Характер зависимой в тормозном режиме при самовозбуждении изображен на рис. 3.11,б.

В электроприводах постоянного  тока иногда используются двигатели смешанного возбуждения, имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых включена последовательно в якорную цепь, а другая имеет независимое питание.

Двигатели последовательного  возбуждения могут получать питание  не только от источника напряжения, что было рассмотрено выше, но и от источника тока. Поскольку при этом магнитный поток будет неизменным, сохраняются и основные свойства электропривода, рассмотренные ранее.

 

 

5. Номинальный режим. Допустимые значения координат

 

Рассматривая свойства и режимы электроприводов постоянного  тока, мы интересовались лишь общими соотношениями и главными соразмерностями, не обращая внимания на реализуемость тех или иных режимов, на технические ограничения, играющие решающую роль в любых практических задачах.

Далее мы рассмотрим кратко определение допустимых значений основных координат - тока, момента, скорости.

В основе всех этих оценок лежат номинальные данные двигателя, указываемые обычно на заводском шильдике или в паспорте двигателя.

К таким данным для  двигателей, предназначенных для  работы в продолжительном режиме, относятся номинальные напряжение U_н, В; ток I_н, А; мощность на валу Р_н, кВт; частота вращения n_н, об/мин ( 1/c); КПД h_н; напряжение возбуждения U_вн, В; ток возбуждения I_вн (для двигателей независимого возбуждения), момент инерции J_н, кг×м², исполнение двигателя IP. Другие сведения обычно в паспорте не приводятся.

Номинальные данные соответствуют  одной точке в плоскости  - М с допустимыми и благоприятными значениями всех основных величин в оговоренном (в нашем случае, продолжительном) режиме, хотя в действительности электропривод работает в любых точках и совсем не при номинальных данных.

Номинальные данные используются для построения основных - естественных - характеристик двигателя, служащих, как отмечалось ранее, основой для получения искусственных характеристик при регулировании координат.

В электроприводах с  двигателями независимого возбуждения  все механические и электромеханические характеристики - прямые линии и для их построения достаточно двух точек, например, точки идеального холостого хода (М = 0, w = w₀) и номинального режима (М = М_н и w = w_н). Две из указанных координат (М_н и ) должны быть определены по номинальным данным, причем и М_н = kФ_нI_н, т.е. нужно знать величину kФ_н. Для ее определения удобно воспользоваться уравнением (3.4) с номинальными величинами, откуда получим:

  ;     (3.13)

здесь неизвестно сопротивление якорной цепи R_я - обмотки якоря, щеточного контакта, дополнительных обмоток, если они используются.

Лучше всего иметь  надежную оценку R_я, однако часто это связано с трудностями. Тогда прибегают к грубой (иногда - очень грубой) оценке, построенной на предположении, что половина номинальных потерь DР_н - это потери в меди обмотки:

0,5 DР_н » I_н²R_я,

откуда

.  (3.14)

Номинальный электромагнитный момент М_н, определенный как

М_н = kФ_нI_н,

больше номинального момента на валу

на величину DМ, что следует иметь в виду при расчетах.

Естественные характеристики двигателей при питании от источника  тока строятся на основании изложенных соображений по определению параметра R_я и оценке М_н.

Естественные характеристики двигателей последовательного возбуждения, как отмечалось, строятся с использованием универсальных характеристик в относительных величинах.

Относительные величины часто удобны и в обращении  с двигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Так, приняв за базовые  величины U_н, I_н, w_н, и , получим после простых преобразований:

и

  ,

где все относительные  величины определены как 

  .

Тогда, приняв U* º Ф* = 1, получим:

w* = 1 - I*R*

или при  I* = 1 (при номинальном токе)

w* = 1 - R*.     (3.15)

Последнее соотношение  позволяет очень просто строить  характеристику при заданном R или, наоборот, определять R, если известна характеристика.

Отметим здесь, что обычно относительное сопротивление собственно якорной цепи очень невелико: R^*_я= 0,02 - 0,05, и жесткость естественной характеристики (R = R_я) весьма высокая:

b_ест = (-50) - (-20).

Рассмотрим теперь допустимые (безопасные) пределы изменения основных координат.

Напряжение нормально ограничивается номинальным значением. В реверсивных электроприводах допускается на время реверса двукратное превышение номинального значения.

Магнитный поток также ограничен номинальной величиной, поскольку при ее длительном превышении ток возбуждения, превышающий номинальный, может вызвать недопустимый перегрев обмоток. Кратковременное (до минуты) двукратное увеличение тока возбуждения, используемое, например, в электроприводах с питанием якорной цепи от источника тока, допустимо, однако вследствие насыщения магнитный поток при этом увеличивается незначительно. При форсировках - ускоренном нарастании магнитного потока - допустимо кратковременное 2-3 - кратное превышение номинального напряжения возбуждения.

Скорость по условиям механической прочности нормально ограничена номинальным значением с небольшим 20-30% допустимым превышением; специальные двигатели, предназначенные для работы с ослабленным полем, допускают 3-4 -кратное превышение номинальной скорости.

Ток якоря - координата, определяющая надежность работы электропривода. В продолжительном режиме ток на всех скоростях не должен превышать номинального значения при независимом охлаждении двигателя - сплошные линии со штриховкой на рис. 3.12. В двигателях, охлаждаемых собственным вентилятором, в продолжительном режиме необходимо снижать ток на 30-40% при низких скоростях - пунктир на рис. 3.12 во избежание недопустимого перегрева. Кратковременные (секунды) перегрузки по току ограничиваются условиями коммутации машины; допустимые перегрузки обычно не превышают (2-3)I_н - линии с двойной штриховкой на рис. 3.12. Из изложенного следует недопустимость пуска электропривода постоянного тока (кроме микроприводов) прямым включением на номинальное напряжение.

Рис. 3.12. Область допустимых нагрузок электропривода постоянного тока

 

Момент при полном потоке имеет те же ограничения, что и ток якоря.

Таким образом, зона допустимых значений и М сравнительно невелика, и рис. 3.12 даёт о ней некоторое представление: внутренняя область относится к продолжительному режиму, внешняя - к кратковременным (секунды) перегрузкам.

 

 

 

6. Регулирование  координат в разомкнутых структурах

 

Реостатное  регулирование - самый простой и самый неблагоприятный способ регулирования скорости и (или) момента. В якорную цепь последовательно, если питание осуществляется от источника напряжения (рис. 3.13,а), включаются дополнительные резисторы.

                 

а)                                                          б)

Рис. 3.13. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании двигателя независимого возбуждения

 

В соответствии с (3.4) и (3.5) скорость идеального холостого хода при U_н и Ф_н и включении R_д не изменится:

                                          

а наклон характеристик  будет увеличиваться пропорционально R = R_я+R_д. Воспользовавшись (3.15), получим при I^*=M^*=1

Dw* = R*,       (3.16)

где Dw* = 1 - w*,

.

Соотношение (3.16) позволяет  легко решать прямую задачу - построить  характеристики, если задано R, и обратную - найти R и R_д для заданной характеристики. Так, на рис. 3.13,б

,  ,  ,

  .

В электроприводе с двигателем последовательного возбуждения при U=U_н (рис. 3.14,а) и известной естественной характеристике

 

можно использовать уравнение  искусственных характеристик при  реостатном регулировании

и получить соотношение  для расчета w_и для любого тока:

  (3.17)

                   

а)                                                               б)

Рис. 3.14. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании двигателя последовательного возбуждения

 

Механическая характеристика может быть построена по известной  зависимости М(I). Примерный вид механических характеристик при реостатном регулировании показан на рис. 3.14,б.

При питании якорной  цепи от источника тока (I=const) реостатное регулирование осуществляется включением R_д параллельно якорю - рис. 3.15,а; характеристики при этом существенно изменяются, появляется возможность регулировать как момент, так и скорость.

                         

     а)                                                      б)

Рис. 3.15. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании  в системе источник тока – двигатель

 

Для схемы на рис. 3.15,а  реостатные характеристики можно получить из основных уравнений (3.1) и (3.2)

М* = I*_яФ*

и

Е* = Ф*w*,

дополненных уравнениями  для электрических цепей:

 I*= I*_я + I*_R

E* = I_R* R_д* - I_я* R_я*.

Здесь мы использовали относительные  величины, приняв за базовые, как и  раньше, U_н, I_н, Ф_н, w_н.

Совместное решение  уравнений дает:

.   (3.18)

Наличие контура якорь - дополнительный резистор, в котором  реализуется действие ЭДС вращения Е, приводит к характеристикам, аналогичным традиционным, получаемым при питании якоря от источника напряжения. Отличие, однако состоит в том, что скорость идеального холостого хода

 

теперь зависит от сопротивления дополнительного  резистора R_д^*, а момент короткого замыкания

                              

при малых R_я^*, практически не зависит от R_д^*.

Таким образом, в системе  источник тока - двигатель с шунтируюшим  резистором общей точкой механических характеристик при Ф = const и R_д = var является точка короткого замыкания, тогда как в системе источник напряжения - двигатель при R_д = var - точка идеального холостого хода. Примеры механических характеристик при изменении R_д (Ф = Ф_н) приведены на рис. 3.15,б. Напряжение на выходе источника тока изменяется при Ф = const практически пропорционально скорости: