Как изменить ток якоря дпт

Этот способ, часто называемый реостатным,
является весьма простым по своей
реализации и поэтому широко используется
для регулирования скорости, тока и
момента ДПТ. Семейство искусственных
(регулировочных) характеристик ДПТ
можно получить, проанализировав,
например, как изменяется скорость
холостого ДПТ ₀и наклон его характеристик при варьировании
сопротивления добавочного резистораR_д,.Из (3.6а)
видно, что₀не зависит отR_д,поэтому все искусственные характеристики
пересекаются на оси скорости в точке с
координатой=₀;I=0;М=0.

Кроме того, наклон характеристики,
определяемый перепадом скорости
,
пропорционален (при фиксированных
значениях токаIи
моментаМ) полному сопротивлению
якоря. Поэтому по мере увеличенияR_д,наклон характеристик также увеличивается,
они становятся более мягкими.

Проведенный
анализ позволяет изобразить искомое
семейство электромеханических и
механических характеристик в виде
совокупности линий, показанных на рис.
3.4. При R_д=0 ДПТ
имеет естественные механическую и
электромеханическую характеристики,
на которых находится точка номинального
режима с координатами_ном,I_номи_ном,М_ном.

а) Регулирование скорости.Оценим
данный способ регулирования скорости
по основным показателям, рассмотренным
в § 2.2.

1.Диапазон регулирования
скорости небольшой и обычно не превосходит
2–3. Причина этого заключается в снижении
жесткости характеристик по мере
увеличенияR_ди, как будет показано далее, в значительных
потерях мощности при больших диапазонах
регулирования скорости.

2.Направление регулирования
скорости–вниз от естественной
характеристики.

3.Плавность регулирования
скорости определяется плавностью
измененияR_д.Если сопротивление этого резистора
изменяется плавно, то данный способ
обеспечивает плавное регулирование
скорости, если жеR_дизменяется ступенчато, то и регулирование
скорости будет неплавным. Чаще всего
рассматриваемый способ обеспечивает
ступенчатое регулирование скорости.

4.Стабильность скорости
снижается по мере увеличения диапазона
регулирования и в общем случае является
невысокой.

5Экономичность регулирования
скорости оценим, сопоставив требуемые
капитальные затраты на реализацию
данного способа и стоимость потерь
мощности при регулировании. Капитальные
затраты на приобретение добавочных
резисторов невелики, так как стоимость
используемых резисторов обычно мала.
В то же время потери мощности и
соответственно расход электроприводом
электрической энергии и ее стоимость
оказываются значительными. Покажем это

Потери мощности в ДПТ Ропределяются разностью мощностей,
потребляемой из сети,P₁=UIи полезной механическойP₂=M,отданной с вала,

Выполнив
несложные преобразования, получим

,(3.9)

где
– относительный перепад скорости.

Из (3 9) видно, что уже при снижении скорости
в 2 раза по сравнению со скоростью
идеального холостого хода ₀,
т. е. прии,половина всей потребляемой из сети
мощностиP₁идет
на потери мощности в самом ДПТ. Таким
образом, КПД привода уже приD=2
не превышает 50 %, а при больших диапазонах
снижается в еще большей степени

6.Допустимую нагрузку
ДПТ на искусственных характеристиках
найдем, если в (3.3) положим Ф=Ф_номиI=Iном.
Тогда получаемое выражение определит
допустимый по условиям нормального
нагрева момент ДПТ

, (3.10)

который оказывается равным номинальному
моменту двигателя М_ном. Таким
образом, при работе ДПТ на искусственных
характеристиках он может быть нагружен
моментом нагрузки, равным номинальному
моменту ДПТ, находясь при этом в нормальном
тепловом режиме. Это заключение полностью
справедливо для тех ДПТ независимого
возбуждения, у которых условия охлаждения
не изменяются по мере снижения их
скорости. К таким ДПТ относятся, например
ДПТ с независимой внешней вентиляцией
и закрытые ДПТ без вентилятора. В тех
же случаях, когда ДПТ охлаждается за
счет собственного вентилятора на валу,
при снижении скорости его охлаждение
ухудшается, что требует соответствующего
снижения момента нагрузки.

Несмотря на не очень высокие
технико-экономические показатели,
реостатное регулирование скорости
из-за простоты своей реализации
используется достаточно широко тогда,
когда требуется небольшой диапазон
регулирования скорости движения
исполнительного органа или когда работа
на пониженных скоростях имеет
кратковременный характер. В частности,
такое регулирование применяется в
электроприводах подъемных кранов,
некоторых металлорежущих станков,
лифтов.

б) Регулирование (ограничение) тока и
момента.Получаемые искусственно
характеристики широко используются
для регулирования (ограничения) тока и
момента ДПТ независимого возбуждения
в переходных процессах, в которых ток
и момент могут принять недопустимо
большие значения для ДПТ. Так, в первый
момент пуска ДПТ находится в режиме
короткого замыкания (=0;E=0) и ток короткого
замыкания при его пуске по естественной
характеристике определяется соотношением.
Из-за малостиR_я(доли ома или единицы ом),
в то время как допустимый для ДПТ
общепромышленного назначения ток.
Таким образом, возникает необходимость
ограничения тока (и тем самым момента)
при пуске ДПТ, что может быть достигнуто
введением в цепь якоря добавочных
пусковых резисторов. Такая же необходимость
возникает при реверсе и торможении ДПТ
независимого возбуждения.

Для ограничения тока и момента при пуске
в простейшем случае используется одна
искусственная характеристика 1(рис. 3.5). Порядок пуска ДПТ следующий:
вначале он начинает работать по
характеристике1при наличии в цепи
якоря добавочного резистораR_д1.
Далее при скорости₁резисторR_д1закорачивается и ДПТ переходит на
естественную характеристику. Сопротивление
резистораR_д1выбирается из условия обеспечения
допустимого тока в начальный момент
пуска

, (3.11)

где I_доп
– допустимый ток.

Во многих случаях при пуске ДПТ
используется не одна, а несколько
искусственных характеристик. Их
количество зависит от момента нагрузки
электропривода и требований плавности
переходных процессов.

Динамическое торможение ДПТ осуществляется
отключением якоря от сети и замыканием
его по схеме рис. 3.2 на резистор R_д2.
Двигатель переходит на характеристику
динамического торможения2(рис.
3.5), по которой и происходит торможение.

Сопротивление резистора R_д2определяется по допустимому броску
тока в первый момент перехода в режим
динамического торможения. Так как в
этот момент,
тоEU,и сопротивлениеR_д2определится как

(3.12)

Реверс или торможение противовключением
осуществляется изменением полярности
напряжения на якоре ДПТ с одновременным
вводом в якорь резистора R_д3.
Двигатель переходит на характеристику3(рис. 3.5), попадая в режим торможения
противовключением. В этом режиме ЭДС и
напряжение сети совпадают по направлению,
поэтому резисторR_д3определяется по выражению

.(3.13)

В некоторых случаях для достижения
более точного регулирования тока и
момента в переходных режимах используется
не одна искусственная характеристика,
а несколько, как, например, при реализации
пусковой диаграммы ДПТ (см. рис. 3.8).
Отметим, что в рассматриваемом случае
резисторы вводятся в цепь якоря только
в переходных режимах работы ДПТ.

в) Расчет регулировочных резисторов.Выражения (3.11)–(3.13) позволяют рассчитать
сопротивления добавочных резисторов
в цепи якоря ДПТ по критерию допустимого
тока. Рассмотрим теперь общие методы
расчета сопротивлений регулировочных
резисторов.

Задача формируется следующим образом:
известны технические данные ДПТ и его
естественная электромеханическая
характеристика.

По условиям регулирования скорости,
тока или момента задана искусственная
характеристика (прямые 1–3на
рис. 3.6). Требуется определить сопротивление
добавочного резистора, при включении
которого в цепь якоря будет обеспечена
заданная характеристика.

Метод отрезков. Для получения расчетной
формулы этого метода запишем согласно
(3.4) выражение для скорости ДПТ на заданной
искусственной характеристике при
номинальных токе, моменте, магнитном
потоке и напряжении

. (3.14)

Так как
,
то (3.14) можно записать так:

(3.15)

где
– так называемое номинальное сопротивление
ДПТ, Ом.

Из (3.15) получаем следующее соотношение:

, (3.16)

которое
отражает очень важное свойство ДПТ:
относительный перепад скорости ДПТ
равен относительному активному
сопротивлению цепи якоряR/R_ном.
Отметим, забегая вперед, что это свойство
характерно и для других типов двигателей,
в частности асинхронных. Пропорцию
(3.16) удобно решать графически, для чего
обратимся к рис. 3.6. Обозначим на нем
характерные точкиа,b,
с, dи отметим, что
;.
Тогда

; (3.17)

; (3.18)

. (3.19)

Таким образом, для нахождения R_д
следует по характеристикам определить
длины отрезковbcиadпри номинальном токе, рассчитать
номинальное сопротивлениеи затем воспользоваться формулой (3.18).
Этот же порядок расчета сохраняется
тогда, когда исходными являются
механические характеристики ДПТ. В этом
случае длины отрезков определяются при
номинальном моменте.

Данный метод справедлив также и при
расчете резисторов в схеме динамического
торможения. Опуская вывод, который может
быть сделан аналогичным образом, приведем
окончательную формулу для расчета R_д,т,обеспечивающего характеристику
динамического торможения вида2 на
рис. 3.6,

. (3.20)

Отметим, что характеристика 3 на этом
рисунке соответствует R_д,т=0
и располагается параллельно естественной
характеристике.

Метод пропорций. При применении этого
метода используется выражение для
перепада скорости 
на характеристиках ДПТ. Если согласно
(3.6) записать выражения дляна естественной и искусственной
электромеханической или механической
характеристике при одном и том же токеI_iили моментеМ_i(рис. 3.6), а затем найти их отношение, то
получится следующая пропорция:

. (3.21)

Определяя из (3.21) R_д,получаем формулу для расчетаR_дметодом пропорций

(3.22)

Значения _eи_инаходятся, как и ранее, по характеристикам
рис. 3.6.

При расчетах
регулировочных резисторов в цепях якоря
ДПТ независимого возбуждения необходимо
знать собственное сопротивление якоря
ДПТ R_я. Назовем
возможные способы его нахождения.

1.Некоторые заводы-изготовители
приводят в каталогах значениеR_я.

2.В справочной литературе
по электрическим машинам, например
[41], даются обобщенные зависимости
относительного сопротивления якоряот мощностиР_номдля ДПТ
некоторых серий. Для примера на рис. 3.7
приведена эта зависимость для ДПТ серии
Л (1–11-й габариты).

3.При наличии ДПТ
сопротивлениеR_яможет быть определено экспериментально,
путем непосредственного измерения его
между щетками ДПТ

4.При невозможности
воспользоваться указанными выше
способами может быть применена следующая
приближенная формула для определенияR_япо номинальным
паспортным данным ДПТ:

(3.23)

где _ном– номинальный КПД двигателя.

5.При наличии экспериментально
снятой электромеханической или
механической характеристики ДПТ значениеR_яможет быть
определено по методу отрезков с помощью
формулы (3.19).

Пример 3.1.Рассчитать и построить
естественные электромеханическую и
механическую характеристики ДПТ,
имеющего следующие паспортные данные:Р_ном=2,2 кВт;U_ном=220
В;I_ном=13 А;n_ном=1000 об/мин;_ном=77 %;I_в,ном=0,73 А;R_о,в=300 Ом.

Для построения искомых характеристик,
которые представляют собой прямые
линии, достаточно определить координаты
двух точек: номинального режима и
холостого хода

1.Для точки номинального
режима определяем номинальную угловую
скорость

номинальный
момент

номинальное
сопротивление ДПТ

2.Далее по приближенной
формуле (3.23) находим сопротивление
якорной цепи

3.Используя (34), определяем
значение

4.Скорость идеального
холостого хода согласно (3.6а) равна

5.По координатам точек
холостого хода (₀,
0) и номинального режима (_ном,I_ном) на рис 38
построена естественная электромеханическая
характеристика ДПТ независимого
возбуждения Естественная механическая
характеристика также может быть построена
по этим же двум точкам

Пример 3.2.Расчитать и построить для
ДПТ (см. пример 3 1) пусковую диаграмму
при использовании двух ступеней пускового
резистора.

Построение пусковой диаграммы ДПТ
осуществляется в следующем порядке.

1.Рассчитывается максимально
допустимый при пуске токI₁=I_доп.
Для рассматриваемого примера примем

2.Определяется ток
переключения I₂,значение которого можно получить двумя
путями;

а) подбором с таким расчетом, чтобы число
искусственных характеристик равнялось
двум, а ток в переходном процессе не
превосходил I_доп;

б) расчетом с помощью следующей формулы,
которая приводится без вывода:

(3.24)

где т –число заданных ступеней
пускового резистора.

Методом подбора из рис. 3.8 находим I₂=16
А. Отметим, что если пуск ДПТ осуществляется
под нагрузкой, то токI₂должен на 10–20 % превосходить ток нагрузкиI_с, т. е. должно
соблюдаться равенство:

3.С помощью метода отрезков
определяем сопротивление ступеней
пускового резистора

Искусственная характеристика Iна рис. 3.8 соответствует наличию в цепи
якоря обеих ступеней пускового резистораRд₁+Rд₂,
а характеристика2–второй ступениRд₂. На рис. 3.8
изображена также схема якорной цепи
двигателя при реализации этой пусковой
диаграммы.

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

(29.5)

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

Дополнительное сопротивление (реостат r_д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления r_д в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

, (29.12)

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(r_д) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением r_д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = M_ном ) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I²_a *r_Д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении r_рег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикой двигателя n=f(I_В) при и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря Ia = M/(C_м*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения , т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n_max. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_a второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения n_max во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя n_ном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата  r_рег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n_max уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуж­дения ток I_В = (0,01 — 0,07)I_а, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n_MAX/n_MIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I_B = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n₀ пропорциональна напря­жению, а от напряжения не зависит, поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6,а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбу­дитель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под на­званием системы «генератор — двигатель» (Г—Д).

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне n_MAX/n_MIN ≥ 25 . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения ДПТ НВ

Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображен­ной на рис. 29.7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подводится напряжение U = U_импи ток в ней достигает значения I_amax. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения I_amin (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения I_amax и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение

, (29.13)

где Т— отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7, б); — коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого .

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

. (29.14)

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) , а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем им­пульсного регулирования, где в качестве ключа применен управ­ляемый диод — тиристор VS. Открывается тиристор подачей крат­ковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L₁C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур L₁C и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L₁C определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь L₁ выража­ется в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

Значение среднего напряжения U_ср регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плав­ного регулирования частоты вращения в широком диапазоне оп­ределили области применения двигателей независимого возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

Регулирование частоты вращения. Частоту вращения электродвигателей постоянного тока регулируют: введением резисторов в цепь якоря двигателя; изменением магнитного потока; изменением напряжения, приложенного к якорю электродвигателя.

В зависимости от способа регулирования частоты вращения получаются различные искусственные механические характеристики.

При введении резисторов в цепь якоря у двигателей с независимым и параллельным возбуждением магнитный поток не изменяется, следовательно, остается постоянной частота вращения идеального холостого хода n_x, но значение сопротивления вводимого резистора оказывает большое влияние на наклон механической характеристики, так как возрастает угловой коэффициент:

Поэтому искусственная механическая характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением представляет собой прямую линию 1 (рис. 2.3), проходящую через одну точку n_x с естественной характеристикой 0 и наклоном β₁, определяемым значением сопротивления вводимого резистора.

Рис. 2.3. Механические характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением

Изменение сопротивления цепи якоря для двигателя с последовательным возбуждением приведет к смещению характеристики вниз в сторону уменьшения n.

Магнитный поток электродвигателей можно изменить введением дополнительного резистора в цепь обмотки возбуждения, причем уменьшаются ток возбуждения и магнитный поток двигателя.

Изменение магнитного потока приводит к увеличению частоты вращения идеального холостого хода и изменению наклона механической характеристики у двигателей с независимым, параллельным и смешанным возбуждением.

Действительно, если Ф = Ф0, то для естественной характеристики

Таким образом, искусственная механическая характеристика, полученная при введении резистора в цепь обмотки возбуждения двигателя, располагается выше естественной (характеристика 2), частота вращения идеального холостого хода и наклон характеристики увеличиваются.

Изменение питающего цепь якоря напряжения при неизменном напряжении в цепи независимой обмотки возбуждения приводит у двигателей с независимым возбуждением к изменению частоты вращения идеального холостого хода при неизменном наклоне характеристики.

Следовательно, искусственная характеристика расположится ниже естественной и будет параллельна ей (характеристика 3). У двигателя, имеющего смешанное возбуждение, искусственная характеристика также будет ниже естественной.

Анализируя полученные механические характеристики электродвигателей постоянного тока, можно установить, что при одном и том же моменте на валу электродвигателя частота вращения его на разных характеристиках будет различной. Поэтому частоту вращения электродвигателей регулируют способами, используемыми для получения искусственных характеристик. Различают параметрическое и импульсное регулирование.

При параметрическом способе изменяется какой-либо параметр, который далее остается неизменным. Импульсное регулирование характеризуется периодическим ступенчатым изменением какого-либо параметра с определенной частотой.

Каждому из параметрических способов присущи свои особенности, определившие область их применения.

Введение резистора в цепь якоря приводит к уменьшению частоты вращения, причем эффективность регулирования тем больше, чем больше нагружен двигатель. Способ не экономичен из-за больших потерь энергии в дополнительном резисторе, но все же используется вследствие его простоты.

Введение резистора в цепь обмотки возбуждения приводит к увеличению частоты вращения. Этот способ экономичен, так как ток возбуждения составляет 2—5 % тока якоря и потери в резисторе невелики. Однако этот способ не позволяет получить частоту вращения двигателя меньше номинальной.

Изменение приложенного к якорю напряжения — наиболее удачный способ регулирования. Он экономичен и допускает регулирование частоты вращения в достаточно широких пределах при любых значениях нагрузки, но требует автономных источников питания с широким диапазоном изменения напряжения. Поэтому его целесообразно применять для электроприводов с частыми пусками и большим диапазоном регулирования частоты вращения электродвигателя (рулевые электроприводы, электроприводы оперативных лебедок земснарядов, гребные электрические установки и т.п.). Автономным источником питания может служить генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Напряжение можно регулировать с помощью управляемого выпрямителя или магнитного усилителя.

Из импульсных способов регулирования двигателей постоянного тока наиболее широкое распространение получил способ изменения времени включения приложенного к якорю напряжения при постоянной частоте включения. Этот способ называется широтно-импульсным. Среднее значение приложенного к якорю напряжения

Изменяя tp при постоянном Т (изменяя скважность), регулируют среднее значение приложенного к якорю двигателя напряжения и частоту вращения электродвигателя. Частоту включения обычно выбирают в пределах 500—1000 Гц. Возможен другой способ импульсного регулирования, когда время включения tр остается постоянным, а период Т изменяется. Такой способ принято называть частотно-импульсным.

Импульсное регулирование электродвигателей постоянного тока является перспективным для тех электроприводов, для которых применяется регулирование изменением приложенного к якорю напряжения. Основным недостатком этого способа является большое число включений, приводящих к появлению больших переходных токов и требующих специальной аппаратуры.

Пуск электродвигателей постоянного тока. Как известно из курса электротехники, вращающий момент электродвигателя при пуске

Пусковой ток может значительно превышать номинальный ток двигателя из-за отсутствия противо-э. д. с. в момент пуска.

При пуске все дополнительные резисторы в цепях независимой и параллельной обмоток возбуждения должны быть введены и последовательная обмотка не шунтирована.

Отечественная промышленность изготовляет электродвигатели, пусковой ток которых по условиям коммутации должен удовлетворять неравенству I_я.п≤2,5I_я.ном.

При этом наибольший пусковой момент двигателей с независимым и параллельным возбуждением при Ф = const будет также М_п≤2,5М_ном.

При таком же пусковом токе у двигателей со смешанным и последовательным возбуждением пусковой момент будет несколько больше вследствие увеличения магнитного потока, создаваемого последователь ной обмоткой, по сравнению с номинальным.

По мере увеличения частоты вращения двигателя растет противо- э.д.с., что приводит к уменьшению тока якоря

следовательно, будет уменьшаться вращающий момент двигателя.

Для обеспечения наиболее быстрого разгона двигателя необходимо поддерживать при пуске момент и ток якоря в определенных пределах.

Различают следующие способы пуска электродвигателей постоянного тока: прямой, с ограничением пусковых токов вследствие изменения сопротивления цепи якоря и импульсный.

Прямой пуск осуществляется непосредственно включением двигателя на полное напряжение сети при отсутствии добавочных элементов в цепях якоря и возбуждения. Преимуществами этого способа являются его простота и отсутствие дополнительной пусковой аппаратуры, недостатком — большой ток в цепи якоря в первоначальный момент пуска, что вызывает искрение на коллекторе, возникновение значительного момента на валу двигателя и колебания напряжения в судовой сети. Прямой пуск применяют для двигателей постоянного тока мощностью не более 1,5 кВт.

Рис. 2.4. Пуск двигателя постоянного тока

Параметрический пуск основан на предварительном изменении какого-либо параметра двигателя, ограничивающего пусковой ток, с последующим его приведением в процессе пуска к значению соответствующему номинальному режиму.

Для двигателей небольшой мощности применяют пуск с помощью реактора L, включенного последовательно в цепь якоря двигателя (рис. 2.4, а). При правильно подобранной индуктивности реактора время нарастания тока, определяемое электромагнитной постоянной времени электрической цепи,

T = (L_я+L)/R_я

соизмеримо с временем разгона электродвигателя, что значительно снижает пик пускового тока. Недостатками этого способа являются большие габаритные размеры и масса пускового реактора.

Наибольшее применение получил реостатный способ пуска, при этом способе в цепь якоря для ограничения пусковых токов включают дополнительный реостат (рис. 2.4, б), состоящий из трех-четырех резисторов. По мере разгона электродвигателя секции реостата поочередно закорачивают.

В некоторых случаях пользуются способом пуска, основанным на ступенчатом или плавном изменении напряжения, приложенного к якорю двигателя, от нуля до номинального значения. Этот способ возможен при питании якоря электродвигателя от отдельного источника с регулируемым напряжением. В качестве такого источника могут быть использованы генератор постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемый трансформатор с выпрямителем, трансформатор с управляемым выпрямителем.

При импульсном пуске, так же как и при импульсном регулировании частоты вращения, может быть использован как широтно-импульсный, так и частотно-импульсный способ. В том и другом случае пуск осуществляется изменением скважности от нуля до номинального значения.

Реверсирование электродвигателей постоянного тока. Реверсирование— изменение направления вращения на противоположное. Для реверсирования необходимо изменить направление вращающего момента М = С_мФI_я, что возможно осуществить изменением направления тока в якоре электродвигателя или изменением направления магнитного потока путем изменения направления тока в обмотках возбуждения.

Для двигателей с независимым и параллельным возбуждением предпочтительнее первый способ по сравнению со вторым по сле-дующим причинам:

во-первых, при размыкании обмотки возбуждения, предшествующем ее переключению, возникает значительная э. д. с. самоиндукции

затрудняющая процесс коммутации и увеличивающая вероятность пробоя изоляции;

во-вторых, при реверсировании двигатель сначала необходимо остановить, а затем он начинает вращаться в обратную сторону. Но уменьшение магнитного потока вызовет не уменьшение, а увеличение частоты вращения.

Для двигателей со смешанным возбуждением реверсирование изменением направления магнитного потока еще более затруднено по сравнению с двигателем с параллельным возбуждением, так как у него необходимо переключать две обмотки возбуждения. Для двигателей с последовательным возбуждением оба способа равноценны.

Торможение электродвигателей постоянного тока. При режиме торможения электромагнитный момент на валу электродвигателя направлен в сторону, противоположную направлению вращения.

Режимы торможения используются, когда необходимо: остановить электропривод, вращающийся по инерции; остановить электропривод, вращающийся под действием момента, создаваемого рабочей машиной, например: под действием опускаемого подъемным краном груза; замедлить вращение электропривода при воздействии момента, создаваемого рабочей машиной.

Чтобы осуществить режим торможения электродвигателя, нужно изменить направление вращающего момента на его валу, при этом двигатель переходит в генераторный режим работы. В зависимости от использования энергии различают три вида торможения: рекуперативное, динамическое и противовключением. Рекуперативное торможение сопровождается возвратом энергии в питающую сеть. При динамическом торможении и торможении противовключением энергия превращается в тепловую в элементах цепи якоря двигателя.

Торможение с отдачей энергии в сеть, или рекуперативное торможение, наступает, тогда, когда электродвигатель под действием момента рабочей машины (идущий под уклон железнодорожный состав, опускающийся на подъемном кране груз) разгоняется до частоты вращения, превышающей частоту вращения идеального холостого хода. В этом случае э.д.с. якоря будет больше напряжения в сети, ток изменит свое направление и машина будет работать в режиме генератора, отдавая энергию в сеть. При этом направление вращения двигателя не изменится. Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением О (рис. 2.5) при торможении с отдачей энергии в сеть будет являться продолжением характеристики

Рис. 2.5. Механические характеристики двигателя постоянного тока при рекуперативном торможении

в область отрицательных моментов. Область режима торможения обозначена цифрой II, область двигательного режима — цифрой I.

У двигателей со смешанным возбуждением при переходе в режим торможения ток в последовательной обмотке меняет свое направление, и поэтому она противодействует параллельной обмотке, размагничивая машину и уменьшая момент торможения (штриховая линия). Во избежание этого последовательную обмотку закорачивают или отключают (характеристика I).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут работать в режиме торможения с отдачей энергии в сеть, так как с увеличением частоты вращения ток двигателя уменьшается и он размагничивается. Его э.д.с. никогда не может быть больше напряжения в сети.
Динамическое торможение осуществляют отключением якоря от сети и замыканием его на резистор. Различают два вида динамического торможения: с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Рис. 2.6. Схемы включения и механические характеристики двигателей при динамическом торможении

При торможении двигателей с независимым и параллельным возбуждением применяют торможение с независимым возбуждением (рис. 2.6, а).

Рис. 2.7. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением при торможении противовключением

В этом случае якорь Двигателя отключается от питающей сети и включается на тормозной резистор R1, обмотка возбуждения остается включенной в сеть.

У двигателя со смешанным возбуждением последовательная обмотка отключается или закорачивается.

Торможение двигателя с последовательным возбуждением при питании обмотки возбуждения от сети (рис. 2.6, б) более эффективно, чем торможение с самовозбуждением (рис. 2.6, в), однако для ограничения тока в обмотке необходимо ее подключать через дополнительный резистор R2, мощность рассеяния которого должна равняться мощности электродвигателя

Уравнение механической характеристики при динамическом торможении (при U = 0)

При Ф = const (независимое возбуждение) оно представляет собой уравнение прямой линии.

При самовозбуждении в связи с изменением магнитного потока характеристика искривляется, а при некотором значении частоты вращения самовозбуждение и торможение двигателя прекращаются.

На рис. 2.6, г показаны механические характеристики для динамического торможения: 0 — для торможения с независимым возбуждением; 1 — для торможения с самовозбуждением. Штриховой линией показан участок, на котором торможение прекращается.

Торможение противовключением производится быстрым реверсированием двигателя по ходу, когда якорь по инерции продолжает вращаться в одном направлении, а обмотки включаются на противоположное. При этих режимах знаки пх и п противоположны, э. д. с. якоря двигателя совпадает по направлению с напряжением и ток якоря

так как в начале торможения Е ≈ U, сопротивление резистора R₁ необходимое для ограничения тока до допустимых пределов, должно быть примерно в 2 раза больше пускового сопротивления двигателя. Механическая характеристика при этом способе торможения двигателя с параллельным возбуждением приведена на рис. 2.7 (характеристика 2).

Если двигатель предварительно работал с М₁>0 и n₁>0 на характеристике 1, то при торможении противовключением уравнение механической характеристики будет

При быстром реверсировании частота вращения двигателя не успеет измениться и режим торможения будет соответствовать точке с моментом М₂ и частотой вращения n₁ на характеристике 2.

Из рис. 2.7 видно, что при торможении противовключением в момент остановки двигателя (n = 0) момент на его валу не обращается в нуль. Поэтому после остановки двигатель может начать вращаться в обратную сторону. Во избежание этого двигатель после остановки должен быть отключен от сети.