3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением
Основным
преимуществом двигателей постоянного
тока является сравнительная простота
регулирования частоты вращения якоря
в больших пределах. Основными способами
регулирования частоты вращения якоря
двигателей являются:
-
якорное регулирование,
-
полюсное
регулирование, -
реостатное
регулирование.
Сущность
каждого способа регулирования частоты
вращения можно понять, анализируя
уравнение, определяющее связь между
частотой вращения, напряжением питания,
сопротивлением регулировочного реостата
и током возбуждения. Ток возбуждения
определяет магнитный поток машины.
Уравнение
электрического равновесия двигателя,
последовательно с якорем которого
включен регулировочный реостат
сопротивлением Rр:
или
.
Отсюда
.
Регулировочное
сопротивление включается последовательно
с якорем, подобно пусковому реостату.
Оно работает в длительном режиме, поэтому
его номинальная мощность определяется
максимальной рассеиваемой мощностью
при самых неблагоприятных условиях.
Из
формулы следует, что частота вращения
пропорциональна приложенному напряжению
и обратно пропорциональна магнитному
потоку
.
Рассмотрим каждый
способ управления двигателем.
Якорное управление
Под
якорным управлением понимают регулирование
скорости вращения якоря двигателей
постоянного тока путем изменения
напряжения на зажимах якоря двигателя.
Напряжение на зажимах обмотки возбуждения
должно оставаться неизменным. При таком
способе управления двигателем
регулировочное сопротивление не
используют, и сопротивление цепи якоря
определяется только сопротивлением
обмотки якоря Rя
. Тогда
.
При
неизменной величине магнитного потока
и сопротивления цепи якоря
,
но при различных значениях напряжения
питания двигатель будет иметь различные
искусственные механические характеристики,
проходящие через точку частоты вращения
идеального холостого хода, величина
которой определяется из уравнения
и
находится на оси частот вращения n.
Другая точка механической
характеристики определяется величиной
пускового момента
.
Рис. 3.21
Очевидно то, что и
и
пропорциональны напряжению питания
якоря U
и механические характеристики при
различных напряжениях сети U
параллельны друг другу.
Семейство таких характеристик представлено
на рис. 3.21.
Если
двигатель нагружен номинальным моментом
Мн,
то каждому напряжению соответствует
своя частота вращения, пропорциональная
приложенному напряжению U.
Номинальному напряжению Uн
соответствует
номинальная частота вращения nн.
Напряжение меньше номинального
обеспечивает
меньшую частоту вращения
.
Аналогично изменяется частота вращения
при увеличении напряжения
и
.
Падение
напряжения на сопротивлении якоря при
неизменном моменте остается постоянным.
Увеличение напряжений до значений,
больших номинального, нежелательно,
так как частота вращения при этом
становится больше номинальной величины,
а это может привести к преждевременному
износу машины. На практике иногда
допускается увеличение напряжения на
якоре на 15–20 % выше номинального
напряжения.
Полюсное управление
Под
полюсным управлением двигателя
постоянного тока понимают регулирование
частоты вращения якоря путем изменения
напряжения на зажимах обмотки возбуждения.
При полюсном управлении двигателем при
постоянном моменте на валу ток якоря и
напряжение на якоре остаются неизменными.
Регулируют лишь ток возбуждения,
изменение которого приводит к изменению
магнитного потока. Из уравнения скорости
очевидно
то, что числитель дроби остается величиной
постоянной и частота вращения обратно
пропорциональна магнитному потоку.
Рис.
3.22
Рассмотрим семейство
механических характеристик двигателя,
соответствующих различным значениям
тока возбуждения, предполагая, что
магнитная цепь машины не насыщена и
магнитный поток прямо пропорционален
току возбуждения. Как и прежде, построение
механических характеристик будем вести,
определяя частоту вращения идеального
холостого хода n0
и величину пускового момента Mп.
На рис. 3.22 изображено семейство полных
механических характеристик, соответствующих
различным значениям тока возбуждения.
Естественная
механическая характеристика представляет
собой прямую линию, проходящую через
точки
и
.
При
уменьшении тока возбуждения на 20 %
частота вращения идеального
холостого хода
увеличивается. Пусковой момент
при этом уменьшается на 20 % (см. рис.
3.22). При увеличении тока возбуждения на
20 % происходит уменьшение частоты
вращения идеального холостого хода
.
Пусковой
момент при этом увеличится в такое же
число раз.
Механические
характеристики двигателя постоянного
тока
с изменением механических
моментов нагрузки в пределах от
до
представлены на рис. 3.23.
Рис.
3.23
При
изменении тока возбуждения угол наклона
механических характеристик изменяется.
При этом уменьшение тока возбуждения
приводит к увеличению частоты вращения,
а увеличение тока возбуждения дает
уменьшение частоты вращения двигателя.
Диаметр провода обмотки возбуждения
выбирается из условия прохождения
номинального тока, поэтому значительное
увеличение тока возбуждения до
значений выше номинального приводит к
перегреву обмотки возбуждения. Иногда
допускают превышение тока возбуждения
на 1520 %.
Из
уравнения механической характеристики
следует то, что частота вращения
идеального холостого хода обратно
пропорциональна магнитному потоку
.
Если
предположить,
что магнитный поток машины пропорционален
току возбуждения, то
,
где k
– коэффициент пропорциональности,
тогда
.
Теоретически
уменьшение тока возбуждения в два раза
дает двукратное увеличение частоты
вращения, что уже недопустимо.
Дальнейшее
уменьшение тока возбуждения приводит
к аварийной ситуации и к выходу двигателя
из строя. Поэтому системы защиты двигателя
контролируют величину тока возбуждения
и отключают напряжение питания якоря
при опасно малых токах возбуждения.
Таким образом, возможности полюсного
управления двигателей постоянного тока
весьма ограничены.
Реостатное
регулирование
Рис. 3.24
Под реостатным
управлением двигателя постоянного тока
понимают изменение скорости вращения
двигателя путем изменения сопротивления
цепи якоря. Для такого регулирования
последовательно с якорем включают
реостат
(рис. 3. 2 4). Изменение частоты вращения
двигателя постоянного тока с помощью
регулировочного реостата возможно в
том случае, когда двигатель нагружен
механическим моментом, близким к
номинальной величине. Принцип регулирования
основан на том, что при изменении
сопротивления цепи якоря изменяется
угол наклона механической характеристики
двигателя к оси моментов и при постоянном
механическом моменте сопротивления на
валу частота вращения изменяется. Схема
включения двигателя изображена на рис.
3.24.
Рис.
3.25
Рассмотрим полные
механические характеристики при
различных сопротивлениях регулировочного
реостата. Семейство полных
механических характеристик
двигателя при различных величинах
сопротивлений регулировочного реостата
Rрег
показано на рис. 3.25.
Ранее получена формула, описывающая
механическую характеристику двигателя
при включенном последовательно
с якорем регулировочном реостате
.
Положение
механической характеристики определяется
двумя точками: скоростью идеального
холостого хода
и пусковым
моментом
.
Рис. 3.26
Из приведенных
формул следует, что скорость идеального
холостого хода не зависит от сопротивления
регулировочного реостата. Величина же
пускового момента обратно пропорциональна
этому сопротивлению. Поэтому угол
наклона характеристик при увеличении
сопротивления регулировочного реостата
увеличивается
.
Механические характеристики двигателя
для значений моментов от 0 до 1,5Мн
и при различных величинах сопротивлений
регулировочного реостата Rрег
показаны на рис. 3.26.
При
неизменном механическом моменте ток
якоря является величиной постоянной,
и вторая слагаемая уравнения скорости
,
имея отрицательный знак, увеличивается
при увеличении Rрег .
Таким образом, увеличение Rрег
приводит
к уменьшению частоты вращения
двигателя. На рис. 3.26
.
При
таком способе регулирования частоты
вращения при постоянном моменте на валу
мощность, потребляемая из сети, остается
неизменной
.
Выходная же мощность двигателя при
уменьшении частоты вращения уменьшается,
так как
.
Мощность потерь
,
равная разности мощности, потребляемой
из сети, и выходной мощности,
с уменьшением
частоты вращения увеличивается за счет
увеличения мощности нагревания
регулировочного реостата, так как потери
в самом двигателе изменяются незначительно.
КПД всей установки при таком способе
регулирования частоты вращения гораздо
меньше номинального значения. С точки
зрения энергетических затрат такой
способ регулирования частоты вращения
неэффективен.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
>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:
где K’=KC’
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
п. д. двигателя.
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.
§ 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.
§ 82. Способы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока и реостатный пуск
Способы регулирования частоты вращения. Частоту вращения якорей тяговых двигателей можно регулировать, изменяя напряжение £/д на зажимах двигателя или магнитный поток Ф, т. е. коэффициент возбуждения 6. Напряжение С/д изменяют с помощью пускового реостата, включенного последовательно с двигателями, и тиристорных преобразователей, а также применением различных схем соединений тяговых двигателей.
Реостатный пуск. В момент пуска и разгона электровоза или моторного вагона электропоезда для увеличения напряжения на зажимах двигателя и поддержания необходимых тока и силы тяги выводят ступенями пусковой реостат, т. е. осуществляют реостатный пуск. Для длительной езды под током применяют различные соединения тяговых двигателей и ступени ослабления возбуждения. Скоростные характеристики v(I), соответствующие различным схемам соединения двигателей при выведенном пусковом реостате и коэффициентам возбуждения, называют экономическими (ходовыми); характеристики, соответствующие работе на различных ступенях реостатного пуска, — реостатными.
В период пуска и разгона поезда якоря тяговых двигателей должны развивать частоту вращения от нуля до значения, соответствующего выходу на безреостатную характеристику. На электровозах, где пусковой режим машинист изменяет в широкик пределах сообразно с весом поезда, профилем пути и условиями сцепления, чаше всего применяют неавтоматический ступенчатый реостатный пуск. Плавное изменение сопро-
тивления пускового реостата, рассчитанного на большой ток, принципиально возможно при импульсном регулировании его тиристорным преобразователем.
В процессе пуска почти всегда реализуется максимальная по сцеплению сила тяги. Отклонение пускового тока /„ и силы тяги от средних значений при ступенчатом реостатном пуске характеризуют соответственно коэффициентами неравномерности пуска по току и силе тяги кл[ и киР.
Чтобы пуск электровоза или электропоезда происходил без боксования, для любой позиции должно быть соблюдено уСЛОВИе / тах/Я < фк (ЗДесЬ ^тах —
максимальная сила тяги по условиям сцепления движущего колеса с рельсом; Я — нагрузка иа рельсы от колесной пары; фк — расчетный коэффициент сцепления, который выбирают согласно Правилам тяговых расчетов. Максимальная возможная по условиям сцепления сила тяги тем больше, чем меньше коэффициент неравномерности.
При различных пределах отклонения тока для разных позиций коэффициенты ки1 и к„р являются переменными и определяются отдельно. В случае уменьшения к„/ снижается вероятность нарушения сцепления, поскольку сила тяги нарастает более мелкими ступенями. Для электровозов принимают кн) не более 0,07 — 0,08, что соответствует при пуске колебаниям тока ±9—10%. На некоторых современных электровозах колебания пускового тока составляют ±4%. Для моторных вагонов электропоездов коэффициент к„/ выбирают в зависимости от ускорения а, полагая ас кн/ ж 0,075 -4—4- 0,085 м/с2.
Коэффициент к„/> обычно в 1,2—1,25 раза больше коэффициента кн1. Полученное значение /’тах для электровозов проверяют также по перегрузочной способности двигателя. Наибольшее значение
тока при пуске не должно превышать ^3*= кпЛ (здесь кпэ = 1,4 1,6 — коэффициент эксплуатационной перегрузки для электровозов с неавтоматическим пуском).
С уменьшением числа ступеней упрощается аппаратура, но вместе с тем увеличиваются колебания тока при переходе с позиции на позицию, а это приводит к уменьшению использования сцепного веса при пуске и торможении и резким толчкам тягового усилия. Поэтому в каждом конкретном случае стремятся принять решение, удовлетворяющее в необходимой степени обоим требованиям. Каждому соединению двигателей соответствует несколько кривых, характеризующих зависимость скорости движения v от тока / при различных сопротивлениях г. Совокупность таких кривых с указанием перехода с одной кривой (характеристики) на другую при максимальном токе называют пусковой диаграммой.
Для ограничения начального ускорения во время пуска электровоза с низкими скоростями при маневрах, а также для плавного натяжения упряжных приборов при трогании локомотива с составом на первом соединении тяговых двигателей, кроме позиций, полученных из условий пуска с расчетными пределами тока, вводят еще маневровые позиции, при которых пусковое сопротивление больше сопротивления, соответствующего первой пусковой позиции. Число маневровых позиций для электровозов обычно выбирают от четырех до шести.
Первую маневровую позицию рассчитывают по начальному ускорению, равному 0,3—0,5 м/с2 при пуске электровоза без состава на площадке. Для электропоездов с ускорением 0,7—1,0 м/с2 при автоматическом пуске обычно предусматривают одну маневровую позицию, сопротивление которой рассчитывают исходя из начального ускорения 0,5—0,6 м/с2 при v = 0.
При малом пусковом токе переход на первую позицию второго соединения тяговых двигателей может сопровождаться значительным броском тока, для уменьшения которого на втором и последующих соединениях двигателей при ручном пуске добавляют две или три дополнительные реостатные позиции на электро-
возах и одну или две на моторных вагонах аналогично маневровым позициям на первом соединении
Для определения дополнительных ступеней, предшествующих первой позиции второго соединения двигателей, находят скорость, при которой бросок тока при переходе с предыдущей автоматической характеристики на первую реостатную следующего соединения был бы равен разности максимального и минимального пусковых токов.
⇐Предыдущая Оглавление Следующая⇒