Электрические машины: машины постоянного тока

Подождите немного. Документ загружается.

8.2 Пуск двигателей

Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа

пуска:

прямой, при котором обмотка якоря подключается непосредственно к

сети;

реостатный, при котором в цепь якоря включается пусковой реостат

для ограничения пускового

тока;

путем плавного повышения питающего напряжения, которое

подается на обмотку

якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока внутреннее сопро-

тивление цепи якоря

ΣR

невелико, поэтому при прямом пуске ток якоря

НОМ

ΣR

= (10 ÷ 20)I

HOM

. При таком токе в двигателе развивается чрезмер-

но большой пусковой момент, что создает опасность поломки вала машины и

вызывает сильное искрение под

щетками. Поэтому прямой пуск применяют, в

основном, для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в кото-

рых сопротивление

ΣR

относительно велико. Нежелательные последствия от

столь значительных токов якоря вынуждают принимать меры к ограничению

пусковых токов до значений

= (1,5 ÷ 2,0)I

HOM

В отдельных случаях прямой пуск используют для двигателей с последо-

вательным возбуждением мощностью в несколько

киловатт. При прямом пуске

таких двигателей

= (4 ÷ 6)I

HOM

Переходный процесс изменения частоты вращения

n и тока якоря I

процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической

постоянной времени

. В большинстве случаев время протекания электро-

магнитных переходных процессов гораздо меньше чем

механических.

На рисунке 41 приведены зависимости

n(t) и i

(t) при различных значе-

ниях

Рисунок 41 − Графики изменения частоты вращения (а) и тока якоря (б) при прямом

пуске двигателя с параллельным возбуждением

Пунктиром на рисунке 41, а показано как возрастает ток i

, если якорь не

сможет прийти во

вращение.

Время переходного процесса при пуске принимается равным

(3 ÷ 4)Т

За это время частота вращения достигает

0,95 ÷ 0,98 от установившегося зна-

чения

НОМ

, а ток якоря I

также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее применение. В

начальный момент пуска при

n = 0 ток I

ΣR

+ R

. Максимальное сопро-

тивление пускового реостата

подбирается так, чтобы для машин большой и

средней мощности ток якоря при пуске

= (1,4 ÷ 1,8)I

НОМ

, а для машин ма-

лой мощности

= (2 ÷ 2,5)I

НОМ

Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с парал-

лельным

возбуждением, показанный на рисунке 42, а.

Рисунок 42 − Графики изменения частоты вращения (а, б), момента и тока якоря (в)

при реостатном пуске двигателей с

параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением

В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике

(рисунок 42, а), соответствующей максимальному значению сопротивления

пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой мо-

мент

П MАХ

. Регулировочный реостат R

Р В

в этом случае выводится так, чтобы

ток возбуждения

и поток Φ были максимальными. По мере разгона момент

двигателя

уменьшается, так как с увеличением частоты вращения возрастает ЭДС

U − Е

Е и уменьшается ток якоря I

ΣR

+ R

. При достижении некоторого значения

П MIN

часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего мо-

мент снова возрастает до

П MАХ

. При этом двигатель переходит на работу по

реостатной характеристике

5 и продолжает разгон. Таким образом, уменьшая по-

степенно сопротивление пускового

реостата, осуществляют разгон двигателя по

отдельным отрезкам реостатных характеристик

6, 5, 4, 3 и 2 (рисунок 42, а, жир-

ные

линии) до выхода на естественную характеристику

1. Средний вращающий

момент при пуске М

П СР

П MАХ

+ М

П MIN

= const, вследствие чего двигатель

разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же способом пускается

в ход двигатель с последовательным

возбуждением (рисунок 42, б). Количество

ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и

требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности

П MАХ

–

П MIN

). Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под то-

ком.

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря

достига-

ет некоторого максимального

значения (рисунок 42, в), а затем уменьшается до

минимального

значения. В соответствии с изменением тока якоря изменяется и

электромагнитный момент

М. Заштрихованная на рисунке 42, в область соот-

ветствует значениям динамического момента

ДИН

= М — М

, обеспечи-

вающего разгон двигателя до установившейся частоты

вращения.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При

реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в

пуско-

вом

реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осущест-

вить путем плавного повышения

напряжения, подаваемого на его обмотку. Од-

нако для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с

ре-

гулируемым

напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой

источник можно использовать также для регулирования частоты вращения

дви-

гателя.

8.3 Регулирование частоты вращения двигателей

Частота вращения двигателя постоянного тока

n =

U − I

(

ΣR

+ R

ДОБ

)

(19)

Се⋅Φ

Следовательно, ее можно регулировать тремя способами:

включением добавочного реостата R

ДОБ

в цепь обмотки якоря;

изменением магнитного потока Φ;

изменением питающего напряжения U.

На примере двигателя с параллельным возбуждением рассмотрим прин-

ципиальные

особенности, свойственные этим способам регулирования.

Включение реостата в цепь якоря. При включении реостата в цепь

якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более

резко, чем при

работе двигателя без

реостата:

n =

U − I

(

ΣR

+ R

ДОБ

)

−

(

ΣR

+ R

ДОБ

)

− Δn. (20)

Се⋅Φ

Это показано на рисунке 43, где приведены скоростные и механические

характеристики двигателя с параллельным

возбуждением:

1 – естественная

(при

ДОБ

= 0; 2 – реостатная (при R

ДОБ

> 0). Частоты вращения при холостом

ходе для двух характеристик

равны, значения

Δn (уменьшение частоты враще-

ния при

нагрузке) различны. При одном и том же токе якоря

(

ΣR

+ R

ДОБ

)

Δn =

Се⋅Φ

. Чем больше добавочное сопротивление R

ДОБ

, тем боль-

ше с увеличением нагрузки падает частота вращения.

Механические характеристики

n = f(M) двигателя с параллельным воз-

буждением можно получить из скоростных характеристик

n = f(I

) путем из-

менения масштаба по оси

абсцисс, так как для двигателя этого типа

М = С

ΦI

(момент пропорционален току якоря).

Основным недостатком данного метода регулирования является возник-

новение больших потерь энергии в

реостате (особенно при низких частотах

вращения), что видно из соотношения

ΔР

ЭЛ

= I

(

ΣR

+ R

ДОБ

)

= I

ΣR

+ I

ДОБ

, (21)

где

ΔР

ЭЛ

– электрические потери.

Рисунок 43 − Скоростные и механические характеристики двигателя с параллельным

возбуждением при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь якоря

Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать частоту вра-

щения (по сравнению с частотой при естественной характеристике). Иногда

существенным является то

обстоятельство, что при включении в цепь якоря

значительного сопротивления характеристики двигателя становятся

крутопа-

дающими (мягкими), вследствие чего небольшие изменения нагрузочного мо-

мента приводят к большим изменениям частоты

вращения.

Изменение магнитного потока. Чтобы изменить магнитный поток,

необходимо регулировать ток возбуждения

двигателя. При различных магнит-

ных потоках

и Φ

частота вращения определяется формулами

U − I

ΣR

−

ΣR

− Δn

; (22)

Се⋅Φ

U − I

ΣR

−

ΣR

− Δn

. (23)

Се⋅Φ

В двигателе с параллельным возбуждением, например, частота вращения

при холостом ходе и падение частоты вращения изменяются обратно

пропор-

ционально изменению магнитного

потока:

Δn

(24)

Δn

Таким образом, скоростные характеристики

1 и 2 двигателя при различ-

ных магнитных потоках

и Φ

не являются параллельными (рисунок 44, а).

Эти характеристики пересекаются в точке

А при частоте вращения, равной ну-

лю, так как в данном случае ток

ак

не зависит от потока: I

ак

ΣR

и определя-

ется значениями напряжения и сопротивления цепи якоря. Значение тока

ак

при

n = 0 называют током короткого замыкания.

Механические характеристики для двигателя с параллельным возбужде-

нием строят по двум

точкам: точке холостого хода, в которой момент равен ну-

лю, и точке короткого замыкания, в которой момент максимален. Сравнивая

моменты при коротком

замыкании, соответствующие различным значениям

магнитного

потока, получаем

К1

aк

(25)

К2

aк

Таким образом, с уменьшением магнитного потока частота вращения при

холостом ходе

возрастает, а момент при коротком замыкании снижается. Сле-

довательно, механические характеристики, построенные при различных значе-

ниях магнитного

потока, пересекаются при некотором значении момента

КР

частоте

вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но большей

нуля (рисунок 44, б). Из рассмотрения механических характеристик видно, что

при значениях нагрузочного

момента, меньших

КР

, уменьшение потока ведет

к увеличению частоты

вращения (см. точки

и С

при нагрузочном моменте

Н1

). При значениях нагрузочного момента, больших М

КР

, уменьшение потока

приводит к уменьшению частоты

вращения (см. точки С

′ и С

′ при нагрузоч-

ном моменте

Н2

Рисунок 44 − Скоростные и механические характеристики двигателя с параллельным

возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

В двигателях параллельного возбуждения средней и большой мощности

уменьшение потока используют для повышения частоты

вращения (рису-

нок 44, а). В микродвигателях, наоборот, магнитный поток уменьшают для

снижения частоты

вращения.

Аналогично располагаются и механические характеристики у двигателей

с последовательным

возбуждением; в двигателях большой и средней мощности

при уменьшении магнитного потока частота вращения

возрастает (рису-

нок 45, б).

1 – при нормальном возбуждении; 2 – при уменьшении магнитного потока

Рисунок 45 − Механические характеристики двигателей с параллельным (а) и

последовательным (б) возбуждением

Уменьшение магнитного потока в двигателях последовательного возбуж-

дения осуществляют путем включения регулировочного реостата

P B

парал-

лельно обмотке возбуждения

ОВ (рисунок 46).

Рисунок 46 − Схема включения регулировочного реостата в двигателе с последова-

тельным возбуждением

При включении реостата

P B

параллельно обмотке возбуждения требуе-

мое распределение тока

между обмоткой и реостатом обеспечивается только

при стационарном

режиме. При переходных процессах, когда токи

и I

изме-

няются, в обмотке возбуждения возникает значительная ЭДС самоиндукции,

под действием которой ток

уменьшается по сравнению с его значением при

стационарном

режиме, а ток

Р В

возрастает, т. е. происходит значительное ос-

лабление

возбуждения. Наиболее опасен этот режим для двигателей электри-

фицированного

транспорта (электровозов, электропоездов, трамваев, троллей-

бусов). При отключении двигателя от сети и последующем включении (при от-

рыве токоприемника от контактного

провода) в первый момент почти весь ток

идет по реостату R

P B

, a ток I

весьма мал. Это приводит к значительному

возрастанию тока

из-за резкого уменьшения ЭДС Е, индуцированной в об-

мотке

якоря. Практически при этих условиях возникает резкий бросок тока

сопровождающийся нарушением нормальной коммутации и образованием

кру-

гового

огня.

Чтобы обеспечить при переходных процессах такое же распределение то-

ка между обмоткой возбуждения и реостатом

P B

, как и при стационарном ре-

жиме, последовательно с реостатом включают индуктивный шунт

ИШ (катуш-

ку с ферромагнитным

сердечником). Индуктивность его выбирают так, чтобы

отношение индуктивностей реостата и обмотки возбуждения было

приблизи-

тельно равно отношению их

сопротивлений.

Рассмотренный способ регулирования весьма прост и экономичен, по-

этому его широко применяют на

практике. Однако при этом регулирование

частоты вращения можно осуществить только в сравнительно небольшом

диа-

пазоне; обычно n

MAX

MIN

= 2 ÷ 5. Нижний предел n

MIN

ограничивается на-

сыщением магнитной цепи

машины, которое не позволяет увеличивать в значи-

тельной степени магнитный

поток. Верхний предел

MAX

определяется усло-

виями

устойчивости (при сильном уменьшении Φ двигатель идет в «разнос»), а

также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается ис-

кажающее действие реакции якоря и возрастает реактивная

ЭДС, что повышает

опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового

огня.

Поэтому

двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослаб-

ления

возбуждения, должны иметь компенсационную обмотку и пониженное

значение реактивной ЭДС при номинальном

режиме.

Изменение питающего напряжения на зажимах якоря. Регулиро-

вание частоты вращения двигателя путем изменения напряжения на зажимах

якоря обычно

ведут «вниз», т. е. уменьшают напряжение и частоту вращения по

сравнению с

номинальными.

При изменении питающего напряжения от

до U

частоты вращения

определяются соответственно формулами

−

ΣR

− I

ΣR

Се⋅Φ

− Δn

;

(26)

Се⋅Φ Се⋅Φ

− I

ΣR

−

ΣR

Се⋅Φ

Се⋅Φ Се⋅Φ

− Δn

(27)

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения при холо-

стом ходе изменяется пропорционально изменению

напряжения, т. е.

= U

, а уменьшение частоты вращения, обусловленное воздействи-

ем нагрузки, при М

= const остается неизменным: Δn

= Δn

= const. В свя-

зи с этим скоростные характеристики двигателя с параллельным возбуждением

представляют собой семейство параллельных прямых

1, 2 и 3, (рисунок 47, а).

Рисунок 47 − Скоростные и механические характеристики двигателей при регулиро-

вании частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря

Механические характеристики

n = f(M) получаются из скоростных путем

изменения масштаба оси

абсцисс, так как момент пропорционален току якоря.

Скоростные и механические характеристики двигателя с последователь-

ным возбуждением строят

аналогично (рисунок 47, б).

8.4 Изменение направления вращения

Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить

направление электромагнитного момента

М, действующего на якорь. Это мож-

но осуществить двумя

способами: путем изменения направления тока

в об-

мотке якоря или изменения направления магнитного потока

Φ, т. е. тока возбу-

ждения. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или

обмотке

возбуждения.

9 Тормозные режимы двигателей

9. 1 Электрическое торможение

Электрические двигатели, как правило, используют не только для враще-

ния

механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволя-

ет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения без

при-

менения механических

тормозов.

Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного

тока:

рекуперативное торможение – генераторное торможение с отда-

чей электрической энергии в

сеть;

динамическое или реостатное торможение – генераторное тор-

можение с гашением выработанной энергии в

реостате, подключенном к об-

мотке

якоря;

3) электромагнитное торможение –

торможение противовключением.

Во всех указанных режимах электромагнитный момент

М воздействует

на якорь в

направлении, противоположном

n, т. е. является тормозным.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбужде-

нием переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его

час-

тоты вращения выше

Се⋅Φ

. В этом случае ЭДС машины становится

больше напряжения сети и ток изменяет свое направление, т. е. двигатель пере-

ходит в генераторный

режим. В этом режиме машина создает тормозной мо-

мент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть по-

лезно

использована.

В машине с параллельным возбуждением механические характеристики

генераторного режима являются продолжением механических характеристик

двигательного режима в область отрицательных

моментов (рисунок 48, б).

Рисунок 48 − Схема и механические характеристики машины постоянного тока в дви-

гательном и генераторном режимах

Поэтому переход из двигательного режима в генераторный может проис-

ходить

автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вра-

щаться с частотой

n выше n

. Можно перевести машину в генераторный режим

принудительно, если перевести ее на работу с характеристики

1 на характе-

ристику

2, уменьшив n

путем увеличения магнитного потока (тока возбужде-

ния) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. В этом случае неко-

торой частоте вращения

n соответствует на характеристике 1 двигательный ре-

жим (точка

А), а на характеристике 2 – режим рекуперативного торможения

(точка

В).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут перехо-

дить в режим рекуперативного торможения

. При необходимости реку-

перативного торможения схему двигателей в тормозном режиме

изменяют,

превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением.

Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить

в генераторный

режим, что обусловило их применение в троллейбусах, трамва-

ях и других устройствах с частыми

остановками, где двигатель должен обла-

дать мягкой механической

характеристикой.

Динамическое торможение. При этом виде торможения двигателя с

параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и

присоединя-

ют к ней реостат

ДОБ

(рисунок 49, а). При этом машина работает как генера-

тор, создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия гасится

в реостате. Регулирование тока I

ΣR

+ R

ДОБ

, т. е. тормозного момента М,

осуществляют путем изменения сопротивления

ДОБ

, подключенного к обмот-

ке

якоря. При

n = 0 тормозной момент М равен нулю, следовательно, машина

не может быть заторможена в неподвижном

состоянии.