Кінаш А.Т. Електротехніка. Електричні машини

Подождите немного. Документ загружается.

101

Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè ïîñò³éíîãî ñòðóìó

Генератори паралельного збудження знайшли широке застосу-

вання як збудники і зарядні агрегати, а також невеликі джерела жив-

лення.

4.7.6. Генератор послідовного збудження

Генератор постійного струму, обмотка збудження якого ввім-

кнена послідовно з якорем, називається генератором послідовного

збудження. На рис. 4.18,а показана його електрична схема.

При роботі генератора

()

;

сняя

зя

RRIEU

III

+−=

де R

сн

– опір серієсної

(послідовної) обмотки

збудження ОЗС.

Зовнішня характери-

стика генератора наведе-

на на рис. 4.18,б. Вона показує, що напруга на затискачах генерато-

ра спочатку зростає по мірі зростання навантаження, потім досягає

найбільшого значення. Унаслідок зростання спаду напруги в обмо-

тках якоря і збудження підсилююча дія реакції якоря зменшується.

Напруга генератора при зміні навантаження змінюється в широких

межах. Тому генератори послідовного збудження застосовуються

лише як спеціальні генератори.

4.7.7. Генератор змішаного збудження

Генератор постійного струму, що має па-

ралельну і послідовну обмотки збудження,

називається генератором змішаного збуджен -

ня. На рис. 4.19 показана його електрична схе-

ма. Паралельна обмотка ОЗШ призначена для

створення основного потоку машини, а послі-

довна ОЗС для підтримки стабільності напру-

ги на затискачах генератора при зміні наван-

таження. Дійсно, при збільшенні навантажен-

ня зростає струм у послідовній обмотці, у ре-

Рис. 4.18

аб

Рис. 4.19

102

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

зультаті чого збільшується магнітне поле генератора і, отже, компен-

сується зменшення напруги генератора, викликане збільшенням стру-

му якоря. Завдяки цьому напруга на затискачах генератора при змі-

ні навантаження від нуля до номінального залишається майже не-

змінною, що наочно показує зовнішня характеристика (крива 1 на

рис. 4.20,а).

Рис. 4.20

аб

У тих же випадках, коли потрібна сталість напруги на затиска-

чах споживача, для компенсації спадання напруги й у мережі послі-

довну обмотку роблять посиленою. Зовнішня характеристика для

цього випадку зображена кривою 2. Таким чином, послідовна об-

мотка є автоматичним регулятором напруги.

При роботі генератора змішаного збудження, коли його обмот-

ки збудження з'єднані згідно (компаундно) і їхні потоки Ф

та Ф

сн

складаються, мають місце наступні співвідношення:

() ( )

.ФФ ; ;

сншсняязя

+=+−=+= ncERRIEUIII

Оцінка величини напруги перекомпаундованого генератора про-

водиться ступенем перекомпаундування

ном

max

∆

де

max

U∆

– максимальний приріст напруги, вищий від номінальної;

ном

– номінальна напруга машини.

У ряді випадків застосовується зустрічне, або протикомпаунд-

не, з'єднання обмоток генератора, при якому магнітний потік послі-

103

Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè ïîñò³éíîãî ñòðóìó

довної обмотки послабляє потік, створюваний паралельною обмот-

кою. Зовнішня характеристика при цьому стає крутопадаючою (кри-

ва 3 на рис. 4.20,а). Таке з'єднання застосовується при роботі генера-

тора (наприклад, зварювальної машини) в умовах частих переван-

тажень або коротких замикань. У цих випадках послідовна обмот-

ка майже розмагнічує машину і знижує струм до значення, безпеч-

ного для цілості генератора.

На рис. 4.20,б показані регулювальні характеристики генерато-

ра змішаного збудження. Крива 1 відповідає машині з нормальною

послідовною обмоткою, крива 2 – з підсиленою, а крива 3 – зустріч-

ному включенню обмоток збудження. Ці характеристики є дзеркаль-

ним відображенням зовнішніх характеристик генератора.

Генератор змішаного збудження має такі властивості: 1) збуджу-

ється як при розімкнутому, так і при замкнутому зовнішньому колі;

2) при зміні навантаження від нуля до номінального напруга генера-

тора за умови згідного включення обмоток практично залишається

незмінною, а при зустрічному різко змінюється; 3) при згідному вклю-

ченні обмоток збудження для генератора небезпечне коротке зами-

кання, тому що послідовна обмотка підтримує напругу на затиска-

чах генератора, унаслідок чого процес затягується і струм коротко-

го замикання досягає небезпечних значень для цілості машини. Нав-

паки, при зустрічному включенні обмоток збудження для генерато-

ра безпечне коротке замикання, тому що послідовна обмотка роз-

магнічує машину.

Генератори змішаного збудження мають добрі властивості, тому

широко застосовуються як основні джерела постійного струму та

перетворювачі.

4.8. Електродвигуни постійного струму

Електродвигуни постійного струму за способом збудження, як і

генератори, поділяються на чотири типи: незалежного, паралельно-

го, послідовного і змішаного збудження. На рис. 4.10 показані схе-

ми збудження електродвигунів.

Електродвигуни незалежного збудження застосовуються тільки

в спеціальних установках, а всі інші застосовуються достатньо ши-

роко.

Основні умови роботи електродвигунів виражаються рівняння-

104

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

ми рівноваги ЕРС і моментів:

U = E + R

; M = M

гл

де M

гл

– гальмівний момент, який на валу електродвигуна склада-

ється з моментів: холостого ходу, створеного силами тертя; наван-

таження, що створюється зовнішніми силами; сил інерції обертових

частин.

Електродвигуни працюють при переході від одного режиму до

іншого стійко без спеціальних регуляторів, необхідних, наприклад,

для дизелів. Іншими словами, електродвигун саморегулюється. Ак-

тивні моменти можуть як перешкоджати, так і сприяти руху, тобто

вони зберігають свій напрямок при зміні напрямку обертання яко-

ря. Прикладом активного моменту може бути момент піднімально-

го механізму, зокрема піднімальної стріли.

4.8.1. Пуск у хід і зупинка електродвигунів

Пуск у хід електродвигунів постійного струму в принципі може

бути здійснений трьома способами: прямим вмиканням у мережу,

введенням пускового реостата в коло якоря та зміною напруги дже-

рела живлення за допомогою спеціальних перетворювачів.

З рівняння ЕРС випливає, що струм у якорі електродвигуна

яя

ncU

−

У перший момент пуску, коли n = 0, ЕРС електродвигуна

0Ф == ncE

і, оскільки R

малий, струм якоря досягає дуже вели-

ких значень:

()

.50...10

ном

I ==

Природно, що такий струм викликає сильне іскріння на колек-

торі і великий динамічний момент на валу електродвигуна, а також

створює великий спад напруги в мережі живлення. Тому спосіб пус-

ку прямим вмиканням у мережу застосовується тільки для невели-

ких електродвигунів, коли пусковий струм І

пуск

не перевищує зна-

чення (4...6)І

ном

і безпечний для цілості електродвигуна.

Для обмеження пускового струму в коло якоря включається спе-

105

Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè ïîñò³éíîãî ñòðóìó

ціальний пусковий реостат (рис. 4.21). При цьому пусковий струм

визначається формулою

пускя

пуск

де R

пуск

– опір пускового реостата, який під-

бирають так, щоб пусковий струм І

пуск

не

перевищував значень (1,5...2)І

ном

При вмиканні електродвигуна в мережу

його якір починає обертатися, поступово

збільшуючи швидкість. Унаслідок цього зво-

ротна ЕРС починає збільшуватись, пуско-

вий реостат повільно виводять і наприкінці

пуску повністю виключають з кола якоря.

При цьому зворотна ЕРС досягає значення,

близького до напруги мережі, а струм змен-

шується до нормальної величини. На

рис. 4.22 наведений вигляд кривої пусково-

го струму. Оскільки пусковий реостат має

кілька ступенів, то і зміна пускового струму

відбувається ступенями. Відповідно до сту-

пенів зміни струму буде змінюватися і швид-

кість обертання якоря, досягаючи наприкін-

ці пуску свого сталого значення.

Пуск електродвигунів значно поліпшу-

ється, якщо він проводиться при максималь-

ній величині магнітного потоку. Для цього реостат у колі збудження

перед пуском повністю виводиться. Крім того, схема електродвигуна

повинна бути зібрана так, щоб струм збудження не залежав від стру-

му якоря. Тому обмотка збудження завжди включається на незалежне

живлення від джерела.

Зупинка електродвигуна здійснюється швидким уведенням пус-

кового реостата з наступним відключенням від джерела живлення.

4.8.2. Регулювання швидкості обертання електродвигунів

Швидкість, або кутова швидкість обертання (частота обертан-

ня), якоря електродвигуна визначається з рівняння зворотної елек-

Рис. 4.21

Рис. 4.22

106

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

трорушійної сили:

n =

Замінивши в цьому рівнянні ЕРС її значенням

яя

IRUЕ −=

, отри-

маємо

яя

IRU

−

З цього виразу виходить, що регулювати частоту обертання елек-

тродвигуна можна зміною напруги, підведеної до якоря, або зміною

магнітного потоку електродвигуна.

Зміна напруги, підведеної до якоря, здійснюється за допомогою

спеціального перетворювача або найчастіше – регулювальним рео-

статом, включеним послідовно в коло якоря. Реостат дозволяє регу-

лювати швидкість обертання в бік зниження від номінальної. При

цьому частота обертання електродвигуна визначиться за рівнянням

)(

яр.яя

IRRU

+−

де R

р.я

– опір регулювального реостата.

Зміна магнітного потоку в електродвигуні проводиться регулю-

вальним реостатом у колі збудження. Зміна опору кола збудження

викликає зміну струму збудження і, отже, магнітного потоку маши-

ни. Цей спосіб дозволяє регулювати швидкість обертання в бік під-

вищення.

Регулювання швидкості обертання реостатом в колі якоря не еко-

номічне, тому що в регулювальному реостаті втрачається значна по-

тужність. Навпаки, регулювання реостатом у колі збудження еконо-

мічне, тому що потужність, що втрачається в реостаті, незначна.

4.8.3. Реверс і гальмування електродвигунів

Під реверсом розуміється зміна напрямку обертання якоря елек-

тродвигуна. Останнє залежить від напрямку струму в обмотці якоря

і в обмотці збудження. Тому реверс електродвигуна можна здійсни-

ти зміною напрямку струму в обмотці збудження при незмінному

107

Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè ïîñò³éíîãî ñòðóìó

напрямку струму в якорі або зміною напрямку струму в якорі при

незмінному напрямку струму в обмотці збудження. Якщо ж одночас-

но змінити напрямок струму в якорі та в обмотці збудження, то на-

прямок обертання якоря не зміниться. Зміна на-

прямку струму в якорі звичайно здійснюється

за допомогою контролера або автоматичних

апаратів – контакторів, а в обмотці збудження –

за допомогою реверсивних реостатів або ревер-

сивних контакторів. На рис. 4.23 зображена мож-

лива схема реверсування електродвигунів.

Гальмування електродвигунів застосовуєть-

ся для їх швидкої зупинки. Знаходять застосуван-

ня наступні способи гальмування: механічне, рекуперативне, елект-

родинамічне та противключення. Найбільшого поширення набули

електричні методи гальмування.

Механічне гальмування здійснюється за допомогою колодкових,

стрічкових або дискових гальм. Зокрема, ди-

скове електромагнітне гальмо (рис. 4.24)

сконструйоване так: на вал 1 електродвигу-

на надітий гальмовий диск 2. До нього під

дією пружини 6 притискається гальмовий

башмак 3, що є якорем електромагніта 4, і

цим здійснюється гальмування електродви-

гуна. При наявності струму в котушці 5 елек-

тромагніта якір 3, стискаючи пружину 6, від-

ходить від гальмового диска і електродвигун

розгальмовується.

Електродинамічне гальмування здійсню-

ється так: обертовий якір електродвигуна від-

ключається від мережі і замикається на рео -

стат R

гл

(рис. 4.25); при цьому якір, продов-

жуючи обертатися по інерції в магнітному

полі, розвиває протиелектрорушійну силу,

що створює струм зворотного напрямку

гля

гл

−

Рис. 4.23

Рис. 4.24

Рис. 4.25

108

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

Цей струм називається гальмівним струмом. Від взаємодії дано-

го струму з основним магнітним полем електродвигун швидко зу-

пиняється.

Рекуперативне, або гальмування з віддачею енергії в мережу, як

і динамічне, здійснюється переведенням машини в режим генерато-

ра. Таке гальмування звичайно застосовується для машин паралель-

ного та змішаного збудження і в тих випадках, коли на валу елек-

тродвигуна замість гальмівного моменту створюється обертаючий,

наприклад при спуску вантажу стрілою. У результаті при збільшен-

ні швидкості обертання машини збільшується і зворотна ЕРС яко-

ря, а коли Е > U, машина переходить у режим генератора, віддаючи

енергію в мережу і розвиваючи гальмівний момент на валу. Для збіль-

шення гальмівного моменту часто застосовують форсування збу-

дження.

Гальмування противключенням здійснюється зміною полярно-

сті живлення обмотки обертового якоря. При цьому електродвигун

по інерції або під дією зовнішнього моменту обертається в ту ж сто-

рону, а обертаючий електромагнітний момент протидіє йому. Зво-

ротна ЕРС Е машини та напруга живлення U спрямовані згідно, і

струм може досягти значної величини. Тому послідовно з якорем

включається спеціальний опір R

гл

, що обмежує величину гальмівно-

го струму

гля

гл

−

Такий спосіб звичайно застосовується для інтенсивного гальму-

вання з наступним реверсуванням електродвигуна на ходу.

4.8.4. Характеристики електродвигунів постійного струму

Властивості електродвигунів постійного струму оцінюються за

робочими і регулювальними характеристиками. Робочі характерис-

тики являють собою наступні залежності:

)(,,,

PfIMn =η

при

const,iconst

== RU

де n – частота обертання якоря; М – обертаючий момент на валу

електродвигуна; I – струм, споживаний електродвигуном з мережі;

109

Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè ïîñò³éíîãî ñòðóìó

η – коефіцієнт корисної дії електродвигуна; P

– корисна потужність,

тобто потужність на валу електродвигуна.

Оскільки

η=UIP

, тобто корисна потужність електродвигуна

пропорційна струму, робочі характеристики іноді подають у вигля-

ді залежностей:

)(,,,

IfPMn =η

при

consticonst

== RU

Характеристику

)(

Pfn =

часто називають швидкісною (або зов-

нішньою) характеристикою електродвигуна.

Під регулювальними характеристиками розуміються залежно-

сті вигляду

)(

Ifn =

при

const=U

. Ці характеристики визначають

можливості і способи регулювання швидкості електродвигунів.

Оцінка властивостей електродвигунів у загальному випадку ро-

биться також за механічними характеристиками, які являють собою

залежності

)(Mfn =

при

consticonst

== RU

. Ці характеристи-

ки використовуються при аналізі електричних приводів.

4.8.5. Електродвигуни паралельного збудження

Електродвигун постійного струму, обмотка збудження якого

включена паралельно якорю, називається електродвигуном паралель-

ного збудження. На рис. 4.26 зображена його електрична схема. На

схемі позначені: Я – якір; ОЗШ – обмотка збудження шунтова; R

пуск

–

пусковий реостат; R

р.з

– регулювальний

реостат у колі збудження. Схема передба-

чає, що при будь-якому положенні коло

збудження залишається замкнутим як при

пуску електродвигуна, так і під час його ро-

боти. Якщо цього не передбачити, то при

обриві кола збудження магнітний потік

зменшиться до величини залишкового ма-

гнітного потоку і електродвигун не зможе

розвити момент достатньої величини. У ре-

зультаті при пуску під навантаженням елек-

тродвигун не рушить з місця, струм якоря

досягне величини струму короткого зами-

кання і якір може вийти з ладу.

Приклад 4.1. Генератор незалежного збудження має такі номі-

нальні дані:

ном

кВт,

230

ном

В. Опір кола збудження

7,15

Ом, опір обмоток якоря (включаючи опір обмоток додат-

Рис. 4.26

110

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

кових полюсів та опір щіток)

17,0

Ом, потужності втрат у сталі

і механічні

.кВт95,0

мехс

=+ pp

Визначити ЕРС генератора Е, напругу на затискачах генерато-

ра і його ККД (реакцією якоря нехтуємо) при навантаженнях β, що

становлять 5/4, 4/4, 2/4 і 1/4 від номінального. Побудувати графіки

залежностей

()

β=

()

β=η

Розв'язання. Для генератора незалежно-

го збудження, принципова схема якого по-

казана на рис. 4.27, ЕРС

яя

IRUE +=

При номінальному режимі

я.номя

II =

ном

UU =

;

87230/1020/

номномя.ном

=⋅== UPI

А.

Тоді

8,244

я.номяномном

=+= IRUE

В.

Отже,

8,244

яя

=+= IRUE

В.

Напруга на затискачах генератора при

4/5=

()

3,22617,0874/58,244

я1

=⋅⋅−=β−= IREU

В.

Аналогічно одержуємо:

В.1,241;В4,237;В7,233;В230

5432

==== UUUU

ККД генератора дорівнює відношенню потужності, яка відда-

ється, до потужності споживаної:

++β++β

=η

смех

я.номя

зном

ном

ppIRPP

Рис. 4.27