Кулик Ю.А. Электрические машины
Подождите немного. Документ загружается.
буждения невелики. Однако этим способом регулируют скорость вращения в основном
лишь в сторону увеличения.
Имеются двигатели, у которых допускается уменьшение скорости вращения на 15—20%.
Регулирование скорости вращения изменением добавочного сопротивления в цепи
якоря. При введении добавочного сопротивления r
д
в цепь якоря, согласно (2.29),
скорость вращения двигателя уменьшается. Физически это явление можно объяснить
следующим
101
Регулирование скорости вращения изменением приложенного к якорю напряжения.
Согласно (2.29) при увеличении напряжения U на якоре скорость вращения двигателя
возрастает. Физически это явление можно объяснить следующим образом. В первый
момент времени увеличение напряжения приводит к возрастанию тока I
а
, а следовательно,
и электромагнитного момента М (рис. 2.61), например, со значения О-б- до О-а-. Поэтому
скорость вращения и пропорциональная ей противо э. д. с. увеличиваются, вследствие
чего ток I
а
якоря начинает уменьшаться.
Процесс увеличения скорости вращения и уменьшения тока якоря длится до тех пор, пока
момент двигателя М не становится равным статическому моменту сопротивления М
ст
. На
рис. 2.61 представлен процесс при независимом возбуждении двигателя для случая, когда
M
1
=M
2
=М
ст
. При новом установившемся режиме I
a2
= I
a1
, a n
2
>n
1
. Этот способ
регулирования часто применяется
102
Рис. 2.61. Процесс регулирования скорости вращения изменением напряжения питания
в автоматике для регулирования скорости вращения исполнительных двигателей.
Схема регулирования скорости вращения «генератор — двигатель». Для
регулирования скорости вращения применяют специальные схемы питания двигателя. В
случае, когда, двигатель питают отдельным генератором, удобно соединить якори обеих
машин накоротко (рис. 2.62). Такая схема называется «генератор — двигатель». С одним
концом вала приводного двигателя (дизельного, синхронного или асинхронного) соединен
генератор постоянного тока Г, с другим — возбудитель В, который питает обмотки
возбуждения генератора Г и двигателя постоянного тока Д. Вал двигателя Д соединен с
валом исполнительного механизма ИМ.
Изменяя сопротивления регулировочных реостатов генератора (r
вг
) и двигателя (r
вд
),
можно экономично изменять скорость вращения двигателя в широких пределах,
зависящих от величины нагрузки. В среднем диапазон регулирования скорости вращения
можно считать равным 1:10. Изменяя при помощи переключателя П полярность на якорях
машины, можно изменять направление вращения двигателя.
Часто для сглаживания пиков и толчков нагрузки на вал приводного двигателя ПД
насаживают маховик М, который запасает энергию и отдает ее при резком переходе к
большим нагрузкам.
Сглаживающее действие маховика настолько велико, что мощность приводного двигателя
ПД в некоторых случаях может быть меньше мощности двигателя Д. Это, например,
практикуется в приводах к прокатным станам.
Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика представляет
зависимость скорости вращения п от тока I
в
103
Рис. 2. 62. Схема «генератор—двигатель» для регулирования скорости вращения
возбуждения в случае, если ток I
а
якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е.
n=f(I
в
) при I
a
=const и U=const.
До тех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяется
пропорционально току возбуждения I
в
. В этом
Рис. 2.63. Регулировочная характеристика двигателя
Рис. 2.64. Скоростные характеристики
случае, согласно. (2.29), регулировочная характеристика является гиперболической. По
мере насыщения при больших токах I
в
характеристика приближается к линейной (рис.
2.63). При малых значениях тока I
в
скорость вращения резко возрастает. Поэтому при
обрыве цепи возбуждения двигателя (I
в
= 0) с параллельным возбуждением скорость его
вращения достигает недопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос».
Исключение могут составлять микродвигатели, которые имеют относительно большой
момент М
0
холостого хода.
104
В двигателях последовательного возбуждения I
в
= I
а
. При малых нагрузках ток якоря I
а
мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому пуск и работа при
малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущем случае,
могут составлять исключение.
Скоростные характеристики. Скоростные характеристики дают зависимость скорости
вращения п от полезной мощности Р
2
на валу двигателя в случае, если напряжение U сети
и сопротивление r
в
регулировочного реостата цепи возбуждения остаются неизменными,
т. е. n=f(P
2
), при U=const и r
в
= const.
С возрастанием тока якоря при увеличении механической нагрузки двигателя
параллельного возбуждения одновременно уменьшаются числитель и знаменатель
выражения (2.29). Числитель уменьшается вследствие увеличения падения напряжения в
якоре, знаменатель — из-за реакции якоря, которая обычно действует размагничивающим
образом. Первая причина стремится уменьшить скорость вращения двигателя, вторая —
увеличить. Действие падения напряжения в якоре обычно оказывает большее влияние.
Поэтому скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения имеет слегка
падающий характер (кривая 1, рис. 2.64).
В двигателе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения.
Поэтому с изменением нагрузки меняется поток Ф и, следовательно, знаменатель (2.29). В
результате скоростная характеристика двигателя с последовательным возбуждением
имеет характер, близкий к гиперболическому. При увеличении нагрузки по мере
насыщения магнитной цепи характеристика приобретает более прямолинейный характер
(кривая 3 на рис. 2.64).
В компаундном двигателе при согласном включении обмоток скоростная характеристика
занимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельного и
последовательного возбуждения (кривая 2).
Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к
холостому ходу называется номинальным изменением скорости
где n
н
— скорость вращения при номинальном режиме;
n
0
— скорость вращения при холостом ходе.
Обычно для мощных двигателей с параллельным возбуждением Δn=1÷2%, для
микродвигателей — 5÷15%. В двигателях с последовательным возбуждением нельзя
снижать нагрузку до холостого хода, поэтому у них под n
0
следует понимать скорость
вращения при нагрузке, составляющей 25% номинальной.
Моментные характеристики. Моментные характеристики показывают, как изменяется
момент М при изменении полезной мощности Р
2
на валу двигателя, если напряжение U
сети и сопротивление r
в
105
регулировочного реостата в цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. М = f(P
2
), при
U=const, r
в
=const.
Полезный момент на валу двигателя
Если скорость вращения двигателя параллельного возбуждения не изменялась бы с
нагрузкой, то зависимость момента М
мех
от полезной мощности графически представляла
бы прямую линию, проходящую через начало координат. В действительности скорость
вращения с увеличением нагрузки падает. Поэтому ха-
Рис. 2.65. Моментные характеристики
Рис. 2.66. Изменение к. п. д. двигателя
рактеристика полезного момента несколько загибается кверху (кривая 2, рис. 2.65).
Согласно (2.26) кривая электромагнитного момента М проходит выше кривой полезного
момента М
мех
на постоянную величину, равную моменту холостого хода М
0
(кривая 1).
В двигателе последовательного возбуждения скоростная характеристика близка к
гиперболической. Поэтому согласно (2.31) вид его моментной характеристики
приближается к параболическому. Действительно, в двигателе I
в
= I
а
, тогда из (2.5) имеем
М =С
е
I
2
а
. Это выражение показывает, что изменение момента от тока нагрузки
происходит, по закону параболы, пока сталь не насыщена. По мере насыщения
зависимость приобретает более прямолинейный характер (кривая 4).
В компаундном двигателе моментная характеристика (кривая 3) занимает промежуточное
положение между характеристиками двигателя параллельного и последовательного
возбуждения.
106
Характеристика изменения коэффициента полезного действия. Кривая зависимости к.
п. д. от нагрузки имеет характерный для всех двигателей вид (рис. 2.66). Кривая проходит
через начало координат и быстро растет при увеличении полезной мощности до 1/4
номинальной. При мощности Р
2
, равной примерно 2/3 но-
минальной, к. п. д. обычно достигает максимального значения. При увеличении нагрузки
до номинальной к. п. д. остается постоянным или незначительно падает.
Характеристики скоростная, моментная и к. п. д. называются рабочими. На рис. 2.67
представлены рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения.
Механические характеристики. Механическая характеристика показывает зависимость
скорости вращения п от момента двигателя
Рис. 2.67. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения
Рис. 2.68. Механические характеристики
М при неизменных напряжении U сети и сопротивлении r
в
регулировочного реостата, т. е.
n = f(M), при U=const, r
в
= const.
С увеличением нагрузки двигателя параллельного возбуждения поток Ф почти не
меняется, а скорость вращения лишь незначительно падает. Поэтому механическая
характеристика является прямой, несколько наклоненной к оси абсцисс (кривая 1, рис.
2.68), т. е. имеет тот же характер, что и скоростная (кривая 1, рис. 2.64). С учетом
выражений (2.4, а), (2.5) и (2.28) имеем:
107
где C
1
и С
2
— постоянные.
Анализируя (2.33), видим, что механическая характеристика двигателя с параллельным
возбуждением линейна.
При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления (r
д
= 0) коэффициент С
2
весьма
мал по сравнению с C
1
. Механическая характеристика при r
д
= 0 называется естественной
(кривая 1, рис. 2.68).
Если в цепь якоря введено добавочное сопротивление r
д
, то коэффициент С
2
возрастает. В
результате механические характеристики располагаются более наклонно (семейство
характеристик 2). Сопротивление обмотки якоря и щеточных контактов у микромашин
имеет большую относительную величину. Поэтому механические характеристики
микромашины располагаются более наклонно, т. е. являются менее жесткими.
Анализируя эту формулу, видим, что механическая характеристика двигателя с
последовательным возбуждением имеет вид гиперболы (кривая 4 на рис. 2.68). Ее
характер изменения близок К кривой 3 на рис. 2.64. В компаундном двигателе
механическая характеристика занимает промежуточное положение между
характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения (кривая 3
на рис. 2.68).
При введении в цепь якоря добавочного сопротивления механические характеристики
компаундного двигателя и двигателя последовательного возбуждения располагаются
ниже, чем их естественные характеристики (пунктирные кривые на рис. 2.68).
Механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением имеет резко
падающий вид. При большом моменте у двигателя существенно уменьшается скорость
вращения, поэтому при пусках и малых скоростях двигатель последовательного
108
возбуждения той же мощности имеет больший относительный момент, чем другие.
Благодаря этому свойству двигатели последовательного возбуждения применяются в
приводах с тяжелым пуском и резкими перегрузками.
По сравнению с двигателями последовательного возбуждения компаундные двигатели
имеют то преимущество, что они могут работать вхолостую. Компаундные двигатели и
двигатели последовательного возбуждения широко используются в качестве крановых и
тяговых.
Способы торможения двигателей. При работе электрических машин иногда встречается
необходимость тормозить двигатели, а в некоторых случаях и изменять направление их
вращения.
Помимо торможения при помощи механических тормозов существуют способы
электромагнитного торможения, в которых используется электромагнитный момент
машины. Электромагнитное торможение может быть осуществлено рекуперативным и
динамическим путем, а также противовключением двигателя.
Если во вращающемся двигателе, имеющем нагрузочный момент на валу, увеличить
поток или скорость вращения таким образом, что э. д. с. становится равной напряжению
сети, то двигатель разгружается и начинает вращаться вхолостую. При дальнейшем
увеличении э. д. с. (E>U) машина переходит в генераторный режим, и на ее валу создается
тормозной электромагнитный момент. При этом в двигателях параллельного возбуждения
не требуется переключения схемы, энергия торможения отдается в сеть и может быть
полезно использована. Такое торможение называется рекуперативным.
При динамическом торможении якорь двигателя отключают от сети и замыкают на
нагрузочное сопротивление. Машина начинает работать в режиме генератора
независимого возбуждения, используя запас кинетической энергии. В двигателях
последовательного и компаундного возбуждения при динамическом торможении
необходимо изменить направление тока в последовательной обмотке возбуждения, чтобы
сохранить направление создаваемого ею потока.
Торможение двигателей противовключением осуществляется переключением его обмоток
таким образом, чтобы вращающий момент действовал в сторону, обратную направлению
вращения. При этом машина работает в генераторном режиме, а ее э. д. с. имеет
направление, согласное с напряжением сети, и ток якоря
Для ограничения тока в цепь якоря вводят сопротивление.
ВОПРОСЫ
1. В чем состоит различие уравнений напряжения и моментов двигателя и генератора? Как направлены э. д.
с, ток и напряжение обмотки якоря в генераторном и двигательном режимах?
2. Почему во время пуска по мере разгона двигателя уменьшается ток якоря? Как зависит противо э. д. с. от
скорости вращения? Почему во время пуска делают наименьшим сопротивление регулировочного реостата
109
в цепи возбуждения? Почему во время пуска по мере разгона двигателя уменьшается величина вращающего
момента? Почему микродвигатели можно пускать без реостата?
3. Почему с ростом момента нагрузки уменьшается скорость вращения двигателя? Как влияет реакция
якоря на механические характеристики двигателя? Как влияет напряжение сети на скорость вращения
двигателя?
4. Почему ненагруженный двигатель с последовательной обмоткой возбуждения увеличивает скорость
вращения до недопустимых пределов?
Почему компаундные двигатели можно пускать без нагрузки, а двигатели последовательного возбуждения
нельзя? Почему у микродвигателей при обрыве параллельной обмотки возбуждения скорость вращения не
увеличивается до опасного значения?
5. Каким образом можно машину постоянного тока, работающую в двигательном режиме, перевести в
генераторный? Как для этого требуется изменить поток машины, напряжение сети, скорость вращения?
6. Меняется ли направление вращения якоря машины постоянного тока при переходах из генераторного
режима в двигательный при параллельном и при последовательном возбуждениях? Как можно изменить
скорость вращения двигателя?
110