Кузнецов М.И. Конспект лекций по электромеханике

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 197

3.Внешняя характеристика:

)(

JfU 

consti



, рис. 48,Рис.

%100





Рис.196

Напряжение падает с увеличением тока якоря за счет:

а) падения напряжения -

б) размагничивающего действия реакции якоря.

4. Регулировочная характеристика:

)(

aв

Jfi 

constU



constn 

4-5-3. Генератор параллельного возбуждения

Схема генератор параллельного возбуждения представлена на рис. 199.

Генератор параллельного возбуждения, рис. 50 – это генератор с самовозбуждением.

Обмотка возбуждения питается от якорной цепи. Для того, чтобы генератор возбудился,

необходимо выполнить ряд условий:

1. Наличие остаточного потока

ост

в железе полюсов.

2. Поток созданный обмоткой возбуждения

и остаточный поток

ост

должны

быть направлены в одну сторону



ост

Рис. 199

3. Сопротивление цепи возбуждения должно быть

%100





меньше критического, т. е.

крцв

RR 

Процесс самовозбуждения происходит при холостом ходе

)( 

Процесс самовозбуждения происходит в следующем порядке: при включении асинхронного

двигателя в сеть, якорь генератора начинает вращаться. Остаточный поток, пересекая проводники

якоря, наводит в них

ЭДС

. Под действием этой

ЭДС

по обмотке возбуждения начинает

протекать ток, который создает поток

. Если этот поток направлен согласно с остаточным

потоком, то общий поток возрастет, возрастает и наводимая

ЭДС

в якоре. А это приведет к

увеличению тока и потока и машина возбудится.

Процесс возбуждения будет лавинообразным.

Третьим условием самовозбуждения является:

крцв

RR 

, рис. 200.

101

Прямая

ОА

- вольтамперная характеристика цепи возбуждения.

цвв

RiU 

цв

цвв

tg 



. Процесс возбуждения будет происходить по ступенчатой кривой до точки

. Напряжение

LRiU

вцвв



. Чем больше динамическая составляющая

, тем быстрее

идет процесс возбуждения. Если увеличить сопротивление

цв

, то машина возбудится до

меньшего напряжения (точка

При дальнейшем увеличении

цв

вольтамперная характеристика будет касательной.

Сопротивление цепи возбуждения соответствующего касательной характеристике и есть

критическое сопротивление. Начиная от этого

сопротивления и дальше, машина не возбудится.

вкр

кр

R 

Характеристики генератора:

1. Характеристика холостого хода

)(

вa

ifE 

0

constn 

, рис. 202.

Рис. 201

Характеристика холостого хода имеет одностороннее возбуждение и имеет следующий вид,

рис.52.

2. Нагрузочная и регулировочная характеристики аналогичны генератору независимого

возбуждения.

3. Внешняя характеристика

)(

JfU 

constR

цв



constn 

, рис. 201.

Обычно эту характеристику сравнивают с характеристикой

генератора независимого возбуждения. Причины, которые

уменьшают напряжение генератора параллельного

возбуждения: 1. Падение напряжения в якорной цепи -

Рис. 202

2. размагничивающее действие реакции якоря.

3. с увеличением тока якоря уменьшается напряжение на зажимах якоря, а следовательно

уменьшается ток возбуждения и поток т. е.

цв

i 



Режим короткого замыкания у генератора очень опасен, ток короткого замыкания достигает

J)128( 

, рис 203..

102

Рис. 200

Рис. 220

4-5-4. Генератор последовательного возбуждения

Схема включения генератора последовательного возбуждения представлена на рис. 204.

Рис. 204

Рис. 205

Обмотка возбуждения у генератора включена последовательно с якорем, рис.55. Ток

возбуждения равен току якоря -

вa

JJ 

При независимом возбуждении можно снять характеристику холостого хода. В обычной схеме

можно снять только восходящую внешнюю характеристику, рис 205. Генератор последовательного

возбуждения не нашел практического применения.

4-5-5. Генератор смешанного возбуждения

Схема включения генераторасмешанного возбуждения представлена на рис. 206

Генератор смешанного возбуждения широко используется в промышленности. Обмотки

возбуждения по потоку могут быть включены согласно, либо встречно, рис 206.

1. Характеристика холостого хода

)(

вa

ifE 

0

constn 

При холостом ходе ток якоря равен нулю, поэтому

обмотка возбуждения

2OB

не создает потока.

Следовательно, характеристика холостого хода аналогична

генератору параллельного возбуждения.

2. Нагрузочная характеристика

)(

ifU 

constJ



Нагрузочная характеристика (3) для генератора

параллельного возбуждения.

Нагрузочная характеристика (2) для

генератора смешанного возбуждения при

согласном направлении потоков. Поэтому,

последовательная обмотка играет роль

компенсатора реакции якоря и характеристика

(2) проходит выше характеристики холостого

хода.

3. Внешняя характеристика

)(

JfU 

constR

цв



constn 

, рис.208.

У генератора смешанного возбуждения при различном соотношении и направлении потоков

можно получить характеристики различного вида.

Если потребители находятся вдали от генератора, то

обмотку возбуждения

2OB

по току выполняют значительной,

что дает повышенное напряжение с учетом падения напряжения

в сети (характеристика 1). Для нормального режима

используется характеристика 2.

Характеристика 3 – экскаваторная характеристика, которая

получена при встречном включении обмоток.

4. Регулировочная характеристика

)(

aв

Jfi 

constU



103

Рис. 219

Рис. 218

Рис. 217

( Рис. 209).

Регулировочные характеристики практически можно снять,

соответственно внешним характеристикам 1 и 2.

ЭДС

якоря

nФФCE

)(



. Электромагнитный момент

aм

JФФCM )(



4-5-6.Параллельная работа генераторов постоянного тока.

Генераторы на преобразовательных подстанциях обычно соединяются параллельно, чтобы

иметь необходимый резерв и при переменном графике нагрузки обеспечить работу агрегатов в

наивыгоднейших для них условиях.

Параллельная работа генераторов параллельного возбуждения.

А. включение генераторов на параллельную работу и перевод нагрузки с одного

генератора на другой.

Рис. 210

Схема включения генераторов на параллельную работу представлена на рис. 210.

Условие включения генератора Г2 на параллельную работу:

Допустим, что генератор Г1 возбужден и вращается от асинхронного двигателя. На

шинах установлено напряжение U. Условием параллельной работы якоря является:

1. напряжение генератора U

2. напряжение генераторов должны быть равны и направлены встречно.

Включение генератора Г2 на параллельную работу. Приводя генератор Г2 во

вращение, увеличивая возбуждение увеличиваем напряжение генератора Г2.

(При включенных ключах Р

,Р

) показания нулевого вольтметра должно уменьшаться. При

показании нулевого вольтметра U

=0, условие автоматически выполняется и ключ Р

можно

включить. Генератор Г2 подключен на параллельную работу.

Б. Перевод нагрузки с генератора Г1 на генератор Г2.

104

Рис. 216

с.

Г1

Г2

в1

1в

в2

Токи генераторов равны





(1);

aII





(2).

Перевод нагрузки обычно производится при постоянном напряжении U на шинах. Если мы

хотим отключить один из генераторов, например Г1, то мы должны уменьшить его

возбуждение и одновременно увеличивать возбуждение генератора Г2 до тех пор ( уравнения

(1),(2)), пока ток J

не станет равным нулю

(когда



Генератор Г1 можно отключить. У генератора Г2 с увеличением тока возбуждения будет

возрастать ЭДС

и тока J

В. Параллельная работа генераторов в режиме внешних характеристик.

Будем для простоты считать, что

мощности генераторов I, II равны (

Внешняя характеристика генератора

II более жесткая, поэтому этот

генератор будет

перегружаться, а генератор I будет

недогружен, рис. 211

Рис. 211

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения.

Схема включения генераторов смешанного возбуждения представлена на рис. 212

105

Рис. 212

Г1

Г2

в1

в2

U=f(I

)

U=f(I

)

U=f(I

)

Операция включения генератора II параллельно работающему генератору Г1 аналогична

включению генераторов с параллельным возбуждением.

В схеме генераторов смешанного возбуждения используется уравнительный провод (1-2 ). Без

него генераторы будут работать в колебательном режиме. Например, если у генератора I

изменится изначально ЭДС – увеличится ток последовательной обмотки, а это приведет к

увеличению ЭДС и т.д. т.е. генератор I возьмет всю нагрузку на себя, произойдет большой

механический толчок и ЭДС его резко упадет, тогда генератор II с большей ЭДС

лавинообразно возьмет нагрузку на себя. Таким образом, будет происходить колебательный

процесс.

Чтобы избежать автоколебаний между генераторами используют уравнительный провод,

который соединяет последовательные обмотки параллельно между собой.

Если почему то увеличивается ток в последовательной обмотке одного генератора, то в той же

мере он увеличится и в последовательной обмотке другого генератора. В соответствии с этим

одновременно увеличатся ЭДС и нагрузочные токи обоих генераторов и колебательный

процесс теперь происходить не будет. В этом случае параллельная работа генераторов

смешанного возбуждения становится вполне устойчивой.

4-6. Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко используются в различных

системах электропривода, где требуется широкий диапазон

регулирования частоты вращения. Двигатель постоянного тока

преобразовывает потребляемую электрическую энергию в

механическую на валу, хотя машина постоянного тока обратима.

Покажем принцип перевода генератора в режим двигателя, рис. 213.

Для генератора

aaa

RJUE 

, откуда ток генератора

Гa





С увеличением сопротивления

ток

уменьшается,

следовательно, уменьшится

ЭДС

и ток

. При дальнейшем увеличении

ЭДС

будет

равна напряжению U и ток генератора

будет равен нулю. Далее с увеличением

ток

уменьшится, а, следовательно, уменьшится и

ЭДС

. При этом



и ток из сети сменит

направление, и машина перейдет в двигательный режим. Уравнение равновесного состояния

ЭДС

для двигателя:

aaa

RJEU 

ЭДС

aaa

RJUE 

ФnCE



, тогда

aae

RJUФnC 

ФC

RJU





Получено уравнение скоростной характеристики двигателя постоянного тока. Уравнение

моментов для двигателя записывается:

MMM



. У двигателя электромагнитный момент-

движущий.

4-6-1. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Энергетическая диаграмма представлена на рис. 214.

UJP 

- электрическая потребляемая мощность

двигателем

aaa

JEP 

- электромагнитная мощность

- механическая мощность

вв

Uip 

- потери в обмотке возбуждения

вa

iJJ 

- общий ток из сети

aaщэл

RJpp



106

Рис. 213

эл

мг

мех

Рис. 214

Рис. 217

)(

1 щэлвa

pppPP 

 

aaввaaaввaaaa

RJUiUiUJRJUiiJUJEP



aaaaaa

RJUJJEP



- разделив уравнение на ток

, получим

aaa

RJUE 

, откуда

aaa

RJEU 

4-6-2. Пуск двигателей постоянного тока

Схема пуска представлена на рис. 215.

Уравнение равновесного состояния

ЭДС

двигателя

aaa

RJEU 

, откуда ток

равен:





При пуске двигателя

0n

,следовательно

0

пусковой ток

J 

может быть больше номинального в

108 

раз. Это может привести к круговому огню на

коллекторе и механической поломке двигателя. Поэтому, для ограничения пускового тока до

J)5,20,2( 

используют пусковые реостаты, либо пусковые станции и ток при этом равен

пa





По мере разгона якоря в нем наводится,

ЭДС

и ток

якоря уменьшается. Поэтому, после разгона якоря

пусковые сопротивления в цепи якоря выводятся. Схема

контактного пуска представлена на рис. 215

Временная диаграмма пуска двигателя представлена

на рис. 216.

Пуск по пусковым характеристикам представлен на

рис. 217

Для пуска двигателей небольшой мощности используют пусковые реостаты. Схема пускового

реостата представлена на рис. 218

При пуске движок реостата находится в положении (1), после пуска в положении (2).

4-6-3.

Реверсирование

двигателя

постоянного

тока

Электромагнитный момент

aм

ФJCM 

Если изменить направление тока в якоре, то сила

действующая на проводник с током изменит

направление, а, следовательно, изменится и

направление вращения рис. 65. К такому же

результату приведет изменение полюсов (изменение

направления тока обмотки возбуждения). Таким

образом, для реверсирования необходимо либо

изменить направление тока в якоре, либо изменить

направление тока в обмотке возбуждения (изменить полюса). Если на входе двигателя изменить +

107

Рис. 215

Рис. 216

Рис. 219

Рис. 218

на - , то поток

и ток якоря

изменят направление, а момент останется тем же как и

направление вращения.

4-6-4. Классификация двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируются в зависимости от способа соединения обмотки

возбуждения с якорем:

1. Двигатель параллельного возбуждения (если напряжение обмотки возбуждения иное, то

такой двигатель называется двигателем независимого возбуждения).

2. Двигатель последовательного возбуждения.

3. Двигатель смешанного возбуждения.

4-6-4-1. Двигатели параллельного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя

параллельного возбуждения представлена на рис. 220. Для

пуска используется пусковой реостат (п. р.). Свойства

двигателя определяются его характеристиками.

1.Скоростная характеристика, зависимость

)(

Jfn 

consti



ФC

RJU





Скоростная характеристика при

0

называется

естественной, рис. 221. Если

0

, то характеристика

называется реостатной. Так как сопротивление якоря

как правило мало, то с увеличением тока якоря падение

напряжения в якорной цепи мало и скорость уменьшается

незначительно. Поэтому, естественная характеристика двигателя получается жесткой.

2.Моментная характеристика, зависимость

)(

JfM 

consti



. На рис. 221. Представлена

моментная характеристика, где

MMM



3.Механическая характеристика, зависимость

скорости

от момента,

)(Mfn 

ФC

RRJ

ФC

RRJU

paa

)()( 







определим ток якоря

через момент,

ам

ФJCM 

, откуда

ФC



, это выражение подставим в

исходное уравнение, получим механическую

характеристику:

)(

ФCC

RRM

ФC

мe





nnn 

Механические характеристики при разных

сопротивлениях

представлены на рис. 222, где

12 pp

RR 

, т. е. механическая характеристика при

0

также жесткая. Это определяет область

использования этих двигателей (трансмиссии, вентиляторы, системы ГД для привода станков).

108

Рис. 220

Рис. 221

Рис.

Рис. 222

Условия устойчивой работы агрегата, рис. 223.

Основное уравнение движения электропривода

динc

MMM 

Установившийся процесс, когда

MM 

0

дин

уст

nn 

Если

MM 

0

дин

n

Если

MM 

0

дин

n

условием устойчивой работы агрегата является:



, точка

будет соответствовать устойчивой

работе агрегата, рис. 69

4. Рабочие характеристики, это зависимость

)(,,,,

PfMnJP





, рис. 69.

Рабочие характеристики двигателя – это зависимость

потребляемой мощности

, тока

, кпд, скорости и момента от мощности на валу.

4-6-4-2. Двигатели последовательного возбуждения

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно

с якорем, рис. 225. Ток якоря равен току возбуждения. Поэтому

обмотка возбуждения имеет большое сечение и малое число

витков. Последовательное соединение обмотки возбуждения

является отличительной особенностью этого двигателя и

влияет на вид характеристик. С увеличением тока якоря,

увеличивается поток, скорость двигателя резко падает, т. е.

получается мягкая скоростная характеристика, рис. 226.

1.Скоростная характеристика

)(

Jfn 

ФC

RJU





. В общем виде, за счет насыщения,

не имеет решения. Аналитическое выражение

скоростной характеристики можно получить

только для ненасыщенной машины, когда

JФ 

рис. 226.

Момент

ам

ФJCM 

, при

JФ 

aм

JCM





т. е. если ток нагрузки возрастает в 2 раза, то

момент в 4 раза. Это условие и определяет

область применения этих двигателей, т. е.

используются там, где при пуске нужен большой

пусковой момент (тяговый привод). Скоростная

характеристика при

JФ 

, запишется:

aee

ФC

RJU













2. Моментная характеристика,

)(

JfM 

ам

ФJCM 

, при

JФ 

aм

JCM





, рис. 226.

3. Механическая характеристика,

)(Mfn 

. Аналитическое выражение характеристики может

быть записано при условии

JФ 

109

рис. 45

Рис.

Рис. 225

Рис.226

Рис. 226

Рис. 223

224









aм

JCM





MCJ

мa





, если подставить ток

в исходное уравнение, получим:

мe

MCC

















, где

мe







Общий вид механических характеристик представлен на рис. 27.

Двигатель последовательного возбуждения пойдет на разнос при

работе его в холостую. Это может привести к механическим поломкам двигателя. Поэтому,

минимальный ток двигателя должен быть не менее

J2,0

4-6-3-3. Двигатель смешанного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя представлена на рис. 228. В зависимости от того,

какая из обмоток преобладает по потоку, двигатели подразделяются на две разновидности:

1)Двигатель параллельного возбуждения с добавочной,

последовательной обмоткой. Характеристики такого

двигателя приближаются к двигателю параллельного

возбуждения, рис. 75. Характеристика (1), естественная.

Характеристика (2) соответствует встречному включению

потоков



ФФ

, при согласном включении,



ФФ

получаем характеристику (3).

2)Двигатель последовательного возбуждения с

добавочной параллельной обмоткой. Характеристики такого

двигателя приближаются к характеристикам двигателя

последовательного возбуждения. Характеристика 4 -

характеристика двигателя последовательного возбуждения,

характеристика 5 - характеристика двигателя смешанного

возбуждения, при этом, обмотки включаются только

согласно. Такая характеристика имеет скорость идеального холостого хода и двигатель не пойдет в

разнос при холостом ходе. У такого двигателя частота вращения и момент зависят от двух потоков.

)(

ФФC

RJU







aм

JФФCM )(



При согласном включении обмоток, при том же токе якоря,

можно получить повышенный момент. Такой двигатель

используется для тяговых установок и там, где имеются резкие

изменения нагрузки.

4-6-4. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

С точки зрения регулирования частоты вращения, двигатель постоянного тока является

универсальным. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря,

потока и подводимого напряжения. Это видно из формулы:

ФC

RRJU

paa

)( 



110

Рис. 227

Рис. 228

Рис. 229