Синхронные машины. Машины постоянного тока

2.11 Пуск в ход электродвигателей постоянного тока

Для пуска двигателей постоянного тока могут быть применены три способа:

1) прямой пуск, при котором обмотка якоря подключена непосредственно к сети;

2) реостатный пуск с помощью пускового реостата, включаемого в цепь якоря для ограничения тока при пуске;

3) пуск путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения Iном∑r во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5–10% от Uном, поэтому при прямом пуске ток якоря Iп = Uном/∑r = (10 ÷ 20) Iном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. По этой причине прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ∑r относительно велико, и лишь в отдельных случаях–для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей Iп = (4 ÷ 6) Iном.

Переходный процесс изменения частоты вращения n и тока якоря ia в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Тм. Для установления характера изменения n и ia при пуске двигателя с параллельным возбуждением будем исходить из уравнений:

;                                                    (2.82а)

,                           (2.82б)

где J – момент инерции вращающихся масс электродвигателя и сочлененного с ним производственного механизма; Мн–тормозной момент, создаваемый нагрузкой.

Из (2.82б) определяем ток якоря

.                                           (2.83)

Подставляя его значение в (2.82а), получаем

                               (2.84а)

,                                       (2.84б)

или

U где  – частота вращения при идеальном холостом ходе;

 уменьшение частоты вращения при переходе

от холостого хода к нагрузке; nн = n0 – Δnн–установившаяся частота вращения при нагрузке двигателя;  – электромеханическая постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса.

При этом Iн = Мн/(смФ) – установившийся ток якоря после окончания процесса пуска, определяемый нагрузочным моментом Мн.

Решая уравнение (2.84б), получаем

.                                            (2.85а)

Постоянную интегрирования А находим из начальных условий: при t = 0; n = 0 и А = – nн. В результате имеем

.                                           (2.85б)

Рис. 2.65 – Переходный процесс изменения частоты вращения и тока якоря при прямом пуске двигателя постоянного тока

Зависимость тока якоря от времени при пуске двигателя определяется из (2.83). Подставляя в него значение

,                                           (2.85в)

полученное из (2.846) и (2.856), и заменяя nн = n0 – Δn, имеем

.                                 (2.86а)

Учитывая значение Δnн, n0, Тм и Мн/смФ, получим

,                                         (2.86б)

где Iнач = U/∑r – начальный пусковой ток.

На рис. 2.65 приведены зависимости изменения тока якоря и частоты вращения (в относительных единицах) при прямом пуске двигателя с параллельным возбуждением. Время переходного процесса при пуске принимается равным (3–4) Тм. За это время частота вращения n достигает (0,95 – 0,98) от установившегося значения nн, а ток якоря Iа также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее распространение. В начальный момент пуска при n = 0 ток Iп = U/(∑r + rп). Максимальное сопротивление пускового реостата rп подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощностей ток якоря при пуске Iп = (1,4 ÷ 1,8) Iном, а для машин малой мощности Iп = (2 ÷ 2,5) Iном. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 2.66, а), соответствующей максимальному значению сопротивления rп пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мп.макс.

Рис. 2.66 – Изменение частоты вращения и момента при реостатном пуске двигателей с параллельным и последовательным возбуждением

Регулировочный реостат rр.в в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения Iв и поток Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения растет э. д. с. Е и уменьшается ток якоря Ia=(U – E)/(∑r +rп). При достижении некоторого значения Мп.мин часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Мп.макс. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до достижения Mп.мин. Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6,5,4,3 и 2 (см. жирные линии на рис. 2.66, а) до выхода на естественную характеристику 1. Средний вращающий момент при пуске Мп.ср = 0,5 (Мп.макс +Мп.мин) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же образом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис. 2.66, б). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности Mп.макс – Мп.мин).

Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.

На рис. 2.67 показаны зависимости тока якоря ia, электромагнитного момента М, момента нагрузки Мн и частоты вращения n при реостатном пуске двигателя (упрощенные диаграммы).

Рис. 2.67 – Переходный процесс изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя постоянного тока

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря ia достигает некоторого максимального значения, а затем уменьшается согласно уравнению (2.85б) до минимального значения. При этом электромеханическая постоянная времени и начальный ток будут иметь различные для каждой ступени пускового реостата значения:

;

В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Частота вращения n изменяется согласно уравнению

,                                         (2.86в)

где nнач–начальная частота вращения при работе на соответствующей ступени пускового реостата.

Заштрихованная на рис. 2.67 область соответствует значениям динамического момента Мдин = М – Мн, обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществлять путем плавного повышения напряжения, подаваемого на его обмотку. Но для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.

2.12 Принципы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока определяется формулой

.                                    (2.87)

Следовательно, ее можно регулировать тремя методами:

1) включением добавочного резистора или реостата rдоб в цепь обмотки якоря;

2) изменением магнитного потока Ф;

3) изменением питающего напряжения U.

На примере двигателя с параллельным возбуждением рассмотрим принципиальные особенности, свойственные этим методам 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:

.          (2.88)

Это наглядно показано на рис. 2.68, где приведены характеристики двигателя с параллельным возбуждением: 1 – естественная (при rдо6 = 0); 2-реостатная (при rдоб > 0) Частоты вращения n0 при холостом ходе для обеих характеристик равны, в то время как значения уменьшения частоты вращения Δn при нагрузке различны. При одном и том же токе якоря

.

Чем больше добавочное сопротивление rдоб, тем круче е увеличением нагрузки падает частота вращения.

Рис. 2.68 – Скоростные характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь якоря

Механические характеристики п = f (M) двигателя с параллельным возбуждением могут быть получены из скоростных характеристик n = f(Ia) изменением масштаба по оси абсцисс, так как для двигателя этого типа

,

т.е. момент пропорционален току якоря.

Основным недостатком данного метода регулирования является возникновение больших потерь энергии в реостате, особенно при низких частотах вращения. Последнее видно из соотношения

,                           (2.89)

где ΔР – потери в цепи якоря; Р1 – мощность, подведенная к якорю.

Решая уравнение (2.89) относительно ΔР, получим

,                                             (2.90)

т.е. потери линейно возрастают с уменьшением частоты вращения якоря.

Очевидно, что данный метод позволяет только уменьшать частоту вращения по сравнению с частотой при естественной характеристике. Иногда существенным является то обстоятельство, что при включении в цепь якоря значительного сопротивления характеристики двигателя становятся крутопадающими («мягкими»), вследствие чего небольшие изменения нагрузочного момента приводят к большим изменениям частоты вращения.

Изменение магнитного потока двигателя. Чтобы изменить магнитный поток, необходимо регулировать ток возбуждения двигателя. При различных магнитных потоках Ф1 и Ф2 частоты вращения будут определяться формулами:

                         (2.91)

Рис. 2.69 – Скоростная и механическая характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

В двигателе с параллельным возбуждением, например, частота вращения при холостом ходе и уменьшение ее при нагрузке изменяются обратно пропорционально изменению магнитного потока:

.                                     (2.92)

Таким образом, скоростные характеристики двигателя при различных магнитных потоках не являются параллельными (рис. 2.69, а). Эти характеристики пересекаются при частоте вращения, равной нулю, так как в данном случае Е =сеФn = 0 и ток не зависит от величины потока:

;                                                 (2.93)

он определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря. Величину тока Iак при n = 0 называют током короткого замыкания.

Механические характеристики для двигателя с параллельным возбуждением строятся на основании следующих соображений. Каждая из механических характеристик является практически линейной (если пренебречь реакцией якоря) и может быть построена по двум точкам: точке холостого хода, в которой момент равен нулю, и точке короткого замыкания, в которой момент максимален.

Сравнивая моменты в режиме короткого замыкания при различных значениях магнитного потока, получим

.                            (2.94)

Таким образом, при уменьшении магнитного потока частота вращения холостого хода возрастает, а момент при коротком замыкании снижается. Следовательно, механические характеристики, построенные при различных величинах магнитного потока, пересекаются при частоте вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но большей нуля (рис. 2.69, б). Рассматривая механические характеристики, можно сделать вывод, что при величинах нагрузочного момента, существенно меньших Мкр, снижение потока ведет к увеличению частоты вращения.

Рис. 2.70 – Механические характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением большой и средней мощностей:

1-при нормальном возбуждении, 2 – при уменьшении магнитною потока

Это является характерным для двигателей средней и большой мощностей (рис. 2.70, а), где в рабочем диапазоне изменения токов имеют место небольшие падения напряжения в якоре (для получения высокого к. п. д.).

В микромашинах уменьшение потока, т.е. тока возбуждения, обычно применяют для снижения частоты вращения.

Рис. 2.71 – Включение регулировочного реостата в двигателе с последовательным возбуждением

Аналогично располагаются скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением; поэтому в двигателях большой и средней мощностей при уменьшении магнитного потока частота вращения возрастает (рис. 2.70, б). Уменьшение магнитного потока в этом двигателе осуществляется обычно путем включения регулировочного реостата rp.в параллельно обмотке возбуждения (рис. 2.71), вследствие чего ток возбуждения

,                                    (2.95)

где rр.в-сопротивление регулировочного реостата, включенного параллельно обмотке возбуждения; kp.в = Iв/Ia – коэффициент регулирования возбуждения.

Рис. 2.72 – Скоростные и механические характеристики двигателей

с параллельным (независимым) (а) и последовательным (б) возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря

Рассмотренный метод регулирования весьма прост и экономичен, поэтому его широко применяют на практике. Однако регулирование частоты вращения этим методом можно осуществить только в сравнительно небольшом диапазоне; обычно nмакс/nмин = 2 ÷ З. Нижний предел nмин ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток. Верхний предел nмакс определяется условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет в «разнос»), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается искажающее действие реакции якоря и растет реактивная э.д.с, что повышает опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня. По этой причине двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослабления возбуждения, должны иметь компенсационную обмотку и пониженную величину реактивной э. д. с. при номинальном режиме.

Изменение напряжения на зажимах якоря. При различных напряжениях на зажимах якоря U1 и U2 частоты вращения будут соответственно определяться формулами:

;

.

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения холостого хода изменяется пропорционально изменению напряжения:

,                                                    (2.96)

а падение частоты вращения при одинаковой нагрузке остается неизменным:

.                                                    (2.97)

В связи с этим скоростные характеристики n = f(Ia) двигателя с параллельным возбуждением представляют собой семейство параллельных прямых 1, 2 и 3 (рис. 2.72, а).

Механические характеристики n = f(M) получаются из скоростных простым изменением масштаба по оси абсцисс, так как момент пропорционален току якоря.

Скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением в основном строятся аналогично (рис. 2.72, б).

Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения напряжения на зажимах якоря обычно ведут «вниз», т.е. уменьшают напряжение и частоту вращения по сравнению с номинальными.

2.13 Работа электродвигателей постоянного тока в тормозных режимах

Электрические двигатели, как правило, используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Торможение необходимо в том случае, если нужно быстро остановить механизм или быстро уменьшить его частоту вращения. Применение механических тормозов для этих целей затруднительно из-за нестабильности их характеристик, малого быстродействия и трудностей автоматизации.

Различают три вида тормозных режимов двигателей постоянного тока:

1) генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть (рекуперативное торможение);

2) генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря (реостатное, или динамическое, торможение);

3) электромагнитное торможение (торможение противоключением).

Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном n, т.е. является тормозным. Рассмотрим более подробно эти режимы.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его частоты вращения n свыше частоты вращения n0 = U/сеФ. В этом случае э. д. с. машины становится больше напряжения сети и ток меняет свое направление:

,                                            (2.98)

т.е. двигатель переходит в генераторный режим, создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

Переход машины с параллельным возбуждением из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться с частотой, большей частоты вращения холостого хода: n > n0. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, уменьшив частоту вращения n0 за счет увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. Механические характеристики в генераторном режиме являются продолжением механических характеристик, имеющих место в двигательном режиме, в область отрицательных моментов (рис. 2.73).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут автоматически переходить в режим рекуперативного торможения. В случае необходимости иметь рекуперативное торможение 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, трамваях и т.п., где имеются частые остановки, а двигатель должен обладать «мягкой» механической характеристикой.

Рис. 2.73 – Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в двигательном и генераторном режимах

Рис. 2.74 – Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения; механические характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением в этом режиме

Динамическое торможение. При динамическом (реостатном) торможении двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и к ней присоединяют реостат rдоб (рис. 2.74, а). При этом машина работает генератором и создает тормозной момент. Однако выработанная электрическая энергия гасится в реостате. Регулирование тока якоря Iа = Е/(∑r + rдоб) и тормозного момента М при этом способе торможения осуществляется путем изменения сопротивления rдоб, подключенного к обмотке якоря (рис. 2.74, б), или э.д.с. Е (воздействуя на ток возбуждения). При n = 0 тормозной момент равен нулю, следовательно, машина не может быть заторможена в неподвижном состоянии.

Рис. 2.75 – Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме электромагнитного торможения (а); механические характеристики двигателей с параллельным (б) и последовательным (в) возбуждением в этом режиме

Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения, но при переводе его в этот режим нужно переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения. Последнее необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре (при переходе с двигательного режима в генераторный) направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным и создаваемая этой обмоткой м.д.с. Fв совпадала по направлению с м. д. с. Fост от остаточного магнетизма. В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются. Механические характеристики для этого двигателя в тормозных режимах (рис. 2.74, в) нелинейны. Двигатель со смешанным возбуждением также может работать в режиме динамического торможения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18