Файл: Электрический привод.pdf

43

44
Из уравнения (2.6) аналогичными преобразованиями можно получить уравнение скоростной характеристики в относительных единицах
υ
ρ
ν =
−
ϕι ϕ
. (2.29) где
/
s
I I
ι =
– ток якоря, отнесённый к пусковому значению.
Уравнения (2.28) и (2.29)содержат те же коэффициенты управления, что и уравнения (2.13) и (2.15), т.е. в двигателе с последовательным возбуждением можно использовать те же способы регулирования, которые применялись для двигателя независимого возбуждения. Однако это утверждение справедливо с большими оговорками, т.к. изменение сопротивления шунта приводит к изме- нению магнитного потока не только за счёт перераспределения тока между шунтом и обмоткой возбуждения, но также за счёт изменения полного тока в цепи якоря, вызванного изменением суммарного сопротивления. Аналогично, изменение добавочного сопротивления приведёт не только к изменению полно- го сопротивления цепи, но и к изменению магнитного потока. Таким образом, коэффициенты
ϕ и ρ в уравнениях (2.28) и (2.29) можно считать независимы- ми только при вариации в небольших пределах и при условии, что сопротивле- ния обмотки возбуждения и шунта пренебрежимо малы по сравнению с сопро- тивлениями других элементов. Тем не менее, эти уравнения позволяют провес- ти качественный анализ возможностей управления двигателем последователь- ного возбуждения.
Из уравнения (2.28) следует, что при снижении нагрузки (
0
μ → ) скорость вращения двигателя стремится к бесконечности. Это связано с уменьшением магнитного потока при снижении момента на валу и связанного с ним тока [см.
(2.22)]. При малой нагрузке скорость вращения становится недопустимо боль- шой, поэтому в приводе с двигателями последовательного возбуждения должна быть исключена возможность отсоединения двигателя от исполнительного ме- ханизма. Например, в них нельзя использовать ременную передачу. Обычно минимально допустимая нагрузка таких двигателей должна составлять
20
…25% от номинальной мощности.
Так как у двигателей последовательного возбуждения электромагнитный момент
2
M
I
∼
, а у двигателей незвисимого возбуждения M
I
∼ , то при одина- ковых токах двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший момент. Это свойство особенно важно, если учесть, что для коллек- торных двигателей ток по условию обеспечения нормальной коммутации дол- жен ограничиваться до 1,5
…2 номинальных значений.
Кроме того, скорость вращения двигателей независимого возбуждения под нагрузкой изменяется незначительно, т.е. const
Ω ≈
, а у двигателей последова- тельного возбуждения
/
U
M
Ω
∼
. Поэтому мощность на валу у двигателей не- зависимого возбуждения линейно зависит от момента нагрузки P
M
M
= Ω
∼
, в то время как у двигателей последовательного возбуждения эта зависимость

45
существенно слабее –
P
M
M
= Ω
∼
. Таким образом, при изменении момента нагрузки в широких пределах потребляемая двигателем последовательного возбуждения мощность изменяется значительно меньше, чем у двигателя неза- висимого возбуждения.
Высокая перегрузочная способность в широком диапазоне изменений на- грузочного момента является причиной широкого распространения двигателей последовательного возбуждения в приводах электротранспорта и подъёмно- транспортных механизмах. Однако в последнее время в связи с развитием си- ловой электроники и появлением мощных надёжных и эффективных преобра- зователей частоты эти двигатели постепенно вытесняются из традиционных областей применения двигателями переменного тока, в частности асинхронны- ми двигателями.
Характерной особенностью двигателей последовательного возбуждения является принципиальная невозможность перехода в режим генератора при по- вышении скорости вращения. Графически это выражается в отсутствии точки пересечения механической и скоростной характеристик с осью ординат (рис.
2.9). Физически это объясняется тем, что для перехода в генераторный режим при заданном направлении вращения ток якоря должен изменить своё направ- ление, а направление ЭДС и магнитного поля при этом должны оставаться не-
Рис. 2.9.

46
изменными. Но при последовательном соединении якоря и обмотки возбужде- ния это невозможно, поэтому для перевода двигателя последовательного воз- буждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбу- ждения.
Механические характеристики при регулировании скорости изменением напряжения питания, магнитного потока и включением добавочного сопротив- ления показаны на рис. 2.9 а, б и в.
Регулирование изменением напряжения можно производить плавно с по- мощью полупроводникового преобразователя или дискретно переключением отводов трансформатора источника питания. В транспортных многодвигатель- ных приводах существует также возможность переключения двигателей с па- раллельного подключения к сети на последовательное.
При любом способе реализации напряжение понижается по отношению к номинальному, и скорость вращения уменьшается в соответствии с выражени- ем
1
υ
ν =
−
μ
, (2.30) полученным из (2.28) при условии 1;
1
ϕ = ρ = .
Все характеристики имеют асимптотами ось ординат и значение 1
− и не пересекаются между собой (рис. 2.9, а). Это легко доказать, составив уравнения
(2.30) для двух произвольных значений напряжения
1 2
υ ≠ υ , и проверить усло- вие равенства скоростей при одинаковых моментах
1 2
1 2
1 1
υ
υ
ν = ν ⇒
− =
−
μ
μ
, которое выполняется только при
1 2
υ = υ , что противоречит исходным данным.
Пусковой момент сильно зависит от напряжения питания
2
s
μ = υ .
Регулирование ослаблением магнитного поля проще всего реализуется шунтированием обмотки возбуждения (рис. 2.8). Уравнение механической ха- рактеристики для этого способа получим из (2.28), полагая 1;
1
υ = ρ =
1 1
ν =
−
ϕ
ϕ μ
. (2.31)
В двигателях последовательного возбуждения, также как в двигателях не- зависимого возбуждения, ослабление магнитного потока вызывает увеличение скорости вращения при малой нагрузке и уменьшение при большой. Графиче- ски это выражается в наличии точек пересечения характеристик, построенных при различных величинах магнитного потока. При малых моментах нагрузки характеристика при слабом потоке проходит выше, а при больших моментах ниже характеристики при сильном потоке (рис. 2.9, б). Границу этих областей или точку пересечения характеристик можно определить из равенства

47 1
2 1
2 1
2 1
1 1
1
ν = ν ⇒
−
=
−
ϕ
ϕ
ϕ μ
ϕ μ
Отсюда
1 2
2 2
1 1
2 2
2 1
0 4
ϕ →ϕ
⎛
⎞
ϕ ϕ − ϕ ϕ
ϕ
μ =
> ⎯⎯⎯→
⎜
⎟
⎜
⎟
ϕ − ϕ
⎝
⎠
Область повышения скорости вращения при ослаблении поля показана на рис. 2.9, б в увеличенном масштабе. Она соответствует относительным нагру- зочным моментам 0,1
μ <
и скоростям вращения
2
ν > . Это связано с тем, что базовым значением для момента является номинальный пусковой момент, мно- гократно превосходящий номинальную нагрузку, а базовым значением для ско- рости – скорость, соответствующая магнитному потоку при пусковом токе в обмотке возбуждения, которая во много раз меньше номинальной скорости.
Вертикальной асимптотой всех механических характеристик является ось ординат, а горизонтальной – величина обратная относительному магнитному потоку 1/
− ϕ .
Пусковой момент при ослаблении потока линейно зависит от коэффициен- та управления
s
μ = ϕ
Включение добавочного сопротивления в цепь якоря позволяет понизить скорость вращения в соответствии с уравнением
1
ν =
− ρ
μ
. (2.32)
Характеристики, соответствующие (2.32) показаны на рис. 2.9, в. Они не пересекаются при
1 2
ρ ≠ ρ
Таблица 2.2
Таблица параметров механических и регулировочных характеристик двигателей последовательного возбуждения
( )
ν μ
( )
ν κ
[
, ,
κ = υ ϕ ρ
]
κ
ν
0
ν
s
μ
/
∂ν ∂μ
s
κ
(1)
ν
/
∂ν ∂κ
0 1
< υ ≤
1
υ
−
μ
2
υ
3 2
υ
−
μ
μ
1
μ
0 1
< ϕ ≤
1 1
−
ϕ
ϕ μ
ϕ
( )
3 2
ϕ
−
ϕμ
μ
( )
2 3
1 2
μ
−
ϕ
ϕμ
1
≤ ρ < ∞
1 −ρ
μ
∝
2 1
ρ
3 1
2
−
μ
1
μ
1 1
−
μ
−1

48 1
2 1
2 1
1
ν = ν ⇒
− ρ =
− ρ
μ
μ
, т.к. это возможно, только если
1 2
ρ = ρ
. Следовательно, характер влияния доба- вочного сопротивления одинаков во всех режимах работы двигателя.
Включение добавочного сопротивления сильно влияет на пусковой момент двигателя
2 1/
s
μ = ρ
Этот способ крайне неэкономичен, т.к. возникают большие потери в рео- стате, но для формирования переходных режимов в приводе простейшими средствами он может и используется на практике.
На рис. 2.9,
г показаны электромеханические (скоростные) характеристики, соответствующие включению различных добавочных сопротивлений. Они по- строены по уравнению (2.29) при номинальном напряжении питания (
1
υ = ) и номинальном магнитном потоке (
1
ϕ = ).
1
ν = − ρ
ι
. (2.33)
Характер кривых ( , )
f
ν =
ι ρ такой же, как ( , )
f
ν =
μ ρ , но крутизна скоро- стных характеристик
2
/
1/
∂ν ∂ι = − ι в области номинальных токов существенно больше крутизны механических характеристик
( )
3
/
1 2
∂ν ∂μ = −
μ .
Пусковой ток при реостатном регулировании значительно меньше зависит от величины добавочного сопротивления (
1/
s
ι = ρ ), чем пусковой момент.
Недостатки двигателей последовательного возбуждения, связанные с ос- лаблением поля при малых нагрузках устраняются разделением обмотки воз- буждения на две части, одна из которых включается в цепь якоря последова- тельно, а другая параллельно (рис. 2.10,
а
). В зависимости от числа витков об- моток возбуждения и протекающих по ним токов МДС последовательной и па- раллельной обмоток могут быть различ- ными. Кроме того, они могут включаться согласно или встречно. Обычно машины проектируются так, чтобы преобладала
МДС параллельной обмотки при соглас- ном включении последовательной.
Механические характеристики двига- телей смешанного возбуждения (рис. 2.10,
б
,
1
) мягче, чем двигателей независимого возбуждения (рис. 2.10,
б
,
2
), но жёстче, чем двигателей последовательного возбуждения (рис. 2.10,
б
,
3
). Ско- рость холостого хода двигателей смешанного возбуждения конечна, что ис- ключает аварийные режимы при малых нагрузках.
Изменением соотношения МДС параллельной и последовательной обмо- ток можно получить практически любую механическую характеристику. Дви-
Рис. 2.10.

49
гатели смешанного возбуждения применяют в приводах, где требуется большой пусковой момент и допустимы значительные изменения скорости при колеба- ниях нагрузки в широких пределах. Эти условия характерны для приводов ком- прессоров, прокатных станов, печатных машин, электротранспорта и др.
2.2.3. Тормозные режимы двигателей постоянного тока
Тормозные режимы работы предназначены для:
ƒ
поддержания постоянной скорости движения или неподвижного со- стояния механизма, подверженного действию активных (потенци- альных) моментов или усилий (спуск груза, движение под уклон);
ƒ
снижения скорости движения или остановки.
Для приводов, работающих с частыми пусками, процессы торможения от- ветственнее и сложнее разгонов.
Отказ или нарушение работы пускового устройства могут привести только к простою оборудования или порче продукции, тогда как нечеткая работа в тор- мозном режиме или отказ оборудования при торможении часто становятся при- чиной серьёзных аварий, сопровождающихся разрушением механизмов и/или травмами людей. Поэтому тормозным режимам и устройствам уделяется по- вышенное внимание при разработке приводов и в практике их эксплуатации.
У всех двигателей существует три режима торможения:
1)
с отдачей энергии в питающую сеть (рекуперативное торможение);
2)
противовключение;
3)
электродинамическое.
Во всех тормозных режимах машина работает в режиме генератора, и их отличие состоит лишь в том, как направлена ЭДС якоря по отношению к на- пряжению питающей сети.
2.2.3.1. Рекуперативное торможение
Рекуперативное торможение возникает, когда машина вращается со скоро- стью, превышающей скорость холостого хода. Участки механических и скоро- стных характеристик, соответствующие этому режиму находятся во втором и четвёртом квадрантах.
В режиме рекуперативного торможения электрическая энергия вырабаты- ваемая машиной отдаётся источнику питания. При этом источник ЭДС якоря включён параллельно источнику ЭДС сети (рис. 2.11,
а
), поэтому этот режим называется также режимом генератора, работающего параллельно с сетью.
При переходе в режим рекуперативного торможения направление тока якоря меняется на противоположное. Из уравнения Кирхгофа ток якоря в этом режиме равен
0
a
a
a
a
U E
U c
I
r
r
−
− Φω
=
=
< . (2.34)
Из уравнения (2.34) следует, что изменить направление (знак) тока можно двумя способами: