Файл: Глава 6.doc

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току якоря и потоку возбуждения

. (6.3)

Из уравнений (6.1) и (6.2) легко получить зависимость скорости от тока якоря , которая называется электромеханической характеристикой двигателя

. (6.4)

Подставляя в (6.4) значения тока якоря из (6.3), получим уравнение механической характеристики двигателя

. (6.5)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным потоком возбуждения, то величину кФ считают постоянной

. (6.6)

Тогда уравнения (6.2), (6.4) и (6.5) будут иметь вид:

(6.7)

(6.8)

(6.9)

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изменяется ток якоря, поток двигателя вследствие размагничивающего влияния реакции якоря не остается постоянным. Для устранения влияния тока в цепи якоря на поток возбуждения на крупных машинах используют компенсационную обмотку, которая включается последовательно с обмоткой якоря и располагается на полюсах машины, усиливая поток возбуждения. Однако и для некомпенсированных машин в инженерных расчетах обычно пренебрегают размагничивающим действием реакции якоря, возлагая обеспечение линейности механической характеристики двигателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с возбуждением от постоянных магнитов реакция якоря практически не проявляется. Для более точного учета влияния реакции якоря на механические характеристики рекомендуем обратиться к [1-3].

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения показана на рис.6.2.

Жесткость естественной механической характеристики β для рассматриваемых двигателей обычно высока и равна

. (6.10)

---

Заметим, что в уравнениях (6.4), (6.5), (6.8), (6.9) членыиравны скорости холостого хода двигателяω₀. С учетом (6.10) получим удобное выражение для механической характеристики при постоянном потоке возбуждения

. (6.11)

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения может производиться тремя способами:

1. Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

2. Изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двигателя, при постоянном потоке возбуждения.

3. Изменением тока возбуждения, т.е. изменением магнитного потока двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорость холостого ходаω₀ остается неизменной, а изменяется наклон механических харак-теристик, т.е. умень-шается их жесткость (см.рис.6.3). Данный способ регулирова-ния скорости в настоящее время не используется, поско-льку введение доба-вочного сопротивле-ния сопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении.

Основным способом регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение скорости при этом произво-дится вниз от основной (но-минальной) ско-рости, опреде-ляемой естест-венной харак-теристикой (рис.6.4). Повы-шение напря-жения питания выше номина-льного, как пра-вило, не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллекторе.

При уменьшении напряжения якоря уменьшается скорость холостого хода ω₀, а жесткость механических характеристик остается постоянной. Плавность регулирования, отсутствие дополнительных потерь энергии при регулировании и высокая жесткость механических характеристик составляют основные достоинства этого способа регулирования скорости.

Регулирование скорости выше основной производится уменьшением тока (потока) возбуждения (см.рис.6.5). При уменьшении магнитного потока Ф согласно (6.5) происходит увеличение скорости холостого хода ω₀ и одновременно снижается жесткость механических характеристик двигателя (см.рис.6.5а).

---

Увеличение тока возбуждения выше номинального нецелесообразно, так как вследствие насыщения магнитной цепи машины существенного возрастания магнитного потока не произойдет, а тепловой режим двигателя нарушится. Электромеханические характеристики двигателя при ослаблении поля будут иметь вид, показанный на рис.6.5б. Эти характеристики, как следует из (6.4), на оси абсцисс сходятся в одной точке, соответствующей току короткого замыкания. Заметим, что масштаб по оси абсцисс на рис.6.5а и 6.5б различен.

При анализе механических характеристик при ослаблении поля следует иметь в виду, что при работе с постоянным статическим моментом ток якоря по мере ослабления потока увеличивается. Так, если статический момент на валу двигателя будет равен номинальному, то при номинальном напряжении якоря U_ян двигатель будет работать в т.1 (см.рис.6.5а). Если, например, ослабить поток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода двигателя ω₀₂ увеличивается в 2 раза. Если момент двигателя сохранится постоянным и равным номинальному, то двигатель будет работать в т.4. Однако, как это следует из (6.3) ток якоря при этом увеличится в 2 раза. Поэтому длительная работа двигателя в т.4 недопустима. Из этого примера следует, что одновременно с повышением скорости необходимо снижать длительно допустимый по условия нагрева (номинальный) момент. Линия номинального момента при ослаблении поля отображается кривой 1-2-3. Аналогично при ослаблении поля уменьшается допустимый максимальный момент, определяемый по условиям коммутации на коллекторе. Поскольку при ослаблении поля скорость увеличивается примерно пропорционально степени ослабления поля , а длительно допустимый момент уменьшается пропорционально отношению, то мощность двигателяостается примерно постоянной. Поэтому регулирование ослаблением поля называют регулированием с постоянной мощностью в отличие от регулирования изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения, которое называют регулированием с постоянным моментом.

---

Для электроприводов многих механизмов используют комбинированное управление, так называемое двух-зонное регулирование скорости. Механи-ческие характеристи-ки для этого способа управления показаны на рис.6.6. В первой зоне скорость двига-теля в диапазоне от нуля до основной скоростиω_0н регули-руется изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения Ф_н. Во второй зоне регулирование производится изменением тока (потока) возбуждения при постоянном номинальном напряжении якоря. Соответственно номинальный момент в первой зоне регулирования остается постоянным, а во второй зоне снижается пропорционально уменьшению потока. Максимально допустимая скорость двигателя при ослаблении поля определяется механической прочностью якоря и условиями коммутации на коллекторе. Эта скорость указывается в каталоге на двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулировании скорости для установления основной (максимальной) скорости. В отличие от синхронных и асинхронных двигатели постоянного тока не имеют жестко определенной номинальной скорости. В каталогах указывается номинальная и максимальная скорости. Например, если указано, что двигатель мощностью 100кВт имеет номинальную скорость 1000об/мин и максимальную – 2000об/мин, то основная скорость может быть установлена в этих пределах выбором соответствующего значения тока возбуждения. Например, - 1600об/мин; при этом мощность двигателя останется равной 100кВт. Это удобно при конструировании кинематической схемы рабочей машины.

Для высокодинамичных электроприводов небольшой мощности (до 20кВт) эффективно использование высокомоментных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Благодаря применению высокоэнергетических постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов (например, сплава самарий-кобальт) эти двигатели особенно при малых скоростях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе более легкие) способны развивать большой крутящий момент. Отношение пускового момента такого двигателя к номинальному составляет 10-12, в то время как у двигателей с электромагнитным возбуждением это отношение не превышает 2-4. Такие двигатели находят применение в металлорежущих станках с числовым программным управлением, в приводах роботов и следящих электроприводах различного назначения [1-9].

---

В некоторых случаях двигатели независимого возбуждения снабжают «легкой» обмоткой последовательного возбуждения, создающей м.д.с. при номинальном токе якоря около 20% от м.д.с. обмотки независимого возбуждения. Такие двигатели смешанного возбуждения применяются в случаях многодвигательного привода, когда два или несколько двигателей работают на один вал или их валы связаны механически (например, лентой конвейера), В этом случае скорость всех двигателей будет одинаковой, но из-за неидентичности характеристик двигателя возникает задача равномерного распределения нагрузки между ними. Благодаря наличию последовательной обмотки возбуждения в более нагруженном двигателе увеличивается поток и возрастает противоэдс якоря, что ведет к снижению тока якоря. Напротив, менее нагруженный двигатель будет иметь несколько меньший поток, его э.д.с. будет ниже и ток якоря соответственно возрастает. Таким образом, благодаря наличию слабой последовательной обмотки происходит выравнивание тока якоря между двигателями, питающимися от общего источника напряжения.

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения могут работать в трех тормозных режимах: режиме рекуперативного торможения, динамического торможения и торможения противовключением.

Режим рекуперативного генераторного торможения отражается на механических характеристиках во втором квандранте, когда скорость двигателя превышает скорость холостого хода ω>ω₀ (рис.6.7). При этом э.д.с. якоря Е_я превышает величину напряжения питания якорной цепи Е_я>U_я и ток в якорной цепи пойдет под действием э.д.с. якоря Е_я; знак тока будет противоположен знаку напряжения питания, что означает, что энергия торможения отдается в сеть питания постоянного тока. Отсюда следуют три условия существования режима рекуперативного торможения.

1. Ц

   Рис.6.7. Механические характеристики двигателя постоянного тока в режиме рекуперативного торможения

   епь питания должна обеспечивать возможность протекания тока встречно напряжению источ-ника питания; это условие особенно важно в случае пита-ния двигателя пос-тоянного тока от полупроводниковых преобразователей, элементы которых обладают односторонней проводимостью тока (см.§6.2).

2. Источник питания должен обладать возможностью воспринимать отдаваемую двигателем энергию и передавать ее в питающую сеть; так режим рекуперативного торможения невозможен, если привод получает питание от автономной дизель-генераторной установки.

3. Для того, чтобы рекуперативное торможение было возможно в пределах заданного диапазона регулирования скорости, для регулирования должен применяться способ изменения напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя.

---