Файл: 7_Глава 5.doc

В первом приближении механическую характеристику двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, если не учитывать насыщение магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересекающей ось ординат, а асимптотически приближающуюся к ней.

Если положить (R_я+R_в)=0, то характеристика (см. рис.5.18) не будет пересекать и ось абсцисс. Такая характеристика называется «идеальной»; выше нее характеристики быть не могут. Реальная естественная характеристика пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей току короткого замыкания (момент М_к). Если учитывать насыщение двигателя, то при моментах меньших 0,8М_к характеристика криволинейна и носит гиперболический характер; при больших значениях тока и момента поток вследствие насыщения становится постоянным и характеристика выпрямляется.

Характерной особенностью характеристик двигателя последовательного возбуждения является отсутствие точки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость двигателя существенно возрастает, вследствие чего оставлять двигатель без нагрузки недопустимо.

Важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является большая перегрузочная способность на низких скоростях. При перегрузке по току в 2,25-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0-3,5 номинального. Это обстоятельство определило широкое использование двигателей последовательного возбуждения для электрических транспортных средств, где наибольшие моменты необходимы при трогании с места. Вторым важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является отсутствие источника питания для цепи возбуждения двигателя.

Искусственные механические характеристики могут быть получены тремя способами: включением добавочного сопротивления в цепь якоря, изменением величины питающего напряжения и шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлением.

При введении добавочного сопротивления в цепь якоря жесткость механических характеристик уменьшается и уменьшается значение М_к (см. рис.5.19). Этот способ регулирования используется при пуске двигателя, когда ступени сопротивления перемыкаются пусковыми контакторами К1, К2, К3. На рис.5.19 показаны пусковые характеристики, соответствующие трехступенчатой схеме пуска. Длительная работа на реостатных характеристиках сопряжена со значительными потерями энергии в сопротивлениях.

аиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение величины подводимого к двигателю напряжения. Механические характеристики, соответствующие этому способу регулирования, показаны на рис.5.20. По мере уменьшения напряжения они смещаются вниз параллельно естественной характеристике. Внешне искусственные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулировании изменением напряжения дополнительные потери отсутствуют.

Двигатели последовательного возбуждения час-то получают питание от сети постоянного тока или источника постоянного тока с нерегулируемой величиной напряжения. Регулирование напряжения на зажимах двигателя в этом случае целесообразно производить способом широтно-импульсного регулирования, который рассмотрен ниже. Упрощенная схема регулируемого электропривода с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения и широтно-импульсным регулятором напряжения показана на рис.5.21.

Изменение потока возбуждения в рассматриваемых двигателях возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлением (см. рис.5.22,а). В этом случае ток возбуждения в соответствии с первым законом Кирхгофа будет равен

т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от нагрузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последовательного. Благодаря независимому возбуждению механические характеристики приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат. Примерные механические характеристики для этого способа регулирования показаны на рис.5.22,б. Шунтирование якоря позволяет получить устойчивую пониженную скорость при отсутствии нагрузки на валу двигателя. В данной схеме возможен переход двигателя в режим рекуперативного торможения при скорости или. Существенным недостатком рассматриваемого способа регулирования является его неэкономичность, обусловленная большими потерями энергии в шунтирующем сопротивлении.

Для двигателей последовательного возбуждения характерны два режима торможения: противовключением и динамический. В режиме противовключения необходимо включение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя. На рис.5.23 показаны механические характеристики для двух вариантов режима противовключения. Характеристика 1 получается, если при работе двигателя в направлении «вперед» (точка в) изменить направление тока в обмотке возбуждения и одновременно ввести в цепь двигателя добавочное сопротивление. При этом двигатель переходит в режим противовключения в точке а с тормозным моментом М_торм, под действием которого будет происходить торможение двигателя.

Второй случай режима противовключения возникает при спуске груза. Привод включается в направление подъема груза, однако, благодаря тому, что в цепь двигателя включено большое добавочное сопротивление (которому соответствует характеристика 2), двигатель под действием момента, создаваемого грузом, вращается в обратном направлении и будет работать в точке б, в которой активный статический момент М_груза уравновешивается тормозным моментом двигателя, работающего в режиме противовключения. Режим противовключения сопряжен со значительными потерями энергии в цепи двигателя и добавочного сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей последовательного возбуждения возможен в двух вариантах. В первом – якорь двигателя замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети через добавочное сопротивление. Характеристики двигателя в этом режиме подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения.

Во втором варианте, схема которого показана на рис.5.24, двигатель работает как генератор с самовозбуждением. Особенность данной схемы состоит в том, что при переходе из двигательного режима в режим динамического торможения необходимо сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избежание размагничивания машины. При размыкании контактора КМ ток в обмотке возбуждения становится равным нулю, но, так как магнитопровод машины был намагничен, то сохраняется остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под действием которой при замыкании контактов КВ в цепи обмотка якоря – обмотка возбуждения – сопротивление R протекает ток, и машина самовозбуждается. Этот процесс происходит, если скорость двигателя будет больше граничной скорости . Механические характеристики в режиме динамического торможения с самовозбуждением показаны на рис.5.25.

Режим рекуперативного торможения в обычной схеме включения двигателя последовательного возбуждения невозможен. Для его осуществления необходимо шунтирование якоря двигателя, либо применение отдельной дополнительной обмотки независимого возбуждения.

5.4. Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным регулированием

Развитие силовой преобразовательной техники, прежде всего силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором) открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного напряжения (тока), которые находят широкое применение в электроприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов: высокие параметры силовой цепи (напряжение до 1500 В, ток до 500 А с возможностью параллельной работы), малая мощность управления; высокая частота переключений – десятки кГц; модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий обратный диод и элементы цепей управления и защиты, - делают эти приборы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить коммутацию электрических цепей.

Принцип работы привода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения и транзисторным широтно-импульсным регулятором напряжения уясняется из рассмотрения схемы рис.5.26.

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подключается к источнику питания постоянного тока (неуправляемый выпрямитель UZ), имеющему постоянную величину напряжения U_п. Включение – отключение напряжения питания осуществляется ключом – транзистором VT. Частота коммутаций цепи постоянная, равная .

Величина среднего напряжения U_ср, поступающего к якорю двигателя, определяется отношением времени включенного состояния ключа t_в ко времени периода коммутаций , как это показано на рис.5.27. Если время включенного состояния велико и составляет порядка, то среднее напряжение, поступающее на двигатель, будет максимально и составлять. Если уменьшать время включенного состояния ключаVT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться (оно пропорционально заштрихованной площади на рис.5.27, деленной на время Т_к).