Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.
Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (7) и (9), представленными в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при U = const и iв = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.
Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Iа поток Фδ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", будет стремится возрасти. С другой стороны, падение напряжения Rа × Iа вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис. 1: 1 – при преобладании влияния Rа × Iа; 2 – при взаимной компенсации влияния Rа × Iа и уменьшения Фδ; 3 – при преобладании влияния уменьшения Фδ.
Ввиду того что изменение Фδ относительно мало, механические характеристики n = f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (9), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при U = const и iв = const совпадают по виду с характеристиками n = f(Iа) (рисунок 1). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.
Рисунок 1. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения |
Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью "Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока"). Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготавливаются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рисунок 1). В современных высокоиспользованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рисунок 1) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, намагничивающая сила которой составляет до 10% от намагничивающей силы параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Фδ под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем параллельного возбуждения.
Изменение скорости вращения Δn (рисунок 1) при переходе от холостого хода (Iа = Iа0) к номинальной нагрузке (Iа = Iан) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2 – 8% от nн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и прочее).
Рисунок 2. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения |
Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rр.в (смотрите рисунок 1, б в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока" и рисунок 1 в статье "Пуск двигателей постоянного тока"). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rра = 0) и U = const характеристики n = f(Iа) и n = f(M), определяемые равенствами (7) и (9), представленными в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", для разных значений Rр.в, iв или Фδ имеют вид, показанный на рисунке 2. Все характеристики n = f(Iа) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе Iа, который, согласно выражению (5), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", равен
Iа = U / Rа .
Однако механические характеристики n = f(M) пересекают ось абсцисс в разных точках.
Нижняя характеристика на рисунке 2 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой Mст = f(n) для рабочей машины, соединенной с двигателем (жирная штриховая линия на рисунке 2).
Точка холостого хода двигателя (M = M0, Iа = Iа0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M0 и Iа0 также увеличиваются (тонкая штриховая линия на рисунке 2).
Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то Eа [смотрите выражение (6) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] будет увеличиваться, а Iа и M будут, согласно равенствам (5) и (8), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", уменьшаться. При Iа = 0 и M = 0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости Iа и M изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рисунке 2 левее оси ординат).
Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготавливаются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов (смотрите статью "Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока") или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.
Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление Rра (рисунок 3, а), то вместо выражений (7) и (9), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", получим
(1) |
(2) |
Сопротивление Rра может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.
Рисунок 3. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)
Характеристики n = f(M) и n = f(Iа) для различных значений Rра = const при U = const и iв = const изображены на рисунке 3, б (Rра1 < Rра2 < Rра3). Верхняя характеристика (Rра = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n = 0) в точке, для которой
Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рисунке 3 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n < 0, э. д. с. Eа имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего
а момент двигателя M действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.
Если в режиме холостого хода (Iа = Iа0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим Iа = 0, а затем Iа изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рисунке 3, б слева от оси ординат).
Как видно из рисунка 3, б, при включении Rра характеристики становятся менее жесткими, а при больших значениях Rра – круто падающими, или мягкими.
Если кривая момента сопротивления Mст = f(n) имеет вид, изображенный на рисунке 3, б жирной штриховой линией, то значения n при установившемся режиме работы для каждого значения Rра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем больше Rра, тем меньше n и ниже коэффициент полезного действия (к. п. д.).
Регулирование скорости посредством изменения напряжения якоря может осуществляется с помощью агрегата "генератор – двигатель" (Г – Д), называемого также агрегатом Леонарда (рисунок 4). В этом случае первичный двигатель ПД (переменного тока, внутреннего сгорания и тому подобный) вращает с постоянной скоростью генератор постоянного тока Г. Якорь генератора непосредственно подключен к якорю двигателя постоянного тока Д, который служит приводом рабочей машины РМ. Обмотки возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД питаются от независимого источника – сети постоянного тока (рисунок 4) или от возбудителей (небольших генераторов постоянного тока) на валу первичного двигателя ПД. Регулирование тока возбуждения генератора iв.г должно производиться практически от нуля (на рисунке 4 с помощью реостата, включенного по потенциометрической схеме). При необходимости реверсирования двигателя можно изменить полярность генератора (на рисунке 4 с помощью переключателя П).
Рисунок 4. Схема агрегата "генератор – двигатель" для регулирования скорости двигателя независимого возбуждения
Пуск двигателя Д и регулирование его скорости осуществляют следующим образом. При максимальном iв.д и iв.г = 0 производят пуск первичного двигателя ПД. Затем плавно увеличивают iв.г, и при небольшом напряжении генератора U двигатель Д придет во вращение. Регулируя, далее, U в пределах до U = Uн, можно получить любые скорости вращения двигателя до n = nн. Дальнейшее увеличение n возможно путем уменьшения iв.д. Для реверсирования двигателя уменьшают iв.г до нуля, переключают ОВГ и снова увеличивают iв.г от значения iв.г = 0.
Когда рабочая машина создает резко пульсирующую нагрузку (например, некоторые прокатные станы) и нежелательно, чтобы пики нагрузки полностью передавались первичному двигателю или в сеть переменного тока, двигатель Д можно снабдить маховиком (агрегат Г – Д – М, или агрегат Леонарда – Ильгнера). В этом случае при понижении n во время пика нагрузки часть этой нагрузки покрывается за счет кинетической энергии маховика. Эффективность действия маховика будет больше при более мягкой характеристике двигателя ПД или Д.
В последнее время все чаще двигатель ПД и генератор Г заменяют полупроводниковым выпрямителем с регулируемым напряжением. В этом случае рассматриваемый агрегат называют также вентильным (тиристорным) приводом.
Рассмотренные агрегаты используются при необходимости регулирования скорости вращения двигателя с высоким к. п. д. в широких пределах – до 1 : 100 и более (крупные металлорежущие станки, прокатные станы и так далее).
Отметим, что изменение U с целью регулирования n по схеме рисунка 1, б, показанного в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока" и рисунка 3, а, не дает желаемых результатов, так как одновременно с изменением напряжения цепи якоря изменяется пропорционально U также ток возбуждения. Так как регулирование U можно производить только от значения U = Uн вниз, то вскоре магнитная цепь окажется насыщенной, вследствие чего U и iв будут изменяться пропорционально друг другу. Согласно равенству (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"), n при этом существенным образом не меняется.
В последнее время все больше распространяется так называемое импульсное регулирование двигателей постоянного тока. При этом цепь якоря двигателя питается от источника постоянного тока с постоянным напряжением через тиристоры, которые периодически, с частотой 1 – 3 кГц включаются и отключаются. Чтобы сгладить при этом кривую тока якоря, на его зажимах подключаются конденсаторы. Напряжение на зажимах якоря в этом случае практически постоянно и пропорционально отношению времени включения тиристоров ко времени продолжительности всего цикла. Таким образом, импульсный метод позволяет регулировать скорость вращения двигателя при его питании от источника с постоянным напряжением в широких пределах без реостата в цепи якоря и практически без дополнительных потерь. Таким же образом, без пускового реостата и без дополнительных потерь, может производиться пуск двигателя.
Импульсный способ регулирования в экономическом отношении весьма выгоден для управления двигателями, работающими в режимах переменной скорости вращения с частыми пусками, например на электрифицированном транспорте.
Рисунок 5. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения Pн = 10 кВт, Uн = 200 В, nн = 950 об/мин |
Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности P1, потребляемого тока I, скорости n, момента M, и к. п. д. η от полезной мощности P2 при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рисунке 5.
Одновременно с увеличением мощности на валу P2 растет и момент на валу M. Поскольку с увеличением P2 и M скорость n несколько уменьшается, то M ∼ P2 / n растет несколько быстрее P2. Увеличение P2 и M, естественно, сопровождается увеличением тока двигателя I. Пропорционально I растет также потребляемая из сети мощность P1. При холостом ходе (P2 = 0) к. п. д. η = 0, затем с увеличением P2 сначала η быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоря η снова начинает уменьшаться.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.
www.electromechanics.ru
Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение Uн=const.
Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения
Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=Ia+Iв, ток возбуждения обычно равен Iв=(0,03...0,04) Iн. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения rв=const и якоря
Σr = const.
Скоростная характеристика.
Зависимость n=f (Ia) при Uн=const и Iв=const
Из уравнения ЭДС для электродвигателя
имеем
Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.
Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока Ia уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.
На рис. 2 показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния Ia∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.
Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения
Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.
Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.
Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно , где no — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений Rрг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.
Моментная характеристика – это зависимость М=f (Ia) при rв=const, U=Uн и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно
имеем Mэм = M2+M0 = смIaФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока Ia несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).
Характеристика КПД η=f (Ia) снимается при U=Uн, rв=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Рн , достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Рн, а затем до Р=Рностается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.
Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=Uн, Iв=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя
Определив ток Iа из выражения М = сеIaФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим
Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления Rрг включенного в цепь якоря. При Rрг=0 характеристика называется естественной.
Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения
Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения Iв=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.
studfiles.net
Схема включения в сеть двигателя параллельного возбуждения показана на рис. 29.3, а. Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не зависит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.
Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M2, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р2 при и(рис. 29.3,6).
Для анализа зависимости и , которую обычно называют скоростной характеристикой, обратимся к формуле (29.5), из которой видно, что при неизменном напряженииU на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря и поток возбужденияФ. При увеличении нагрузки уменьшается числитель , при этом вследствие реакции якоряуменьшается и знаменатель Ф. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на частоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р2 уменьшается, а график приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращенной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потокаФ, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это показано штриховой кривой на рис. 29.3, б. Однако такая зависимость является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения n двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в разнос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которую называют стабилизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.
Рис. 29.3. Схема двигателя параллельного возбуждения ()
и его рабочие характеристики ()
Изменение частоты вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:
, (29.8)
где — частота вращения двигателя в режиме х.х.
Обычно для двигателей параллельного возбуждения , поэтому характеристику частоты вращения двигателя параллельного возбуждения называют жесткой.
Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, и поэтому зависимость криволинейна.
При вращающий момент двигателя. Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии , что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двигателе, то момент х.х. . Поэтому график зависимости проходит параллельно кривой Если принять поток , то график является в то же время выражением зависимости ,так как .
Для получения аналитического выражения механической характеристики преобразуем выражение (29.5):
; (29.9)
подставив в него из (25.24) значение тока якоря
, (29.10)
получим
, (29.11)
где — частота вращения в режиме х.х.;— изменение частоты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя.
Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения:
а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;
б — при изменении основного магнитного потока;
в — при изменении напряжения в цепи якоря
Если пренебречь реакцией якоря, то (так как ) можнопринять . Тогда механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой прямую линию, несколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 29.4, а). Угол наклона механической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характеристику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические характеристики двигателя, полученные при введении дополнительного сопротивления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).
Вид механической характеристики зависит также и от значения основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф увеличивается частота вращения х.х. и одновременно увеличивается , т. е. увеличиваются оба слагаемых уравнения (29.11). Это приводит к резкому увеличению наклона механической характеристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 29.4, б).
При изменении напряжения на якоре U меняется частота вращения , аостается неизменной. В итоге жесткость механической характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 29.4, в), т. е. характеристики смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу.
studfiles.net
Цепи якоря и возбуждения у двигателя с параллельным возбуждением соединены между собой параллельно. Следовательно, ток возбуждения такого двигателя не зависит от тока якоря и от нагрузки двигателя.
На рис. 13.37 показана основная схема соединений двигателя о пусковым rп и регулировочным rш реостатами. Пусковой реостат необходим для того, чтобы ограничить ток в якоре при пуске, пока ЭДС якоря равна нулю или мала, так как согласно (13.6)
Iя = (U - Eя)/(rя + rп).
Электродвижущая сила Ея пропорциональна потоку Ф; желательно, чтобы при пуске двигателя ЭДС Ея возрастала возможно быстрее.
По этой причине при пуске обмотку возбуждения следует включать сразу на полное напряжение сети при выведенном регулировочном реостате гш.. Вращающий момент двигателя (13.2) также пропорционален магнитному потоку Ф, поэтому если пуск двигателя происходит при наибольшем потоке, то наибольшего значения достигает и вращающий момент, что существенно облегчает процесс пуска, так как соответственно может быстрее снизиться пусковой ток.
В схеме на рис. 13.38 такое соединение обмотки возбуждения предусмотрено. Пусковой реостат снабжен металлической дугой т, которой касается скользящий контакт, укрепленный на рукоятке реостата. Пока рукоятка эта стоит на холостом контакте О пускового реостата, обе цепи двигателя выключены. Затем, когда во время пуска рукоятка перемещается по контактам реостата, обмотка возбуждения двигателя все время находится под полным напряжением сети.
Первый контакт пускового реостата соединен с медной дугой т, благодаря чему при выключении двигателя обмотка возбуждения оказывается замкнутой на якорь и пусковой реостат. Тем самым
предупреждается возникновение большой ЭДС самоиндукции при размыкании цепи возбуждения, так как обмотка возбуждения обладает большой индуктивностью. Благодаря наличию замкнутого контура с резистором при выключении двигателя энергия магнитного поля обмотки возбуждения преобразуется в этом резисторе в тепло. Секции пускового реостата рассчитываются так, чтобы при нормальном пуске ток якоря не превышал примерно двойного значения номинального тока якоря. Ток якоря при работе двигателя равен 1я=(U — Ея)/rя.
Так как Ея = сЕФп, то
n = (U - rяIя)/сEФ (13.7)
— это уравнение частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением.
Общее уравнение электромагнитного момента (13.2) машины постоянного тока определяет вращающий момент двигателя с параллельным возбуждением:
(13.8)
Мвр = смФ1яЭтот момент уравновешивает тормозной момент, приложенный к валу двигателя (статический момент).
При увеличении нагрузки на валу двигателя сначала равновесие моментов нарушается и двигатель несколько уменьшает частоту вращения. Но это вызывает уменьшение Ея, а следовательно, и увеличение Iя. Пропорционально Iя возрастает вращающий момент, и при немного понизившейся частоте вращения п равновесие моментов восстанавливается. На основании (13.7) и (13.8) зависимость п от вращающего момента можно выразить также следующим образом:
n = - MBP.
(13.9)
Реакция якоря может оказывать некоторое влияние на работу двигателя. При увеличении тока якоря Iя уменьшается главный магнитный поток Ф (в наибольшей степени у двигателей без дополнительных полюсов). Согласно уравнению (13.9) ослабление потока увеличивает п, а следовательно, противодействует снижению частоты вращения, вызываемому увеличением rяIя. Вместе с тем ослабление потока уменьшает вращающий момент, а следовательно, вызывает увеличение тока якоря, необходимое для поддержания равновесия моментов.
Большинство двигателей с параллельным возбуждением для компенсации влияния реакции якоря на главный магнитный поток снабжается дополнительной последовательной обмоткой возбуждения из небольшого числа витков, называемой стабилизирующей обмоткой. Она соединяется согласно с параллельной обмоткой возбуждения и на вид характеристик двигателя практически не влияет, поэтому двигатели с такой дополнительной обмоткой рассматриваются как двигатели с параллельным возбуждением, хотя фактически в них осуществлено смешанное возбуждение. Однако наличие этой дополнительной обмотки необходимо учитывать, если использовать двигатель для каких-либо специальных целей.
Следовательно, если считать магнитный поток Ф неизменным, то (13.9) — естественная механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением п = F (М), — изображается прямой линией, слегка наклоненной в сторону оси абсцисс (рис. 13.39). При изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номинальной частота вращения большинства двигателей параллельного возбуждения уменьшается лишь на 3—8 % (тем меньше, чем больше номинальная мощность двигателя). Таким образом, естественную механическую характеристику двигателей с параллельным возбуждением следует считать жесткой.
Угол наклона механической характеристики можно изменить, включив последовательно с якорем реостат г. В этом случае уравнение частоты вращения двигателя будет:
п =. (13.10)
Изменяя сопротивление реостата r, можно получить семейство искусственных механических характеристик (реостатных характеристик) более мягких, чем естественная механическая характеристика двигателя. Все эти характеристики будут пересекать ось ординат в одной и той же точке, определяемой условием Iя = 0 или Ея = сЕпх Ф = U; здесь пх — частота вращения якоря при идеальном холостом ходе двигателя. Заметим, что идеальный холостой ход двигателя соответствует отсутствию тормозного момента на его валу. Так как трение в подвижных частях двигателя всегда создает тормозной момент, то идеальный холостой ход можно получить только воздействием на вал машины внешнего вращающего момента от вспомогательного двигателя.
Если при неизменном моменте на валу постепенно увеличивать сопротивление реостата г в цепи якоря, то точка п, показывающая на диаграмме рис. 13.39 частоту вращения двигателя, будет перемещаться с одной характеристики на другую (точки n1— n4). Следовательно, посредством реостата r можно регулировать частоту вращения двигателя. Однако такое регулирование неэкономично, так как ток в цепи регулировочного реостата равен току якоря Iя а это обусловливает значительную мощность потерь rI2я. По этой причине регулирование включением реостата в цепь якоря применяется лишь для двигателей небольших мощностей. По существу реостатом регулируется напряжение на якоре. Положительной стороной такого регулирования частоты вращения изменением напряжения является постоянство тока якоря и вращающего момента, развиваемого двигателем. Для большого числа приводов характерно постоянство нагрузочного момента при изменении частоты вращения. Следовательно, при работе двигателя на такой привод регулирование частоты вращения изменением напряжения не будет вызывать изменения тока якоря и последний не будет перегружаться по току. По этой причине регулирование изменением напряжения называют регулированием с постоянным предельно допустимым моментом.
Уравнение (13.10) показывает, что частота вращения п обратно пропорциональна главному магнитному потоку Ф, а этот поток, пока магнитная цепь машины не насыщена, можно считать пропорциональным току возбуждения Iв. Следовательно, частоту вращения двигателя можно регулировать изменением тока возбуждения, для чего в цепь возбуждения вводится реостат гш. Зависимость п = F (IB) носит гиперболический характер; на рис. 13.40 показана эта характеристика двигателя при холостом ходе.
Процесс регулирования при постоянном тормозном моменте на валу двигателя протекает следующим образом.
Увеличение сопротивления реостата гш уменьшает ток возбуждения Iв, вследствие чего уменьшается магнитный поток Ф и индуктируемая им ЭДС Ея в обмотке якоря. Понижение ЭДС Ея вызывает увеличение тока в обмотке якоря:
Iя = (U-Ея)/r2
а следовательно, увеличение вращающего момента и частоты вращения двигателя. Благодаря этому равновесие моментов и равновесие электрическое
U = Eя + rя1я
восстанавливаются при возросших частоте вращения п и токе якоря IЯ. Таким образом, при М = const увеличение п двигателя посредством ослабления магнитного потока вызывает увеличение IЯ а следовательно, некоторую перегрузку током коллектора и обмотки якоря.
Иные условия имеют место, если нагрузка на валу двигателя требует постоянства мощности Рн. Так как Рн = Мвр = смФ1яп/30 = кФ1яп, то уменьшение магнитного потока будет вызывать увеличение частоты вращения и уменьшение вращающего момента при неизменном токе /я. Следователь но, регулирование частоты вращения двигателя путем изменения тока возбуждения выгодно при постоянстве мощности на валу. По этой причине такое регулирование частоназывают регулированием с постоянной предельно допустимой мощностью.
Рис. 13.41.
Механические характеристики двигателя при различном возбуждении наклонены неодинаково к оси абсцисс (рис. 13.41). Чем меньше магнитный поток, тем больше при том же вращающем моменте М = смФ1в должен быть ток Iя, а следовательно, тем большее изменение п = (U — rяIя)/сEФ вызывает изменение нагрузки, т. е. с ослаблением магнитного потока механическая характеристика двигателя становится мягче.
Так как ток возбуждения Iв относительно мал — примерно (2—3 %) Iя, то и дополнительные мощности потерь rBI2B при регулировании частоты вращения ослаблением магнитного потока Ф относительно малы, благодаря чему такое регулирование весьма экономично. Однако значительное увеличение частоты вращения может обусловливать перегрузку коллектора и якоря по току, сильное ухудшение условий коммутации, возникновение опасных механических центробежных сил в якоре, и т. п. По этим причинам серийные двигатели параллельного возбуждения рассчитываются на регулирование частоты вращения в пределах до 2 : 1. Возможность регулирования частоты вращения нагруженного двигателя в более широких пределах требует соответствующих конструктивных изменений машины. Такие изменения делаются заводами-изготовителями по специальным заказам, и в СССР выпускаются двигатели, рассчитанные на регулирование частоты вращения посредством изменения тока возбуждения в пределах 2,5 : 1; 3 : 1; 4 : 1.
Очень широкие пределы регулирования частоты вращения и безреостатный пуск двигателя с параллельным возбуждением обеспечивает применение системы П—Д (преобразователь—двигатель). Особенно целесообразно ее применение для больших мощностей, например для приводов прокатных станов. В качестве преобразователей могут использоваться генераторы постоянного тока, тиристорные выпрямители и т. д.
При использовании генератора постоянного тока в качестве преобразователя весь агрегат системы Г—Д (генератор—двигатель) стоит из четырех машин (рис.13.42), асинхронный (или синхронный) двигатель АД вращает с постоянной частотой мощный генератор постоянного тока Г и небольшой генератор В с параллельным возбуждением, служащий возбудителем для установки.
Цепь якоря генератора Г замкнута непосредственно на цепь якоря двигателя Д. Цепи возбуждения генератора и двигателя питаются от возбудителя В. Все операции управления частотой вращения двигателя осуществляются воздействием только на цепи возбуждения машин. Напряжение генератора регулируется с помощью реостата гв.г, включенного в его цепь возбуждения. Для того чтобы иметь возможность изменять направление тока возбуждения генератора, этот реостат часто снабжают двумя подвижными контактами и включают по схеме потенциометра. Изменение направления тока возбуждения генератора изменяет напряжения на выводах генератора и, следовательно, вызывает реверсирование двигателя. Для пуска двигателя напряжение генератора понижается регулированием возбуждения генератора.
Пределы регулирования изменением напряжения для установки средней мощности — примерно от 5 :1 до 10 : 1. Механические характеристики в пределах этой области регулирования — параллельные прямые (рис. 13.43), только их угол наклона к оси абсцисс несколько больше, чем угол наклона естественной механической характеристики двигателя. Меньшая жесткость характеристики является следствием понижения напряжения генератора с увеличением нагрузки из-за влияния внутреннего сопротивления якоря гЯгг генератора. Таким образом, уравнение частоты вращения двигателя в системе Г—Д будет:
(13.11)
n==- Mвр .Уменьшение тормозного момента до нуля соответствует идеальному холостому ходу. Если далее воздействовать на вал машины внешним вращающим моментом (М < 0), то машина перейдет из режима двигателя в режим генератора.
Дальнейшее расширение пределов регулирования частоты вращения системы Г—Д достигается изменением тока возбуждения двигателя. Ослаблением магнитного потока двигателя можно обеспечить регулирование в пределах примерно до 4 : 1, а следовательно, для системы Г—Д в целом пределы регулирования будут от 12 : 1 до 16 : 1.
Регулирование в пределах второй зоны, т. е. ослабление магнитного потока, экономически выгодно при постоянстве мощности привода.
Недостатками системы Г—Д являются большие габариты, низкий КПД из-за потерь в трех преобразователях энергии и большая инерционность регулирования.
Во многих современных установках система Г—Д заменена тиристорной системой с фазовым регулированием.
Для машины с параллельным возбуждением может быть построена универсальная характеристика. Если посредством какого-либо независимого двигателя вращать якорь с частотой вращения, превосходящей частоту вращения идеального холостого хода пх, то направление тока в якоре изменится и машина будет работать как генератор на сеть постоянного тока. Если же приложить к валу двигателя достаточно большой тормозной момент, то двигатель остановится, а если тормозной момент активный, создаваемый, например, опускающимся достаточно большим грузом, то машина из режима двигателя перейдет в режим электромагнитного тормоза. В этом случае ток в якоре
1я = (U + Ея)/(rя + r), (13.12)
где r — сопротивление реостата, который необходимо включить в цепь якоря, чтобы ограничить ток.
При номинальном напряжении и отсутствии реостата ток в якоре при остановке в режиме тормоза был бы слишком большим и произошло бы разрушение коллектора и обмотки якоря. Торможение, получаемое таким образом, именуется торможением противовключением. Наряду с ним для быстрой остановки привода используется режим динамического торможения. Вращающийся якорь отключается от сети и замыкается на некоторый резистор. В этих условиях ЭДС якоря играет роль ЭДС генератора. Она создает ток в якоре и резисторе, а этот ток вызывает возникновение электромагнитного тормозного момента.
studfiles.net
Электродвигателем параллельного возбуждения называется двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена параллельно обмотке якоря (рис. 1). При снятии характеристик к цепи якоря подводится номинальное напряжение Uн=const.
Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения
Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=Ia+Iв, ток возбуждения обычно равен Iв=(0,03...0,04) Iн. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения rв=const и якоря
Σr = const.
Скоростная характеристика.
Зависимость n=f (Ia) при Uн=const и Iв=const
Из уравнения ЭДС для электродвигателя
имеем
Как видно из выражения,частота вращения двигателя зависит от двух факторов — изменения тока нагрузки и потока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения в сопротивлении цепи якоря увеличивается, а частота вращения двигателя уменьшается.
Поперечная реакция якоря размагничивает двигатель, т.е. с ростом тока Ia уменьшается поток и, следовательно, увеличиваются обороты двигателя. Таким образом, оба фактора действуют в отношении оборотов машины встречно и вид скоростной характеристики будет определяется их результирующим действием.
На рис. 2 показаны три разные скоростные характеристики двигателя (кривые 1,2,3). Кривая 1 — скоростная характеристика при преобладании влияния Ia∑r,кривая 2 — оба фактора приблизительно уравновешиваются, кривая 3 — преобладает фактор размагничивающего действия реакции якоря.
Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения
Ввиду того, что в реальных двигателях изменение потока Ф незначительно, скоростная характеристика является практически прямой линией. На ряде современных машин параллельного возбуждения для компенсации влияния поперечной реакции якоря устанавливается дополнительная стабилизирующая обмотка возбуждения, которая полностью или частично компенсирует влияние реакции якоря.
Нормальной формой скоростной характеристики, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя, является характеристика вида кривой 1.
Наклон характеристики определяется величиной сопротивления цепи якоря Σr без учета реакции якоря. Когда добавочных сопротивлений в цепь якоря не включено, характеристика называется естественной. Естественная характеристика двигателя параллельного возбуждения достаточно жесткая. Обычно , где no — частота вращения при холостом ходе. При включении в цепь якоря добавочных сопротивлений Rрг, наклон характеристик увеличивается, они становятся «мягкими» и называются искусственными или реостатными.
Моментная характеристика – это зависимость М=f (Ia) при rв=const, U=Uн и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно
имеем Mэм = M2+M0 = смIaФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока Ia несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).
Характеристика КПД η=f (Ia) снимается при U=Uн, rв=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Рн , достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75)Рн, а затем до Р=Рн остается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.
Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=Uн, Iв=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя
Определив ток Iа из выражения М = сеIaФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим
Если пренебречь реакцией якоря и считать, что поток Ф не изменяется, то механические характеристики электродвигателя параллельного возбуждения можно представить в виде прямых (рис. 3), наклон которых зависит от величины сопротивления Rрг включенного в цепь якоря. При Rрг=0 характеристика называется естественной.
Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения
Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения Iв=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.
www.radioingener.ru
Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.
Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (6) и (7) при U=constиiB=const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.
(6)
(7)
Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении IaпотокФδнесколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скоростьn, согласно выражению (6), будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряженияRaIaвызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8;1— при преобладании влияния RaIa;2— при взаимной компенсации влияния RaIaи уменьшения;3— при преобладании влияния уменьшенияФδ.
Ввиду того что изменение Фδотносительно мало, механические характеристикиn=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (7), приU=constиiB==constсовпадают по виду с характеристикамиn=f(Ia) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.
Характеристики вида 3 (рис. 8) неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1(рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида1(рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Фδпод воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения.
Изменение скорости вращения Δn(рис. 8) при переходе от холостого хода (Ia =Ia0) к номинальной нагрузке (Ia=Iaн) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2—8% отnн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).
Рис. 8. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения
Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rp в(см. рис. 11). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rpa= 0) и U = const характеристики n =f(Ia) и n=f(M), определяемые равенствами (6) и (7), для разных значений Rр.в. ,IB или Фδ имеют вид, показанный на рис. 9. Все характеристики n =f(Ia) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе Ia, который равен
Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.
Нижняя характеристика на рис. 9 соответствует номинальному потоку. Значения nпри установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривойМст=f(п)для рабочей машины, соединенной с двигателем (штриховая линия на рис. 9).
Точка холостого хода двигателя (М = М0,Ia = Ia0) лежит несколько правее оси ординат на рис. 9. С увеличением скорости вращенияnвследствие увеличения механических потерьМ0иI00также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращенияn, тоЕа=ceФδт будет увеличиваться, аIаиМбудут, согласно равенствам
и
уменьшаться. При Iа = 0иМ. =0механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скоростиIаиМ изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).
Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.
Рис. 9. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения
Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление Rpa(рис. 10, а), то вместо выражений (6) -и (7) получим
(8)
(9)
Сопротивление Rpa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.
Рис. 10. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)
Характеристики n=f(M)иn=f(Ia)для различных значенийRpa=constприU=constиiB=constизображены на рис. 10, б (Rpa1 < Rpa2< Rpa3)- Верхняя характеристика (Rpa= 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точкес
и
Продолжения этих характеристик под осью абсцисс на рис. 10 соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0, э.д.с.Еаимеет противоположный знак и складывается с напряжением сетиU, вследствие чего
а момент двигателя М действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.
Если в режиме холостого хода (Ia = Ia0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режимIa=0, а затемIa изменит направление и машина перейдет в режим генератора (участки характеристик на рис. 10, б слева от оси ординат).
Как видно из рис. 10, б, при включении Rpaхарактеристики становятся менее жесткими, а при больших величинахRpa— круто падающими, или мягкими.
Если кривая момента сопротивления Mст=f(n)имеет вид, изображенный на рис. 10, б штриховой линией, то значенияnпри установившемся режиме работы для каждого значенияRра определяются точками пересечения соответствующих кривых. Чем большеRpa, тем меньшеnи ниже к. п. д.
Рабочие характеристикипредставляют собой зависимости потребляемой мощностиР1потребляемого токаI, скоростиn, моментаМи к. п. д.η] от полезной мощностиР2, приU = constи неизменных положениях регулирующих реостатов. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения малой мощности при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря представлены на рис. 11.
Одновременно с увеличением мощности на валуР2 растет и момент на валуМ.Поскольку с увеличениемР2иМскоростьnнесколько уменьшается, тоМ = Р2/прастет несколько быстрееР2. УвеличениеР2иМ, естественно, сопровождается увеличением тока двигателяI. ПропорциональноIрастет также потребляемая из сети мощностьР1. При холостом ходе (Р2 = 0) к. п. д.η= 0, затем с увеличениемР2сначалаη| быстро растет, но при больших нагрузках в связи с большим ростом потерь в цепи якоряη снова начинает уменьшаться.
Рис. 11. Рабочие характеристики
двигателя параллельного возбуждения
РН = 10 квт, UН = 220 в, пН = 950 об/мин
studfiles.net
Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.
Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = Iя + Iв, где Iя - ток якоря, Iв – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом Iв не зависит от Iя, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.
В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:
При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.
Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:
Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.
Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.
Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.
Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.
www.szemo.ru