Схема включения и статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

<10 11 121314 15 16 >

Основная схема включения ДПТ НВ представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: I, I_в, – соответственно токи в цепях обмоток якоря и возбуждения ОВ, А;

Е – ЭДС обмотки якоря, В;

Ω и М – соответственно угловая скорость (рад/с) и момент (Нм) двигателя;

R_я= г_оя + г_дп + r_ко + г_щ – сопротивление цепи обмотки якоря, состоящее из сопротивлений обмотки якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта, Ом; R_ов – сопротивление обмотки возбуждения, Ом; L_я, L_ов – соответственно индуктивности обмоток якоря и возбуждения, Гн. На схеме показаны добавочные резисторы в цепях обмоток якоря R_д и возбуждения R_в, а также отдельные источники питания обмоток якоря и возбуждения с напряжениями соответственно U и U_в.

При выводе уравнений для статических характеристик двигателя примем следующие допущения: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту. Уравнение равновесия напряжения цепи обмотки якоря, ЭДС якоря и электромагнитного момента для установившегося режима работы двигателя и принятых допущениях были выведены в разделе 2.1 и имеют вид

U = Е + IR; (65)

Е = С_еФΩ; (66)

М= С_мФI, (67)

Ф=const,

где R = R_я + R_д – полное сопротивление цепи якоря, Ом; R_д– регулировочное сопротивление цепи обмотки якоря; Ф – магнитный поток, Вб; U – подводимое к якорю напряжение, В; C_e = p_пN/(2πa)– конструктивный коэффициент двигателя; р_п – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки якоря. В системе СИ коэффициенты С_м=C_e.

При условии Ф=const произведения С_еФ и С_мФ также постоянны и могут быть обозначены постоянными коэффициентами k_e= С_еФ и k_м= С_мФ.

Коэффициент k_e= С_еФ называется коэффициентом ЭДС двигателя. Он равен ЭДС двигателя вращающегося со скоростью 1 рад/с при номинальном магнитном потоке.

Коэффициент k_м= С_мФ называется коэффициентом момента двигателя. Он равен моменту развиваемому двигателем на 1 А тока якоря при номинальном потоке.

Подставляя (66) в (65), получим формулу для электромеханической характеристики Ω(I):

Ω = (U-IR)/(C_eФ). (68)

Формулу для механической характеристики Ω(М) ДПТ НВ получим из (68) с использованием выражения (67):

. (69)

В соответствии с (68) и (69) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ НВ представляют собой линейные зависимости угловой скорости (далее скорости) от тока и момента, вид которых для разных полярностей питающего якорь напряжения показан на рис. 19. Здесь электромеханическая и механическая характеристики совмещены, что в соответствии с (67) справедливо в случае С_еФ = const.

Рис.19. Статические характеристики ДПТ НВ

Их характерными точками являются точка холостого хода, в которой Ω = Ω₀, а I =0, М= 0, и точка короткого замыкания, где Ω = 0, а I = I_кз и М = М_кз. Отметим, что режим короткого замыкания для электрического двигателя соответствует неподвижному состоянию якоря при поданном на двигатель напряжении, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус. Режим короткого замыкания называется также пусковым режимом, поскольку является начальным при включении (пуске) двигателя.

Уравнения (68) и (69) можно записать в сокращенной форме:

Ω = Ω₀- ΔΩ, (70)

где Ω₀ – скорость идеального холостого хода двигателя,

Ω₀=U/(C_еФ); (71)

ΔΩ – изменение (перепад) угловой скорости относительно скорости идеального холостого хода,

ΔΩ = IR/(C_еФ) = MR/ (С_еФ)². (72)

Выражения (68) и (69) позволяют назвать основные способы реализации искусственных характеристик ДПТ НВ, используемых для регулирования скорости вращения ЭП. К ним относятся:

– изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря (R_д);

– изменение магнитного потока Ф;

– изменение подводимого к якорю напряжения U.

Отметим, что значения входящих в эти выражения тока и момента определяются только механической нагрузкой двигателя М_с и не могут быть установлены произвольно.

Задача 15. Рассчитать и построить естественные характеристики ДПТ НВ, используя следующие его паспортные (номинальные) данные: Р_ном = 300 кВт;

U_ном = 440 В; п_ном = 1250 об/мин;I_ном= 750 А.

Для построения характеристик, представляющих собой прямые линии, достаточно рассчитать координаты двух точек: номинального режима и холостого хода. Найдем номинальные скорость и момент двигателя:

Ω_ном= 2πп_ном /60 = 2•3,14•1250/60 = 131 рад/с;

М_ном=Р_ном/Ω_ном=300000/131= 2306 Нм.

Предварительно определим по (67)

С_мФ=М_ном/I_ном= 2306/750 = 3,08 Вс,

тогда скорость идеального холостого хода

Ω₀= U_ном/(С_мФ) = 440/3,08 = 144 рад/с.

По координатам точек холостого хода (Ω = Ω₀, I =0, М = 0) и номинального режима Ω = Ω_ном, I =I_ном, М=М_ном построим естественные электромеханическую Ω(I) и механическую Ω(M) характеристики.

4.2. Режимы торможения, холостого хода и короткого замыкания двигателя постоянного тока независимого возбуждения [1]

Режимы торможения, холостого хода и короткого замыкания двигателя постоянного тока независимого возбуждения относят к энергетическим режимам работы электрической машины.

Электрическая машина обладает так называемым свойством обратимости, т.е. она может работать как двигателем, преобразуя электрическую энергию в механическую, так и генератором, осуществляя обратное преобразование энергии. При этом переход из одного режима в другой может происходить без изменения схемы включения. При работе двигателей в генераторном режиме на валу электрической машины создается тормозной момент, обеспечивающий интенсивное принудительное замедление (торможение) движения ЭП и, следовательно, расширяющий его возможности по управлению движением исполнительного органа (в частности, при его торможении и реверсе).

Энергетический режим работы электрической машины можно определить исходя из взаимных направлений двух переменных: электрических (ЭДС Е и тока I) или механических (момента М и скорости Ω). При одинаковых направлениях скорости и момента и разных направлениях тока и ЭДС имеет место двигательный режим работы, а при противоположных направлениях скорости и момента и одинаковых направлениях ЭДС и тока – генераторный. Граничными между двигательным и генераторным являются режимы холостого хода и короткого замыкания, в которых одна электрическая и одна механическая переменные равны нулю. При холостом ходе нулю равны ток и момент, а при коротком замыкании – ЭДС и скорость.

Рассмотрим режимы работы двигателя (рис. 21) на различных участках его характеристик (см. рис. 19) при положительной полярности напряжения U.

Режим холостого хода (точка А). Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. В этом режиме I = 0, Е = U = С_еФΩ₀, М = 0, Ω = Ω₀ (см. рис. 21, а).Эту точку механической характеристики иногда называют точкой «идеального холостого хода».

Режим короткого замыкания возникает при неподвижном роторе и наличии напряжения на обмотке якоря, при этом Ω= 0 и Е = 0. В этом режиме, согласно (65) I = I_кз = U/R, электрическая энергия, поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как Ω = 0 (см. рис. 21, г). Такой режим возникает в момент пуска двигателя в ход. В первый момент времени после подачи напряжения на якорь двигателя якорь неподвижен и ЭДС обмотки якоря равна нулю. Режим прямого пуска двигателя от сети допускается только для микродвигателей. В таких двигателях сопротивление обмотки якоря относительно велико и пусковой ток не превышает (3-5)I_ном. В машинах повышенной мощности сопротивления обмотки якоря мало и ток при пуске может в 10-20 раз превышать номинальный ток. Такой большой ток может повредить коллектор, щетки и обмотку якоря. Для ограничения величины пускового тока необходимо в цепь обмотки якоря включать пусковой реостат.

Двигательный режим (участок от +Ω ₀до М_п характеристики, приведенной на рис. 19) в диапазоне 0 < Ω < Ω₀, т. е. в первом квадранте, где Ω и М совпадают по направлению. В этом режиме Е < U, ток I = (U- Е)/R совпадает по направлению с напряжением U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия (ЭЭ) поступает из сети, а механическая энергия (МЭ) с вала двигателя передается исполнительному органу (см. рис. 21, б).