Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

В соответствии с полученными во 2-ой главе (с. 28) выражениями для электромеханической

(5.23)

и механической

(5.24)

характеристик двигателя постоянного тока для управления работой двигателя возможно воздействовать на такие параметры как напряжение на якоре U_я, магнитный поток Ф и сопротивление его якорной цепи R_я.

На рис. 5.5 приведены искусственные характеристики двигателя постоянного тока. Рис. 5.5, а иллюстрирует семейство так называемых реостатных характеристик, получаемых при введении в цепь якоря добавочных сопротивлений R_д различной величины. В соответствии с принципиальной схемой в процессе регулирования изменяется суммарное сопротивление якорной цепи

. (5.25)

При этом согласно выражению (5.24) скорость идеального холостого хода (без нагрузки, М_с = 0 ) не зависит от величины введенного добавочного сопротивления

. (5.26)

Однако, как это следует из выражения (5.24), одновременно с этим наклон – жесткость механической характеристики с учетом, что

(5.27)

тем больше, чем больше величина добавочного сопротивления R_д.

Этот способ находит применение при невысоких требованиях к показателям качества регулирования скорости:

- диапазон регулирования не превышает 3:1;

- плавность регулирования определяется характером изменения R_д – количеством ступеней реостата и, как правило, обеспечивает лишь ступенчатое регулирование скорости;

- стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования, поскольку с увеличением величины R_д уменьшается жесткость (увеличивается наклон) регулировочных характеристик;

- низкая экономичность регулирования скорости (большие тепловые потери электроэнергии в добавочном сопротивлении), составляющая при диапазоне регулирования 2:1 не более 50 % и снижающаяся с увеличением диапазона регулирования.

На рис. 5.5, б приведены искусственные характеристики двигателя при изменении магнитного потока. Регулирование скорости изменением потока осуществляется только в сторону его уменьшения – ослабления магнитного поля двигателя. Уменьшение потока согласно уравнению механической характеристики (5.24) вызывает как увеличение скорости идеального холостого хода (5.26),

Рис. 5.5. Схемы включения и характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при реостатном регулировании скорости (а), изменении магнитного потока (б),

изменении напряжения на якоре (в)

так и жесткости механической характеристики (5.22), (5.27), а, соответственно, и уменьшения момента короткого замыкания

. (5.28)

Показатели качества такого способа регулирования скорости следующие: диапазон регулирования до 3:1 в сторону увеличения скорости относительно естественной характеристики; плавность регулирования определяется плавностью регулирования тока возбуждения; стабильность регулирования снижается при уменьшении магнитного потока; экономичность высокая, поскольку ток возбуждения относительно тока якоря невелик и регулирование не сопровождается значительными потерями мощности, а его реализация не требует существенных капитальных затрат.

Изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, при номинальном потоке (см. рис. 5.5, в) является в регулируемом электроприводе постоянного тока основным способом регулирования скорости. Изменения напряжения осуществляют в сторону его снижения по сравнению с номинальным значением. Как следует из (5.24), при изменении U_я пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода ω₀, а жесткость механических характеристик при любом уровне напряжения одинакова. Поэтому механические характеристики при U_я = var имеют вид параллельных прямых.

Реализация этого способа предусматривает питание якоря двигателя от силового электронного преобразователя (принцип действия и варианты схем которого рассмотрены в гл. 3).

При таком способе регулирования скорости диапазон регулирования определяется жесткостью естественной механической характеристики и может достигать 15:1 в сторону уменьшения скорости относительно естественной характеристики. Этот способ обладает самыми высокими показателями по плавности и стабильности регулирования. Важным достоинством является высокая экономическая эффективность регулирования (потери энергии в тиристорах не превышают 1…2 % номинальной мощности электропривода).

Следует также отметить, что в современном автоматизированном электроприводе при необходимости расширения диапазона регулирования скорости используют два канала воздействия на электродвигатель: при регулировании скорости в сторону вниз от естественной характеристики – изменением подводимого к якорю напряжения; при регулировании скорости вверх от естественной характеристики – изменением напряжения обмотки возбуждения (изменением магнитного потока машины). При этом для реализации такого способа регулирования необходимо два тиристорных преобразователя (см. рис. 5.6), а диапазон регулирования скорости может достигать до 50:1.