Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию постоянного тока в механическую.

Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов переменного тока, производство двигателей постоянного тока в процентном отношении к производству двигателей переменного тока не сокращается, и они находят новые области применения.

Двигатели постоянного тока благодаря наличию механического преобразователя частоты — коллектора допускают плавное и экономичное регулирование частоты вращения. Это преимущество перед двигателями переменного тока обеспечивает возможность применения двигателей постоянного тока в электроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения. Двигатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных станов, станков, на транспорте и в других системах автоматизированного электропривода.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (см. рис. 5.46). Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением, когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока или на зажимы двигателя, и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением, когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.

На рис. 5.61 представлена энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения. Электрическая мощность Рь забираемая из сети, расходуется на покрытие потерь Z.P и преобразуется в механическую мощность Р2:

Потери — это мощность, которая в машине преобразуется в тепло. Сумма потерь

где Рп электрические потери в обмотке возбуждения; Р, — электрические потери в обмотке якоря; Рст — магнитные потери — потери в стали магнитопровода якоря; Рмех — механические потери; Рд добавочные потери.

Энергетическая диаграмма двигателя

Рис. 5.61. Энергетическая диаграмма двигателя

Электромагнитная мощность или мощность воздушного зазора Рэм =

= Р] - Р„ - Р, преобразуется в полезную механическую мощность и расходуется на покрытие потерь Рст + Рмех +

+ Рл-

Расчет потерь производится по тем же формулам, что и для генератора.

Электромагнитный момент двигателя

Электромагнитный момент уравновешивает момент на валу машины и момент, связанный с потерями Рст, Рмех и Рд. Для двигательного режима U> Е и

откуда

Так как из формулы (5.15) Е = сФсо, тогда из формулы (5.79) частота вращения

Частота вращения пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна потоку.

Если из (5.8) определить

то, подставляя выражение (5.82) в формулу (5.81), получаем

Это выражение описывает механическую характеристику двигателя со =/(М) при U = const.

Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие и механические характеристики. Характеристики холостого хода и короткого замыкания снимаются так же, как и в генераторном режиме.

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения представлены на рис. 5.62. Это — зависимости М, Р], со, /я и ц =/(^2) при постоянном напряжении сети U и неизменном положении реостата в цепи обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент на валу двигателя М, а частота вращения немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности Ph забираемой из сети, и росту тока якоря /я. Зависимость КПД от нагрузки имеет такой же вид, как и для других электрических машин.

Зависимости Р, /я, r| = f(P>) мало изменяются для двигателей с различными схемами возбуждения. Отличаются только характеристики со = /(Р2)‘

Характеристика со = /(М) при постоянном напряжении сети и неизменных сопротивлениях регулировочных реостатов называется механической характеристикой двигателя. На рис. 5.63 представлены механические характеристики двигателей постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Механические характеристики двигателей при различных схемах возбуждения

Рис. 5.63. Механические характеристики двигателей при различных схемах возбуждения:

1 — параллельное; 2 — последовательное; 3 — смешанное при согласном включении обмоток

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения

Рис. 5.62. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения — жесткая. Двигатель последовательного возбуждения имеет удобную для транспортных установок механическую характеристику, когда с уменьшением частоты вращения растет момент. Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения — промежуточная между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.

В двигателях последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря, поэтому из формулы (5.82)

так как Ф = кф1я.

В двигателях параллельного возбуждения момент пропорционален потоку, а в двигателях последовательного возбуждения — квадрату тока, поэтому двигатели последовательного возбуждения имеют большой пусковой момент и большую перегрузочную способность.

Двигатели последовательного возбуждения из-за особенностей своей механической характеристики не могут применяться в электроприводах, в которых возможно уменьшение момента сопротивления до нуля, что приведет к уменьшению тока в якоре и снижению потока, и двигатель пойдет в разнос. При этом увеличится частота вращения и машина может выйти из строя.

Устойчивая работа двигателя с нагрузкой зависит от вида механической характеристики двигателя и нагрузки (рис. 5.64). Критерий устойчивой работы двигателя

При выборе двигателя для той или иной нагрузки следует помнить о критерии устойчивости.

Частоту вращения двигателей постоянного тока исходя из формулы (5.81) можно регулировать путем изменения напряжения, введения сопротивления в цепь ротора и изменения потока. Наиболее распространенный способ регулирования частоты вращения — изменение потока возбуждения путем регулирования тока в обмотке возбуждения. Наиболее простой способ регулирования тока возбуждения — варьирование сопротивления регулировочного резистора в контуре возбуждения (см. рис. 5.46, а, б).

К устойчивости работы двигателя

Рис. 5.64. К устойчивости работы двигателя

При изменении тока возбуждения согласно формуле (5.83) имеют место механические характеристики такие, как это показано на рис. 5.65. Таким способом можно регулировать частоту вращения в пределах 1:1,5, 1:2. Глубокое уменыпение потока недопустимо, поскольку при нагрузке реакция якоря будет «опрокидывать» поле возбуждения, что приведет к неустойчивой работе двигателя. Увеличепие потока в обычных двигателях параллельного возбуждения нецелесообразно, так как магнитная система двигателей насыщена. При увеличении массы двигателя и принятии специальных мер можно увеличить пределы регулирования частоты вращения в ненасыщенных двигателях до 1:5. Хотя этот способ обеспечивает сравнительно небольшие пределы регулирования частоты вращения, он является экономичным и находит широкое применение, когда пределы изменения частоты вращения небольшие.

Регулирование частоты вращения путем изменения потока возбуждения

Рис. 5 65. Регулирование частоты вращения путем изменения потока возбуждения

Регулирование частоты вращения путем введения Rper позволяет изменять частоту вращения в широких пределах, но этот способ неэкономичен, поскольку регулировочный резистор включается в силовую цепь и на нем выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока нагрузки.

Механические характеристики при этом способе регулирования показаны на рис. 5.66. Механические характеристики при различных 7?рег выходят из одной точки, так как при холостом ходе (7Я * 0) 7?рег практически не влияет на падение напряжения. При регулировании частоты вращения путем изменения тока возбуждения механические характеристики сходятся вблизи точки /я = 7Я к, где 7Я к — установившийся ток короткого замыкания. Он определяется внутренним сопротивлением двигателя и напряжением, которое равно напряжению сети.

'. Регулирование частоты вращения путем изменения сопротивления в цепи якоря

Рис. 5.66'. Регулирование частоты вращения путем изменения сопротивления в цепи якоря

Регулирование частоты вращения путем введения сопротивления в цепь якоря применяется в двигателях последовательного и смешанного возбуждения. В двигателях последовательного возбуждения для регулирования частоты вращения применяется также шунтирование обмотки возбуждения активным со- I фотивлением. При тех же i ipcделах регулирования частоты вращения последовательное включение /?рег в цепь якоря и шунтирование обмотки возбуждения дают одни и те же технико-экономические показатели.

Лучшие механические характеристики и меньшие потери в двигателе постоянного тока достигаются при регулировании частоты вращения за счет подводимого к двигателю напряжения. Но, как и в машинах переменного тока, при этом способе регулирования частоты вращения необходимо иметь громоздкое устройство, обеспечивающее регулирование напряжения. Обычно это электромашинное устройство. При наличии сети переменного тока это устройство состоит из двух электрических машин: асинхронного или синхронного двигателя и генератора постоянного тока. В автономных системах вместо приводного электродвигателя, вращающего генератор постоянного тока, применяются дизели, двигатели внутреннего сгорания и паровые или газовые турбины.

Способ регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока путем изменения подводимого к якорю напряжения обеспечивает широкие пределы регулирования. Этот способ по существу сходен с частотным регулированием в машинах переменного тока, так как закон изменения напряжения и частоты близок к U/f = const и регулирование происходит при постоянном потоке. Механический преобразователь частоты — коллектор изменяет частоту переменного тока, протекающего в якоре, пропорционально напряжению, приложенному к обмотке якоря. Классической схемой регулирования частоты вращения за счет приложенного к якорю напряжения является схема генератор — двигатель (рис. 5.67). В этой схеме якорь генератора не-

Система генератор — двигатель

Рис. 5.67. Система генератор — двигатель:

ПД — приводной двигатель; ОВГ — обмотка возбуждения генератора; Др г, /?р д — резисторы в цепи обмотки генератора и двигателя

зависимого возбуждения питает двигатель. Напряжение на генераторе Г и двигателе Д изменяется за счет изменения тока в обмотке возбуждения генератора О В Г. Генератор вращается приводным двигателем, который может быть асинхронным двигателем при наличии сети переменного тока или двигателем постоянного тока. Частота вращения генератора постоянная.

Частота вращения двигателя и приводного механизма ПМ регулируется как за счет напряжения, так и за счет регулирования тока в обмотке возбуждения двигателя ОВД. При изменении напряжения в схеме генератор — двигатель механические характеристики изменяются так, как это показано на рис. 5.68.

Схема генера тор — двигатель позволяет изменять частоту вращения двигателя в пределах 1:25, 1:100 и выше. При этом осуществляется экономичное регулирование, но требуется три электрические машины. Эта схема позволяет осуществлять реверс путем изменения направления тока в обмотке возбуждения генератора.

На рис. 5.69 показано изменение момента, тока в якоре и частоты вращения от напряжения. Достоинство системы генератор — двигатель также в том, что регулирование частоты вращения происходит при неизменном токе в якоре.

В связи с успехами полупроводниковой техники схема Г — Д вытесняется тиристорными электроприводами, в которых приводной двигатель и генератор заменяются силовым полупроводниковым преобразователем. Несмотря на замену двух машин силовым преобразователем на транзисторах или тиристорах, схема Г — Д будет применяться в реверсив-

Регулирование частоты вращения в системе генератор — двигатель

Рис. 5.68. Регулирование частоты вращения в системе генератор — двигатель

Изменение момента, тока в якоре и частоты вращения при реверсе в системе генератор — двигатель ных приводах, так как имеет высокую перегрузочную способность и не ухудшает качество электроэнергии

Рис. 5.69. Изменение момента, тока в якоре и частоты вращения при реверсе в системе генератор — двигатель ных приводах, так как имеет высокую перегрузочную способность и не ухудшает качество электроэнергии в сетях.

В последние годы внедряется частотное регулирование машин переменного тока. Однако появление новых схем с полупроводниковыми преобразователями частоты не вытесняет двигатели постоянного тока, которые по-прежнему находят широкое применение в электроприводах. Двигатели постоянного тока изготовляются мощностью от нескольких ватт до 10 000 кВт, причем верхний предел частоты вращения ограничивается коммутацией, а нижний — устойчивостью в работе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >