Переходные процессы в машинах постоянного тока

Динамику машин постоянного тока можно исследовать по дифференциальным уравнениям (5.1)—(5.4). Для решения этих нелинейных уравнений необходимо применять ЭВМ. В настоящее время такие процессы, как пуск, самовозбуждение генераторов с параллельным возбуждением и другие, изучены достаточно подробно.

Пуск двигателей постоянного тока может осуществляться тремя способами: прямым включением в сеть, с помощью пускового резистора и при пониженном напряжении цепи якоря. При пуске необходимо обеспечить достаточный для быстрого разбега пусковой момент при токах, не опасных для двигателя.

Прямой пуск двигателей постоянного тока допускается для двигателей небольшой мощности, так как в первый момент при пуске, когда п = 0, в якоре машины протекают большие токи. При п = 0 и Е = 0 ток в обмотке якоря из формулы (5.80):

Внутреннее сопротивление небольшое, и ток при пуске может достигать (50-И00)/я |ЮМ. Такие токи могут ухудшить коммутацию, что может привести к перекрытию дугой коллектора. Прямым пуском обычно пускаются машины мощностью до сотен ватт, у которых внутреннее сопротивление большое и пусковой ток не превышает (5-И0)/я ном, а пуск протекает 1—2 с.

Пуск с помощью включения пускового резистора в цепь якоря является наиболее распространенным. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения показана на рис. 5.70.

Двигатель подключается к сети через пусковой реостат, который имеет три вывода. Зажим Л присоединяется к сети,

Схема пуска двигателя параллельного возбуждения

Рис. 5.70. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения

Ш — к обмотке возбуждения, Я — к якорю.

В первый момент пуска подвижной контакт присоединяется к контакту 1 и все сопротивление вводится в цепь якоря, а обмотка возбуждения соединяется напрямую с сетью.

Когда п = 0, ток в якоре

где Ru сопротивление пускового реостата.

Значение Ru подбирается так, чтобы в начальный момент ток в якоре не превышал (1,4-5-2,5)/я ном. Большие значения тока /я.ном относятся к машинам небольшой мощности.

По мере разгона двигателя пусковой реостат постепенно выводится и по окончании разбега двигателя он находится в положении 6 и якорь подключается напрямую в сеть. Длительное протекание тока по пусковому реостату недопустимо, гак как он рассчитан на кратковременный режим работы.

При отключении двигателя от сети обмотка возбуждения замыкается через цепь якоря и тем самым исключаются перенапряжения на обмотке возбуждения и возникновение дуги на контактах.

Промышленность выпускает станции управления, обеспечивающие автоматический пуск двигателей постоянного тока.

При пуске активное сопротивление пускового реостата изменяется ступенями и ток в якоре пульсирует. Пульсации тока вызывают пульсации электромагнитного момента, который равен произведению потока возбуждения и тока в якоре. Пульсации тока и момента вызывают пульсации частоты вращения (рис. 5.71). Установившийся режим наступает, когда Мт = Мс. В переходном режиме

При разгоне двигателя в обмотке якоря наводится ЭДС Е= сФсо. Электродвижущая сила уравновешивает приложенное напряжение, уменьшая ток в якоре, поэтому при пуске следует стремиться к тому, чтобы поток был максимален, т.е. сопротивление регулировочного резистора /?рег = 0. Двигатель последовательного возбуждения обладает большим пусковым моментом, так как поток возбуждения определяется током якоря.

Зависимости ю. /> Л/,м =/(0 при пуске

Рис. 5.71. Зависимости ю. /я> Л/,м =/(0 при пуске

При пуске и в установившемся режиме недопустимо отключение обмотки возбуждения от сети. Отключение — обрыв обмотки возбуждения — приводит к уменьшению потока возбуждения — уменьшению ЭДС и возрастанию тока в якоре. Увеличение тока в якоре приводит к возрастанию электромагнитного момента и частоты вращения. Говорят, что машина в этих условиях идет в разнос. Возрастание тока якоря и частоты вращения приводит к ухудшению коммутации и может кончиться аварией.

Пуск двигателей постоянного тока при благоприятном протекании переходных процессов осуществляется при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением. Примером применения такой схемы пуска является система генератор — двигатель. Однако эта система имеет высокую стоимость и применяется для пуска и регулирования частоты вращения машин постоянного тока большой мощности.

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения относится к переходным режимам, имеющим много общего с самовозбуждением асинхронного генератора (см. параграф 3.18). Для самовозбуждения необходим остаточный поток, который может составлять 1-^5% номинального потока возбуждения. Небольшая ЭДС от этого потока вызывает в якоре и обмотке возбуждения ток, который приводит к увеличению потока возбуждения, что приводит к новому увеличению потока возбуждения и т.д. Нарастание потока возбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение не достигает установившегося значения.

На рис. 5.72 упрощенно показан процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения. В переходном

режиме уравнение контура возбуждения

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

Рис. 5.72. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения:

XXX — характеристики холостого хода; /?„/„ — вольт-амперная характеристика обмотки возбуждения

где Lu индуктивность обмотки возбуждения (индуктивностью обмотки якоря можно пренебречь).

В установившемся режиме ток в контуре возбуждения определяется только активным сопротивлением. Производная di„

определяет скорость at

нарастания тока в обмотке возбуждения. Точка пересечения характеристики холостого хода и вольт-амперной характеристики определяет решение двух уравнений, которые заданы графически на рис. 5.72.

Самовозбуждения не будет, если характеристика холостого хода и вольт-амперная характеристика не пересекаются. Это возможно при слишком большом значении Ru и недостаточной частоте вращения, когда мала ЭДС (рис. 5.73). Самовозбуждения не будет, когда ЭДС от остаточного поля Еосг и ток в обмотке возбуждения от этой ЭДС действуют встречно.

Условие возбуждения генератора

Рис. 5.73. Условие возбуждения генератора

Следует отметить, что насыщение магнитной системы машины определяет установившийся режим работы машины с самовозбуждением. В ненасыщенной машине процесс самовозбуждения не устанавливается, так как характеристики холостого хода и вольт-амперная характеристика не пересекаются.

При уменьшении RB наклон прямой RJB уменьшается и она может касаться XXX. Дальнейшее уменьшение RB приведет к самовозбуждению машины (см. рис. 5.72). Активное сопротивление обмотки возбуждения, при котором еще возможно самовозбуждение, когда вольт-амперная характеристика касательна к характеристике холостого хода, называется критическим сопротивлением. Когда изменяется частота вращения генератора, говорят о критической частоте вращения, при которой характеристики холостого хода касаются вольт-амперной характеристики обмотки возбуждения.

Из сказанного выше следует, что напряжение на выводах генератора можно регулировать как путем изменения сопротивления в контуре возбуждения, так и путем изменения насыщения и частоты вращения.

Отключение двигателя от сети производится выключателем. За счет накопленной кинетической энергии выбег двигателя вместе с приводным механизмом может продолжаться некоторое время. Время выбега уменьшается, если обмотка возбуждения не отключается от сети. Тогда за счет потерь в стали двигатель останавливается быстрее.

Во многих случаях торможение следует осуществлять быстро, а иногда и точно (станки, лифты, транспорт). Возможны три основных типа быстрого останова двигателей постоянного тока: динамическое торможение, торможение противотоком и рекуперативное торможение.

При динамическом торможении якорь переключают на резистор R (рис. 5.74). Обмотка возбуждения ОВ остается подключенной к сети. Торможение в этом случае осуществляется быстрее, так как к потерям в стали в магнитопрово- де добавляются электрические потери в обмотке якоря и добавочном резисторе.

Торможение противотоком осуществляется путем изменения направления тока в якоре за счет переключения выводов якоря к сети (рис. 5.75). Эта схема применяется для быстрого останова двигателя, который проходит в трудных условиях ухудшения коммутации, быстрого выделения большого количества тепла. Для ограничения тока в якоре применяется добавочное сопротивление Rr

Схема динамического торможения

Рис. 5.74. Схема динамического торможения

н=Е

-г—

Д,

ов-

:

1 1R* V

-©>?

<

Рис. 5.75. Схема торможения противотоком

При рекуперативном торможении двигатель переводится в генераторный режим, а затем отключается от сети.

Рекуперативное торможение

Рис. 5.76. Рекуперативное торможение

Достоинство этого способа в том, что при рекуперативном торможении часть кинетической энергии отдается в сеть, а при других способах торможения кинетическая энергия преобразуется в тепло.

Для того чтобы двигатель перевести в генераторный режим, надо повысить ЭДС. Когда Е будет больше U, ток в якоре изменит направление и двигатель перейдет в генераторный режим (рис. 5.76). При рекуперативном торможении увеличивается поток возбуждения и ЭДС возрастает. Пока Е> U, в сеть будет отдаваться электрическая энергия. В генераторном режиме машина будет работать до определенной частоты вращения, так как увеличивать поток возбуждения можно в ограниченных пределах. Насыщение магнитопровода не позволит значительно увеличить поток возбуждения.

Рекуперативное торможение широко применяется на транспорте. Рекуперация может осуществляться двигателями параллельного и смешанного возбуждения (кривые 1 и 2 на рис. 5.76). Двигатели последовательного возбуждения не позволяют осуществлять рекуперацию энергии (кривая 3 на рис. 5.76).

Характер переходных процессов при включении на параллельную работу зависит от разности напряжений сети постоянного напряжения и подключаемой к сети машины. Когда напряжения сети и машины равны друг другу, броски тока минимальны.

При переходных процессах в машинах постоянного тока переходные токи влияют в первую очередь на коммутацию. Ухудшение коммутации ограничивает броски токов и определяет характер протекания переходных процессов и конструкцию машины постоянного тока.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >