Основные энергетические режимы электродвигателей постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра: Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий

 

 

 

Управляемая самостоятельная  работа

«Основные энергетические режимы электродвигателей постоянного тока.  Способы регулирования частоты вращения электродвигателей»

 

 

 

                              Выполнила:

студентка 4 курса, 9 т группы

                                                                                                 Адамович А.В.

Руководитель:Шаукат И.Н.

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

Электропривод с  двигателем Постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения  ДПТ НВ приведена на рис. 1. где  приняты следующие обозначения: ОВ — обмотка возбуждения; R_доб — добавочный резистор в цепи якоря; R_рег — регулировочный резистор в цепи возбуждения; U — напряжение сети, В; R_я — внутреннее сопротивление якорной цепи, Ом; I, I_в — токи в цепях якоря и возбуждения, А; U_в — напряжение питания обмотки возбуждения, В; Е — ЭДС якоря, В.

Рис. 1.5. Схема включения ДПТ НВ

При работе ДПТ НВ возможны следующие энергетические режимы (рис. 1.7):

• двигательный — М > О, w₀ > w > О (участок I);
• идеального холостого хода — М = 0, w₀ = U/(kФ_ном);
• генераторный параллельно с сетью (рекуперативного торможения) — М < 0, w > w₀ (участок II);
• короткого замыкания — М =М_к.з , w = 0;
• генераторный последовательно с сетью (торможения проти- вовключением) — М > М_к.э , w < 0 (участок III).

 

Рис. 1.7. Энергетические режимы работы ДПТ НВ

В двигательном режиме Е <U, ток I = (U-Е)/R совпадает по направлению с напряжением U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия поступает из сети, а механическая передается с вала электродвигателя исполнительному органу.

В режиме рекуперативного генераторного торможения со w > w₀, поэтому Е > U, ток и момент изменяют свои направления на противоположные. Двигатель преобразует механическую энергию рабочей машины в электрическую и отдает ее (рекуперирует) в сеть.

Режим короткого  замыкания возникает при w = 0 и Е = 0. В этом режиме I = I_{К. З} = U/R, электрическая энергия, поступая из сети, рассеивается в виде теплоты в резисторах якорной цепи.

Торможение противовключением происходит при w < 0. ЭДС при изменении направления вращения изменяет полярность. При этом ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется как I = (U + Е)/R. В результате этого электроэнергия поступает из сети и вырабатывается самим двигателем за счет механической энергии рабочей машины, а затем рассеивается в виде теплоты на сопротивлении цепи якоря.

Схема включения ДПТ НВ в режиме динамического торможения (или автономного генератора) изображена на рис. 1.8. Электромеханическая и механическая характеристики в этом режиме (при U=0) имеют соответственно вид:

 

Способы регулирования  частоты вращения электродвигателя.  

Частота вращения электродвигателя постоянного тока

 

п = [U - I_а(ΣR_а + R_до6 )]/(с_еФ).

 

Следовательно, ее можно  регулировать тремя способами:

1) включением добавочного  реостата R_доб в цепь обмотки якоря;

2) изменением магнитного  потока Ф; 

3) изменением питающего  напряжения U.

 

 

 

На примере двигателя  с параллельным возбуждением рассмотрим принципиальные особенности, свойственные этим способам регулирования.

Включение реостата в цепь якоря. При включении реостата в цепь якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата:

(8.108)

n =	U - Ia(∑Ra + Rдоб )	=	U	-	Ia(∑Ra + Rдоб )	= n0 - Δn.
	ceФ		ceФ		ceФ

 

Это показано на рис. 8.66, где  приведены скоростные и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением: 1 — естественная (при R_доб = 0); 2 — реостатная (приR_доб > 0). Частоты вращения при холостом ходе для обеих характеристик равны, значения A_n(уменьшение частоты вращения при нагрузке) различны. При одном и том же токе якоря Δn_ест /Δn_реост = ΣR_a /(ΣR_a + R_доб ). Чем больше добавочное сопротивление R_доб , тем круче с увеличением нагрузки падает частота вращения.

Механические характеристики n = f(M) двигателя с параллельным возбуждением можно получить из скоростных характеристик n = f(I_a) путем изменения масштаба по оси абсцисс, так как для двигателя этого типа М = с_МФI_a = cI_a (момент пропорционален току якоря).

Основным недостатком  данного метода регулирования является возникновение больших потерь энергии  в реостате (особенно при низких частотах вращения), что видно из соотношения

(8.109)

Δп/п₀ = I_a(ΣR_a + R_доб)/U = I_a²(ΣR_a + R_доб)/(UI_a) = ΔР_эл /Р₁,

где ΔР_эл — электрические потери в цепи якоря; Р₁ — мощность, подведенная к якорю.

Рис. 8.66. Скоростные и механические характеристики двигателя  с параллельным возбуждением при  регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь якоря

 
Решая уравнение (8.109) относительно ΔР_эл , получаем

(8.110)

ΔР_эл = Р₁Δп/п₀ = Р₁ (п₀ - п)/п₀,

т.е. с уменьшением частоты  вращения якоря потери линейно возрастают.

Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать частоту  вращения (по сравнению с частотой при естественной характеристике). Иногда существенным является то обстоятельство, что при включении в цепь якоря  значительного сопротивления характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими), вследствие чего небольшие изменения нагрузочного момента приводят к большим изменениям частоты вращения.

Изменение магнитного потока. Чтобы изменить магнитный поток, необходимо регулировать ток возбуждения двигателя. При различных магнитных потоках Ф₁ и Ф₂ частота вращения определяется формулами

(8.111)

n1 = U - Ia∑Ra = U - Ia ∑Ra = n01 - Δn1. ceФ1 ceФ1 ceФ1 n2 = U - Ia∑Ra = U - Ia ∑Ra = n02 - Δn2. ceФ2 ceФ2 ceФ2

}

В двигателе с параллельным возбуждением, например, частота вращения при холостом ходе и падение частоты  вращения изменяются обратно пропорционально  изменению магнитного потока:

(8.112)

п₀₂/п₀₁ = Δп₂/Δп₁ = Ф₁/Ф₂.

Таким образом, скоростные характеристики 1 и 2 двигателя при различных магнитных  потоках Ф₁ и Ф₂ не являются параллельными (рис. 8.67,а). Эти характеристики пересекаются в точке Апри частоте вращения, равной нулю, так как в данном случае ток I_ак не зависит от потока:

(8.113)

I_ак = U/ΣR_a

и определяется значениями напряжения и сопротивления цепи якоря. Значение тока I_ак при n = 0 называют током короткого замыкания.

Механические характеристики для двигателя с параллельным возбуждением строят на основании следующих  соображений. Каждая из механических характеристик  является практически линейной (если пренебречь реакцией якоря) и может  быть построена по двум точкам: точке  холостого хода, в которой момент равен нулю, и точке короткого  замыкания, в которой момент максимален.

Рис. 8.67. Скоростные и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением при  регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

Сравнивая моменты при  коротком замыкании, соответствующие  различным значениям магнитного потока, получаем

(8.114)

М_к1/М_к2 = с_МФ₁I_ак /(с_МФ₂I_ак) = Ф₁/Ф₂.

Таким образом, с уменьшением  магнитного потока частота вращения при холостом ходе возрастает, а  момент при коротком замыкании снижается. Следовательно, механические характеристики, построенные при различных значениях  магнитного потока, пересекаются при  некотором значении момента М_кр и частоте вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но большей нуля (рис. 8.67, б). Из рассмотрения механических характеристик видно, что при значениях нагрузочного момента, меньших М_кр , уменьшение потока ведет к увеличению частоты вращения (см. точки С₁ и С₂ при нагрузочном моменте M_н1). При значениях нагрузочного момента, больших М_кр , уменьшение потока приводит к уменьшению частоты вращения (см. точки С'₁ и С'₂ при нагрузочном моменте M_н2).

В двигателях параллельного  возбуждения средней и большой  мощности уменьшение потока используют для повышения частоты вращения (рис. 8.68,а). В микродвигателях, наоборот, магнитный поток уменьшают для снижения частоты вращения.

Аналогично располагаются  и механические характеристики у  двигателей с последовательным возбуждением; в двигателях большой и средней  мощности при уменьшении магнитного потока частота вращения возрастает рис. 8.68,б).

Уменьшение магнитного потока в двигателях последовательного  возбуждения осуществляют путем  включения регулировочного реостата R_p.в параллельно обмотке возбуждения ОВ (рис. 8.69), вследствие чего ток возбуждения

(8.115)

I_в = I_а R_p.в /(R_в + R_p.в ) = βI_а ,

где R_p.в — сопротивление регулировочного реостата, включенного параллельно обмотке возбуждения; β = I_в/I_а — коэффициент регулирования возбуждения.

Рис. 8.68. Механические характеристики двигателей: 1 — при нормальном возбуждении; 2 — при уменьшении магнитного потока

При включении реостата R_p.в параллельно обмотке возбуждения требуемое распределение тока I_а между обмоткой и реостатом обеспечивается только при стационарном режиме. При переходных процессах, когда токиI_а и I_в изменяются, в обмотке возбуждения возникает значительная ЭДС самоиндукции, под действием которой ток I_в уменьшается по сравнению с его значением при стационарном режиме, а ток I_р.в возрастает, т. е. происходит значительное ослабление возбуждения. Наиболее опасен этот режим для двигателей электрифицированного транспорта (электровозов, электропоездов, трамваев, троллейбусов). При отключении двигателя от сети и последующем включении (при отрыве токоприемника от контактного провода) в первый момент почти весь ток I_а идет по реостату R_p.в , a ток I_в весьма мал. Это приводит к значительному возрастанию тока I_а из-за резкого уменьшения ЭДС Е, индуцированной в обмотке якоря. Практически при этих условиях возникает резкий бросок тока I_а, сопровождающийся нарушением нормальной коммутации и образованием кругового огня.

Рис.   8.69.   Схема   включения регулировочного   реостата   в двигателе с последовательным возбуждением

Чтобы обеспечить при переходных процессах такое же распределение  тока Iа между обмоткой возбуждения и реостатом R_p.в , как и при стационарном режиме, последовательно с реостатом включают индуктивный шунт ИШ (катушку с ферромагнитным сердечником). Индуктивность его выбирают так, чтобы отношение индуктивностей реостата и обмотки возбуждения было приблизительно равно отношению их сопротивлений.