Механическая характеристика дпт независимого возбуждения

Обычная схема включения двигателя по­стоянного тока независимого возбуждения представлена на рис. 3.1. Якорь двигателя М и его обмотка возбуждения ОВ обычно получают питание от разных, независимых друг от друга источников (преобразователей) напряжения U

Рис. 3.1. Схема включения двига­теля постоянного тока независи­мого возбуждения.

и U_B, что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре двигателя и на обмотке возбуждения и выполнять их на разное номинальное напряжение. Лишь при нали­чии сети постоянного тока или при нерегулируемом пре­образователе в якорной цепи обмотка возбуждения пита­ется от того же источника напряжения, что и якорь дви­гателя. Но и в этом случае ток возбуждения I_в не зависит от тока I якоря двигателя.

Направления тока I и ЭДС вращения двигателя Е, показанные на рис. 3.1, соответствуют двигательному режиму работы, когда электрическая энергия потребляется двигателем из сети (от источника напряжения U) и пре­образуется в механическую энергию, мощность которой равна Р = Мω. Зависимость же между М и ω двигателя определяется его механической характеристикой.

Аналитическое выражение механической характери­стики двигателя может быть получено из уравнения равно­весия напряжений, составленного для якорной цеди схемы (рис. 3.1). При установившемся режиме работы двигателя приложенное напряжение U, В, уравновешивается паде­нием напряжения в якорной цепи IR и наведенной в якоре ЭДС вращения Е, В, т. е.

здесь I — ток в якорной цепи двигателя, A; R — суммар­ное сопротивление якорной цепи, Ом, включающее внеш­нее сопротивление резистора R_p и внутреннее сопротивле­ние якоря двигателя R_я (при наличии дополнительных полюсов учитывается и их сопротивление);

где k — коэффициент, зависящий от конструктивных дан­ных двигателя, k = pN/2πa (p — число пар полюсов двигателя; N — число активных проводников обмотки якоря; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря); Ф и ω — соответственно магнитный поток, Вб, и угловая скорость двигателя, рад/с.

Если в (3.1) вместо Е подставим ее значение Е из (3.2), то получим уравнение для скорости двигателя

Уравнение (3.3) представляет собой зависимость ско­рости двигателя от тока якоря. Такую зависимость ω = f(I) называют электромеханической ха-рактеристикой двигателя.

Для получения уравнения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента дви­гателя. Это легко сделать, если учесть, что момент, Н∙м, развиваемый двигателем, связан с током якоря и магнит-

ным потоком простой зависимостью, а именно 1 :

Подставив в (3.3) значение тока I, найденное из (3.4), получим выражение для механической харак­теристики:

Коэффициент с принимается постоянным, не зависящим от нагрузки, если у двигателя с независимым возбужде­нием имеется компенсационная обмотка. Он может счи­таться неизменным, если для обычных двигателей прене­бречь реакцией якоря.

Механическая характеристика двигателя при неизмен­ных параметрах U, Ф и R представляется прямой линией. Ниже показано, что, изменяя тот или иной параметр меха­нической характеристики, можно при определенном моменте сопротивления на валу двигателя получать различные скорости двигателя, т. е. регулировать скорость электро­привода.

Здесь же рассмотрим влияние лишь одного параметра, а именно сопротивления якорной цепи, поскольку это необходимо для выяснения основных определений, связан­ных с понятием о механической характеристике для раз­личных режимов работы двигателя.

На рис. 3.2 представлены механические характери­стики двигателя независимого возбуждения для различных сопротивлений якорной цепи. Как видно из (3.5), при М = 0 все характеристики проходят через одну точку, лежащую на оси ординат. Угловая скорость в этой точке имеет вполне определенное значение, не зависящее от со­противления якорной цепи. Эта скорость носит название

1 Приведенным уравнением определяется электромагнитный момент двигателя. Момент на валу двигателя будет меньше электромагнит­ного момента на значение, соответствующее потерям в стали и механи­ческим потерям. Однако для практических расчетов можно пользо­ваться уравнениями механических характеристик, где приводится электромагнитный момент.

с к о р о с т и и д е а л ь н о г о х о л о с т о г о х о д а и определяется выражением

При скорости идеального холостого хода, когда ток в якорной цепи равен нулю, ЭДС якоря, направленная навстречу приложенному напряжению, равна ему по абсо­лютному значению. Если двигатель до приложения на­грузки работал с угловой скоростью ω₀, то при появлении на его валу момента сопротивления угловая скорость будет снижаться. Следствием этого будет уменьшение ЭДC вращения Е согласно (3.2) и увеличение тока якоря в соот­ветствии с (3.1) и момента двигателя по (3.4). Угловая

Рис. 3.2. Естественная характери­стика и семейство реостатных ме­ханических характеристик двига­теля постоянного тока независи­мого возбуждения.

скорость будет снижаться до тех пор, пока момент двига­теля не сравняется с моментом сопротивления. Разность значений установившихся скоростей электропривода до и после приложения заданной статической нагрузки назы­вается с т а т и ч е с к и м п а д е н и е м (перепадом) скорости элект ропривода.

Второй член (3.6) характеризует собой статическое падение угловой скорости (перепад) относительно угловой скорости идеального холостого хода:

Таким образом, уравнение для скорости двигателя может быть записано так:

Верхняя характеристика из семейства, приведенного на рис. 3.2, носит название естественной. Е с т е с т в е н —

ной характеристикой называется т а­кая характеристика двигателя, к о т о ­рая получается при отсутствии в н е ш­ них резисторов в якорной цепи и н о­минальных значениях напряжения и магнитного потока двигателя. Жесткость естественной характеристики зависит от внутреннего со­противления якорной цепи двигателя R_я. Внутреннее сопротивление якорной цепи включает собственное сопро­тивление якорной обмотки, сопротивление обмотки допол­нительных полюсов, компенсационной обмотки и щеток. Соответственно перепад скорости для естественной харак­теристики

По (3.9) определяется статическое падение скорости для любой из характеристик двигателя независимого воз­буждения, представленных на рис. 3.2. Например, при дополнительно включенном реостате, имеющем сопротив­ление R_р, статическое падение скорости определится из соотношения

Разделив (3.10) на ω₀, получим статическое падение скорости в относительных единицах:

Статическое падение скорости в относительных едини­цах Δω_* аналогично скольжению асинхронного двигателя, хотя скольжение для двигателей постоянного тока не имеет того физического смысла, как у асинхронных двигате­лей.

Если в якорную цепь двигателя включен дополнитель­ный резистор (реостат), то механические характеристики, получаемые при этом, называются искусственными или реостатным и. Эти характеристики пересекаются все в одной точке ω₀. Реостатные характеристики так же ли­нейны, как и естественная характеристика, но имеют зна­чительно больший наклон к оси моментов, т. е. обладают меньшей жесткостью. Чем больше введенное в цепь якоря сопротивление резистора, тем круче идет характеристика, тем меньше ее жесткость.

Электрический двигатель, в отличие от двигателей других типов, способен сам автоматически разгоняться до скорости установившегося режима работы, снижать скорость при увеличении момента сопротивления и из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью, увеличивать скорость при уменьшении момента сопротивления и переходить из установившегося режима с меньшей скоростью к установившемуся режиму с большей скоростью. Эта особенность электрического двигателя объясняется тем, что между скоростью вращения и вращающим моментом двигателя существует зависимость ω=f(М), в соответствии с которой с увеличением момента скорость уменьшается и наоборот. Называют эту зависимость механической характеристикой двигателя.

С помощью механической характеристики можно определить основные свойства электрического двигателя и проверить их соответствие требованиям технологической машины.

Оси абсцисс и ординат, по которым откладываются соответственно величины М и ω, разделяют плоскость на четыре квадрата. Первый номер принято присваивать верхнему правому квадрату, а остальные нумеровать против часовой стрелки.

В первом квадранте знаки М и ω, а значит и направление величин, совпадает. Поэтому в нём располагаются механические характеристики для двигательного режима работы электрической машины. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в третьем квадранте, так как знаки М и ω отрицательны.

Во втором квадранте скорость ω положительна, а момент М имеет отрицательный знак. Поэтому в нём располагаются механические характеристики, соответствующие режиму электрического торможения, когда под действием инерционных сил направление вращения сохраняется, а направление момента за счёт изменения схемы включения двигателя изменяется на противоположное. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в четвёртом квадранте, так как в нём ω имеет отрицательный знак, а М – положительный.

Схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением приведена на рис. 2.1.

Якорь двигателя и обмотка возбуждения LM получает питание от независимых источников напряжения U и U_в. Поэтому ток в обмотке возбуждения І_в не зависит от тока якоря І_я. Мощность источника U_в не превышает 15% от мощности источника U.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению к направлению U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

,

где ω – угловая скорость двигателя;

Рис. 2.1 – Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Ф –поток двигателя;

– конструктивный коэффициент двигателя, данные, для расчёта которого приводятся в справочниках.

Здесь р – число пар полюсов двигателя; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока I_я, как и направление Е, на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя I_я.доп. ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток I_я.н. более чем в 2,5 раза — I_я.доп. ≤ 2,5∙ I_я.н..

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя, уравновешивается падением напряжения в якорной цепи I_ЯR_ЯЦ и наведённой в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

,

где – суммарное сопротивление якорной цепи.

Здесь R_Я – сопротивление обмотки якоря; R_ДП – сопротивление обмотки дополнительных полюсов; R_КО – сопротивление компенсационной обмотки; R_П – сопротивление пускового реостата.

Величина I_Я в установившемся режиме будет равна:

.

В режиме пуска Е=0, поэтому из–за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток I_яп может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого R_п выбирается таким образом, чтобы I_ЯП ≤ I_я.доп..

.

В цепи питания LM включён реостат с сопротивлением R_В. С его помощью уменьшается ток в обмотке возбуждения. В результате поток двигателя Ф ослабляется, становясь меньше номинального значения Ф≤Ф_н.

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е, её значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя ω от тока якоря I_Я ω=f(I_Я), которая называется электромеханической характеристикой:

.

Вращающий момент двигателя М связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью М=кФI_Я. Подставив в уравнение электромеханической характеристики значения для тока I_Я=М/кФ, получим выражение для механической характеристики ω=f(М):

или ,

где с=кФ – коэффициент, принимаемый постоянным и не зависящим от тока якоря, если у двигателя имеется компенсационная обмотка или если реакцию якоря не учитывать.

При неизменных параметрах U, Ф, R_ЯЦ уравнение механической характеристики есть уравнение прямой линии.

В режиме идеального холостого хода М_с=0 и М=0, поскольку в установившемся режиме двигатель работает с М=М_с. Тогда

,

где ω₀ –скорость идеального холостого хода.

При увеличении момента сопротивления скорость установившегося режима уменьшается на величину статического падения скорости Δω_с, которое равно:

.

Таким образом, уравнение для механической характеристики двигателя можно записать в следующем виде:

.

Механическая характеристика двигателя, которая получается при отсутствии внешних сопротивлений в якорной цепи (R_П=0) и номинальных значениях потока двигателя (Ф=Ф_н) и напряжения на якоре (U=U_н) называется естественной характеристикой. Следует отметить, что выполнение двух первых условий не вызывает трудностей. Третье условие (U=U_н) выполняется в том случае, если якорная цепь двигателя питается от источника бесконечной мощности или в замкнутой системе преобразователь-двигатель с обратной связью по напряжению преобразователя и астатическим регулятором напряжения.

Построить естественную характеристику, учитывая её линейность, можно по двум точкам – точке идеального холостого хода с координатами (М=0; ω=ω₀) и точке, соответствующей номинальному режиму работы (М=М_н; ω=ω_н). На основании паспортных данных двигателя (Р_н, U_н, І_н, n_н) можно найти:

.

Естественная характеристика приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 — Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

При скорости двигателя ток ω=ω₀ І_Я=0, так как э.д.с. вращения Е=U и направлена по отношению к нему встречно. Работать в двигательном режиме со скоростью ω=ω₀ двигатель не может, так как даже при отсутствии нагрузки со стороны технологической машины трение в подшипниках и крыльчатка вентилятора создают момент сопротивления холостого хода М_схх. Двигатель в установившемся режиме будет работать с М= М_схх и ω=ω_хх 0.

Найти величину ω_хх можно, изобразив в одном квадрате с механической характеристикой двигателя механическую характеристику технологической машины. Если предположить, что М_с не зависит от скорости, то через точку с координатами (ω=0; М=М_схх) необходимо провести вертикальную прямую до её пересечения с механической характеристикой двигателя (точка А). В точке А М=М_с, а её проекция на ось ординат равна ω_хх.

При увеличении момента сопротивления от М_схх до М_с=М_н появится отрицательный динамический момент М_Д

Благодаря тому, что в обмотке якоря наводится э.д.с. вращения Е, двигатель при увеличении М_с автоматически, снизив скорость вращения и увеличив вращающий момент, перешёл из установившегося режима с большей скоростью (ω_х.х.в точке А) в установившийся режим с меньшей скоростью (ω_н в точке В).

Статически падение скорости на естественной характеристике равно:

.

Если сопротивление пускового реостата R_П>0, то Δω_с при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике:

.

Поскольку величина ω₀ не зависит от величины R_П, то получаемая в этом случае характеристика, которая называется искусственной или реостатной, будет начинаться в той же точке, что и естественная, но проходить с большим наклоном к оси абсцисс.

Якорный ток I_я и момент двигателя М связаны прямой пропорциональной зависимостью. Поэтому ограничение с помощью R_п пускового тока значением I_я.доп.≤2,5 I_ян автоматически ограничивает и допустимое значение пускового момента М_доп≤2,5М_н. Механическая характеристика на рис. 2.2 в этом случае пересекает ось абсцисс в точке с координатами (ω=0; М=М_доп=2,5М_н) и называется предельной пусковой. Реостатные характеристики, расположенные выше получаются при меньших величинах R_П. Запускаясь при М_с=М_н по предельной пусковой характеристике, двигатель разгонится до скорости ω₁ и перейдёт в установившийся режим работы. Для увеличения скорости двигателя необходимо уменьшить величину R_П.

Дата добавления: 2015-03-19 ; просмотров: 3012 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) В этом двигателе (рисунок 1) обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику питания. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r_рег, а в цепь якоря — добавочный (пусковой) реостат R_п. Характерная особенность ДПТ НВ — его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_я так как питание обмотки возбуждения независимое.

Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Уравнение механической характе­ристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид

где: n₀ — частота вращения вала двигателя при холостом ходе. Δn — изменение частоты вращения двигателя под действием механической нагрузки.

Из этого уравнения следует, что механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) прямолинейны и пересекают ось ординат в точке холостого хода n₀ (рис 13.13 а), при этом изменение частоты вращения двигателя Δn, обусловленное изменением его механической нагрузки, пропорционально сопротивлению цепи якоря R_а =∑R + R_доб. Поэтому при наименьшем сопротивлении цепи якоря R_а = ∑R, когда R_доб = 0, соответствует наименьший перепад частоты вращения Δn. При этом механическая характеристика становится жесткой (график 1).

Механические характеристики двигателя, полученные при номинальных значениях напряжения на обмотках якоря и возбуждения и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря, называют естественными рисунок 13.13, а (график 1 Rдоб = 0 ).

Если же хотя бы один из перечисленных параметров двигателя изменен (напряжение на обмотках якоря или возбуждения отличаются от номинальных значений, или же изменено сопротивление в цепи якоря введением R_доб), то механиче­ские характеристики называют искусственными .

Искусственные механические характеристики, полученные введением в цепь якоря добавочного сопротивления R_доб, называют также реостатными (графики 2 и 3).

При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики n = f(M). При неизменном моменте нагрузки на валу двигателя с увеличением сопротивления резистора R_доб частота вращения уменьшается. Сопротивления резистора R_доб для получения искусственной механической характеристики, соответствующей требуемой частоте вращения n при заданной нагрузке (обычно номинальной) для двигателей независимого возбуждения:

где U — напряжение питания цепи якоря двигателя, В; I_я — ток якоря, соответствующий заданной нагрузке двигателя, А; n — требуемая частота вращения, об/мин; n₀ — частота вращения холостого хода, об/мин.

Частота вращения холостого хода n₀ представляет собой пограничную частоту вращения, при превышении которой двигатель переходит в генераторный режим. Эта частота вращения превышает номинальную n_ном на столько, на сколько номинальное напряжение U_ном подводимое к цепи якоря, превышает ЭДС якоря Е_{я ном} при номинальной нагрузки двигателя.

На форму механических характеристик двигателя влияет величина основного магнитного потока возбуждения Ф. При уменьшении Ф (при возрастании сопротивления резистора r_peг) увеличивается частота вращения холостого хода двигателя n₀ и перепад частоты вращения Δn. Это приводит к значительному изменению жесткости механической характеристики двигателя (рис. 13.13, б). Если же изменять напряжение на обмотке якоря U (при неизменных R_доб и R_рег), то меняется n₀, a Δn остается неизменным [см. (13.10)]. В итоге механические характеристики смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рис. 13.13, в). Это создает наиболее благоприятные условия при регулировании частоты вращения двигателей путем изменения напряжения U, подводимого к цепи якоря. Такой метод регулирования частоты вращения получил наибольшее распространение еще и благодаря разработке и широкому применению регулируемых тиристорных преобразователей напряжения.

Используемая литература: — Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам