Меню

Статических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Схема включения и статические характеристики двигателей постоянного тока с независимым возбуждением, работающих в электроприводах

Электрическая машина

Статические характеристики электроприводов зависят от технологического процесса, выполняемого производственным механизмом, а уже по статическим характеристикам выбирают тип электродвигателя, который необходим для выполнения технологических процессов данного производственного механизма .

Статические характеристики зависят от типа двигателя, а у двигателей постоянного тока – от способа возбуждения.

Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Для того чтобы двигатель привести во вращение на обмотку возбуждения надо подать напряжение, по обмотке возбуждения потечет ток iδ и в машине создастся основной магнитный поток Фδ. Затем на обмотку якоря нужно подать напряжение, по обмотке якоря потечет ток Iа и в якоре возникнет ЭДС Eа. На валу двигателя возникнет момент M и вращаться он будет со скоростью ω. Собственное сопротивление двигателя rа состоит из сопротивления обмотки якоря rоя,сопротивления дополнительных полюсов rдп, сопротивления компенсационной обмотки для машин мощностью больше 7 кВт и сопротивления в щеточном аппарате.

Вообще и якорь и обмотка возбуждения обладают индуктивным сопротивлением, но оно настолько мало, что обычно не учитывается при расчетах.

Связь между скоростью вращения и током якоря выражается зависимостью (1) и называется уравнением электромеханической характеристики двигателя постоянного тока.

Зависимость (2) называется уравнением механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Как видно из уравнений (1) и (2) и электромеханическая и механическая характеристики представляют собой линейные зависимости между скоростью и током, скоростью и моментом.

Электромеханическая и механическая характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Электромеханическая и механическая характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Электромеханическая и механическая характеристики имеют одинаковый вид в разном масштабе.

Уравнение механической характеристики:

Δω называется перепадом скорости относительно скорости идеального холостого хода под действием нагрузки.

Характеристики 1 и 2 отличаются только полярностью на якоре двигателя. Характеристика 3 может быть получена по следующией схеме:

Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением для получения характеристики реостатного торможения

Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением для получения характеристики динамического (реостатного) торможения.

3 – характеристика реостатного торможения.

Если напряжение равно нулю, то ω = -Δω.

ω = -[(M·Rа) / (CM·Фδ) 2 ] – уравнение 3-й характеристики.

Источник



Схема включения и статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения ДПТ НВ представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: I, Iв, – соответственно токи в цепях обмоток якоря и возбуждения ОВ, А;

Е – ЭДС обмотки якоря, В;

Ω и М – соответственно угловая скорость (рад/с) и момент (Нм) двигателя;

Rя= гоя + гдп + rко + гщ – сопротивление цепи обмотки якоря, состоящее из сопро­тивлений обмотки якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта, Ом; Rов – сопротивление обмотки возбуждения, Ом; Lя, Lов – соответственно индуктивности обмоток якоря и возбуждения, Гн. На схеме показаны добавочные резисторы в цепях обмоток якоря Rд и возбуждения Rв, а также от­дельные источники питания обмоток якоря и возбуждения с напря­жениями соответственно U и Uв.

При выводе уравнений для статических характеристик двигате­ля примем следующие допущения: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту. Уравнение равновесия напряжения цепи обмотки якоря, ЭДС якоря и электромагнитного мо­мента для установившегося режима работы двигателя и принятых допущениях были выведены в разделе 2.1 и имеют вид

U = Е + IR; (65)

где R = Rя + Rд – полное сопротивление цепи якоря, Ом; Rд – регулировочное сопротивление цепи обмотки якоря; Ф – магнит­ный поток, Вб; U – подводимое к якорю напряжение, В; Ce = pпN/(2πa)– конструктивный коэффициент двигателя; рп – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллель­ных ветвей обмотки якоря. В системе СИ коэффициенты См=Ce.

При условии Ф=const произведения СеФ и СмФ также постоянны и могут быть обозначены постоянными коэффициентами ke= СеФ и kм= СмФ.

Коэффициент ke= СеФ называется коэффициентом ЭДС двигателя. Он равен ЭДС двигателя вращающегося со скоростью 1 рад/с при номинальном магнитном потоке.

Коэффициент kм= СмФ называется коэффициентом момента двигателя. Он равен моменту развиваемому двигателем на 1 А тока якоря при номинальном потоке.

Подставляя (66) в (65), получим формулу для электромехани­ческой характеристики Ω(I):

Формулу для механической характеристики Ω(М) ДПТ НВ полу­чим из (68) с использованием выражения (67):

В соответствии с (68) и (69) электромеханическая и механичес­кая характеристики ДПТ НВ представляют собой линейные зави­симости угловой скорости (далее скорости) от тока и момента, вид которых для разных полярностей питающего якорь напряжения по­казан на рис. 19. Здесь электромеханическая и механическая характеристики совмещены, что в соответствии с (67) справедливо в случае СеФ = const.

Рис.19. Статические характеристики ДПТ НВ

Их характерными точками являются точка хо­лостого хода, в которой Ω = Ω , а I =0, М= 0, и точка короткого замыкания, где Ω = 0, а I = Iкз и М = Мкз. Отметим, что режим ко­роткого замыкания для электрического двигателя соответствует не­подвижному состоянию якоря при поданном на двигатель напря­жении, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус. Режим короткого замыкания называется также пуско­вым режимом, поскольку является начальным при включении (пус­ке) двигателя.

Читайте также:  Электрические сети переменного тока с изолированной нейтралью

Уравнения (68) и (69) можно записать в сокращенной форме:

где Ω – скорость идеального холостого хода двигателя,

ΔΩ – изменение (перепад) угловой скорости относительно скорости идеаль­ного холостого хода,

ΔΩ = IR/(CеФ) = MR/ (СеФ) 2 . (72)

Выражения (68) и (69) позволяют назвать основные способы реализации искусственных характеристик ДПТ НВ, используемых для ре­гулирования скорости вращения ЭП. К ним относятся:

изменение сопротивления добавочного рези­стора в цепи якоря (Rд);

– изменение магнитного потока Ф;

– изменение подводимого к якорю напряжения U.

Отме­тим, что значения входящих в эти выражения тока и момента определяются только меха­нической нагрузкой двигателя Мс и не могут быть установлены произвольно.

Задача 15. Рассчитать и построить естественные характеристики ДПТ НВ, используя следующие его паспортные (номинальные) данные: Рном = 300 кВт;

Uном = 440 В; пном = 1250 об/мин;Iном= 750 А.

Для построения характеристик, представляющих собой прямые линии, доста­точно рассчитать координаты двух точек: номинального режима и холостого хода. Найдем номинальные скорость и момент двигателя:

Ω ном= 2πпном /60 = 2•3,14•1250/60 = 131 рад/с;

Предварительно определим по (67)

тогда скорость идеального холостого хода

По координатам точек холостого хода (Ω = Ω, I =0, М = 0) и номинального режима Ω = Ωном, I =Iном, М=Мном построим естественные электромеханичес­кую Ω(I) и механическую Ω(M) характеристики.

4.2. Режимы торможения, холостого хода и короткого замыкания двигателя постоянного тока независимого возбуждения [1]

Режимы торможения, холостого хода и короткого замыкания двигателя постоянного тока независимого возбуждения относят к энергетическим режимам работы электрической машины.

Электрическая машина обладает так называемым свойством обратимости, т.е. она может работать как двигателем, преобразуя электрическую энергию в механическую, так и генератором, осу­ществляя обратное преобразование энергии. При этом переход из одного режима в другой может происходить без изменения схемы включения. При работе двигателей в генераторном режиме на валу электрической машины создается тормозной момент, обеспечива­ющий интенсивное принудительное замедление (торможение) дви­жения ЭП и, следовательно, расширяющий его возможности по уп­равлению движением исполнительного органа (в частности, при его торможении и реверсе).

Энергетический режим работы электрической машины можно определить исходя из взаимных направлений двух переменных: элек­трических (ЭДС Е и тока I) или механических (момента М и скоро­сти Ω). При одинаковых направлениях скорости и момента и раз­ных направлениях тока и ЭДС имеет место двигательный режим работы, а при противоположных направлениях скорости и момен­та и одинаковых направлениях ЭДС и тока – генераторный. Гра­ничными между двигательным и генераторным являются режимы холостого хода и короткого замыкания, в которых одна электри­ческая и одна механическая переменные равны нулю. При холос­том ходе нулю равны ток и момент, а при коротком замыкании – ЭДС и скорость.

Рассмотрим режимы работы двигателя (рис. 21) на различных участках его характеристик (см. рис. 19) при положительной по­лярности напряжения U.

Режим холостого хода (точка А). Двигатель не получает энер­гии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. В этом режиме I = 0, Е = U = СеФΩ, М = 0, Ω = Ω (см. рис. 21, а).Эту точку механической характеристики иногда называют точкой «идеального холостого хода».

Режим короткого замыкания возникает при неподвижном роторе и наличии напряжения на обмотке якоря, при этом Ω= 0 и Е = 0. В этом режиме, согласно (65) I = Iкз = U/R, электрическая энергия, посту­пая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как Ω = 0 (см. рис. 21, г). Такой режим возникает в момент пуска двигателя в ход. В первый момент времени после подачи напряжения на якорь двигателя якорь неподвижен и ЭДС обмотки якоря равна нулю. Режим прямого пуска двигателя от сети допускается только для микродвигателей. В таких двигателях сопротивление обмотки якоря относительно велико и пусковой ток не превышает (3-5)Iном. В машинах повышенной мощности сопротивления обмотки якоря мало и ток при пуске может в 10-20 раз превышать номинальный ток. Такой большой ток может повредить коллектор, щетки и обмотку якоря. Для ограничения величины пускового тока необходимо в цепь обмотки якоря включать пусковой реостат.

Двигательный режим (участок от +Ω до Мп характеристики, приведенной на рис. 19) в диапазоне 0 13 141516>

Дата добавления: 2019-02-08 ; просмотров: 1659 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

§5.6. Двигатели постоянного тока. Основные характеристики

Двигатели независимого и параллельного возбуждения.
Схема включения двигателя независимого возбуждения показана на рис. 5.19.

В цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление Rд, например пусковой реостат. Для регулирования тока возбуждения в цепь обмотки возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rр. У двигателя параллельного возбуждения обмотки якоря и возбуждения подключены к одному источнику питания, и напряжение на них одинаковое. Следовательно, двигатель параллельного возбуждения можно рассматривать как двигатель независимого возбуждения при Uя= Uв.

Механические характеристики.
Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной.
Уравнения электромеханической &#969=f(I я) и механической &#969=f(M эм.) характеристик могут быть найдены из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя, записанного на основании второго закона Кирхгофа:

Читайте также:  При внесении магнита в катушку с замкнутыми концами в ней возникает электрический ток

где R я – активное сопротивление якоря.
Преобразуя (5.35) с учетом (5.6), получим уравнение электромеханической характеристики

В соответствии с (5.10) ток якоря I я=M эм./kФ и выражение (5.36) преобразуется в уравнение механической характеристики:

Это уравнение можно представить в виде ω= ω о.ид.— Δ ω, где

ω о.ид — угловая скорость идеального холостого хода ( при Iя=0 и, соответственно, Мэм.=0 ); Δ ω= Мэм. [(Rя+Rд)/(kФ) 2 ]– уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.
Семейство механических характеристик при номинальном напряжении на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря изображено на рис. 5.20,а.

Механические характеристики двигателей принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и линейности.
Естественная механическая характеристика, соответствующая (5.37) при Rд=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика линейная; отклонение от линейного закона может быть вызвано реакцией якоря, приводящей к изменению потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря (прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики устойчивые, так как dω/dMэм. Мст. Если это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение и разгоняется до установившегося режима. Ввиду того, что ротор обладает моментом инерции, разгоняется он не мгновенно – нарастание скорости происходит по закону, близкому к экспоненте.
Пуск двигателя постоянного тока осложняется тем, что при ω=0 ЭДС Eя=0 и пусковой ток якоря Iяп= Uя/ Rя может в 10 – 20 раз превышать номинальный ток, что опасно как для двигателя (усиление искрения, динамические перегрузки), так и для источника питания. Поэтому важнейшими показателями пускового режима являются кратность пускового тока Kiп= Iп/ Iном и кратность пускового момента Кмп= Мп/ Мном. При пуске необходимо обеспечить требуемую кратность пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока.
Прямой пуск применяют обычно при кратности пускового тока K iп?6. При большем значении Kiп применяют способы пуска, обеспечивающие снижение тока Iяп либо за счет подачи пониженного напряжения на обмотку якоря, либо за счет введения добавочного сопротивления в цепь якоря. Первый способ применяется в основном при работе двигателей в системах автоматического регулирования с якорным способом управления. Второй способ, называемый реостатным, распространен наиболее широко в нерегулируемом приводе. Сопротивление пускового реостата Rп= Rд (см. рис. 5.19) выбирают таким, чтобы ограничить Iяп до (1,4 – 1,8) Iя.ном у двигателей средней мощности и до (2,0 – 2,5) Iя.ном у двигателей малой мощности. По мере разгона якоря ток якоря уменьшается и пусковой реостат постепенно выводится.

Реверсирование.
Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя Мэм и соответственно направление вращения ротора.

Торможение.
У двигателей независимого и параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: рекуперативное торможение, торможение противовключением и динамическое. При анализе тормозных режимов необходимо строить механические характеристики машины во всех четырех квадрантах плоскости Мэм, ω. Для построения механических характеристик можно пользоваться одним и тем же уравнением (5.37) с учетом знака Мэм в различных режимах работы машины.
Рекуперативное торможение, или генераторное торможение с отдачей энергии в сеть, может быть осуществлено при ω>ω о.ид. В этом случае ЭДС якоря Eя > Uя (см. (5.6) и (5.38)), ток якоря меняет направление, машина переходит в генераторный режим и электромагнитный момент становится тормозным. Механической характеристикой в режиме рекуперативного торможения является продолжение механической характеристики двигателя во II квадранте (ω>0, Mэм 2 . Механические характеристики тормозного режима расположены во II квадранте плоскости Мэм,ω (рис. 5.22, б, Rд2>Rд3).
В момент переключения двигатель переходит из точки А естественной характеристики двигательного режима 1 в точку В характеристики тормозного режима 2, момент Мэм меняет знак и начинается динамическое торможение. Угловая скорость уменьшается, но при этом довольно резко уменьшается и тормозной момент (переход из точки В в С). С целью увеличения тормозного момента производится уменьшение добавочного сопротивления Rд (переход из точки С в точку D). Торможение происходит до нулевой скорости.

Двигатели последовательного и смешанного возбуждения.
У двигателя последовательного возбуждения (рис. 5.23,а) ток якоря протекает по обмотке возбуждения (Iв= Iя) и это определенным образом сказывается на основных характеристиках двигателя. При отсутствии насыщения магнитопровода можно принять, что

где Kф – коэффициент пропорциональности.
С учетом (5.40) уравнения (5.10) и (5.37) принимают вид

Читайте также:  Самодельные регуляторы мощности постоянного тока

где Rв – сопротивление обмотки возбуждения.
Механическая характеристика (рис. 5.23, б пунктирная линия) мягкая, имеет гиперболическую форму и обеспечивает устойчивую работу двигателя. Мягкость характеристики объясняется тем, что с увеличением момента нагрузки и соответственно уменьшением скорости растут ток и поток возбуждения. При больших нагрузках начинает сказываться насыщение магнитопровода и характеристика отличается от расчетной (сплошная линия). Двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки на валу, так как при Мэм → 0, угловая скорость ω → ∞.
Квадратичная зависимость момента от тока позволяет при одинаковой кратности пускового тока получать у двигателя последовательного возбуждения больший пусковой момент, чем у двигателя независимого или параллельного возбуждения.
Пуск, реверсирование, торможение и регулирование угловой скорости двигателей последовательного возбуждения осуществляется теми же способами, что и у двигателей независимого и параллельного возбуждения с учетом специфики включения обмоток.

Двигатели смешанного возбуждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение между двигателями независимого и последовательного возбуждения. Конкретный вид характеристик зависит от того, согласно или встречно(по потоку) включены между собой обмотки возбуждения.

Источник

Глава третья

ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1. Схема включения, статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 3.1, а. На рис. 3.1 приняты обозначения:IиIВ– токи якоря и обмотки возбужденияОВ;Е–ЭДС якоря;иМ–скорость и момент двигателя;RвиRд– соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать);– полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоряrо, я, дополнительных полюсовrд, п, компенсационнойrк, ои щеточного контактаrщ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения,

хотя во многих случаях используется только один источник

Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде

(3.1)

(3.2)

(33)

где полное сопротивление цепи якоря, Ом;

Ф – магнитный поток ДПТ, Вб; – угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с;kN/(2а) – конструктивный коэффициент ДПТ;р – число пар полюсов;N –число активных проводников обмотки якоря;а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставляя (3.2) в (3.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ

(3.4)

Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (3.4) заменой в нем тока на момент по выражению (3.3)

(3.5)

В соответствии с (3.4) и (3.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (3.4) и (3.5) представляются в следующей форме записи:

, (3.6)

где – скорость идеального холостого хода двигателя,

 – перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода,

.

На рис. 3.1, бпоказаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряженияU,причем посколькуkФ=const, тоМ

Iи характеристики представлены совмещенными линиями.

На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (3.4) и (3 5) приU=

; (3.7)

(3.8)

Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 3.2 Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети.

Полученные выражения (3.4) и (3.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря Rд,магнитного потока Ф и напряженияU,подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются

Энергетический режим работы двигателязависит от механическихМ,и электрическихЕ, Iкоординат двигателя, определяющих его механическуюи электромагнитнуюмощности.

В табл. 3.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов – двигательного и генераторного и двух граничных режимов – холостого хода и короткого замыкания.

Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента – нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания – равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.

Основываясь на данных табл. 3.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 3.1, бпри положительной полярностиU.

1.Режим холостого хода имеет место в точкеА, гдеI=0,М=0,=иE=U=kФ .Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 3.3,а.

Источник