Elektrotehnika_i_elektronika_2008
.pdf171Глава 2. Электромагнитные устройства. и электрические:машины
вмагнитной системе машины остаточного
магнитного потока; во-вторых, правильное
подключение обмотки возбуждения к. якорю, чтобы возбуждаемый и остаточный:
магнитные потоки совпадали; в-третьих, сопротивление цепи возбуждения должно
быть определенным и меньшим критичес-
кого, так как оно определяет установивше
еся значение ЭДС якоря.
Теперь обратимся к рассмотрению основных характеристик генератора парал -
лельного возбуждения. для снятия и анализа этик характеристик можно использовать
электрическую схему, представленную на рис. 2.50..
Характеристика холостого ходz Е =f(I) |
|
||
при I = 0 и п = сопвн снимается при отклю |
|
|
|
ченной нагрузке т. е. при разомкнутом ру- |
|
||
бильнике Р. Якорь приводится .во вращение |
R |
||
сторонним приводом c постоянной скоро- |
|
||
стью п = пном = coпst, a регулирование тока |
|
||
возбуждения осуществляется реостатом R BP |
Рис. 2.5о. Схема для |
||
от 0 до в мАхI и обратно в такой же после- |
|||
- |
|
: снятия характеристик |
|
довательности, что и при снятии аналогич- |
генератора параллельно- |
||
ной характеристики для генератора незави |
- |
го возбуждения |
|
симого возбуждения: Так как в этом случае . |
|||
|
|||
^в = 'я и обычно не превышает 3 % от номинального тока генерато-. ра, то напряжение на зажимах генератора U E, что и регистриру-
ется вольтметром. Поэтому. характер кривой ХХХ y генератора па= раллельного возбуждения (рис. 2.51) будет таким же, как и у генератора с независимым возбуждением.
'т
о ' IВ
Рис. 2.51. Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения
Электpотехника и электроника |
172 |
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения
U = f'(1) при RBP = const и n = пном= const снимается при замкнутом рубильнике P и подключенной нагрузке RH .
Первая точка этой зависимости (рис. 2.52) снимается при I = о (рубильник Р. разомкнут, и нагрузка R H отключена) и таком токе
возбуждения, устанавливаемым c помощью R Bp, при котором U
1,15 U. B дальнейшем реостат АВр
регулируется изменением сопротивления нагрузки R n .
Рис. 2.52. Внешняя характеристика генератора параллельного
возбуждения
. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения проходит несколько ниже, чем для генератора независимого возбуждения. объясняется это тем,. что в генераторе параллельного воз^уж^
• дения к аналогичным причинам уменьшения напряжения на зажимах генератора c возрастанием тока нагрузки - рeакции якоря и увеличению падения напряжения в цепи якоря —,добавляется еще уменьшение тока в параллельно включенной обмотке возбуждения, вследствие уменьшения . напряжения от вышеуказанных двух причин. A уменьшение тока возбуждения приводит к снижению магнитного потока и, следовательно; к уменьшению ЭДС и напряжения на зажимах генератора. Это наглядно видно из анализа уравнения для цепи якоря:
U=Е — IАя=сЕП Ф_(Iв) — IRя.
Таким образом, при увеличений. тока нагрузки происходит сниженке напряжения на якоре и тока в параллeльно включенной об мотке возбуждения, a следовательно, и снижение величины магнитного потока. Это приводит к уменьшению величины ЭДС и к заметному размагничиванию магнитной системы машины. Вследствие этого ток нагрузки I может достигнуть некоторого критического значения ^Кр, после которого для него преобладающим будет уже не
уменьшение сопротивлeния нагрузки R n,, а снижение напряжения в размагничивающейся 'машине: .
173 Глава 2. Электромагнитные устройства й электрические машины
U Е - IRл. RH 1Н
B. последующем наблюдается самопроизвольное уменьшение тока нагрузки с резким снижением напряжения до нуля.
Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения IB = f(1) при И = сопвн и п = пном = coпst аналогична регу-
лировочной характеристике _генератора независимого возбуждения (рис. 2.48), но идет несколько круче вследствие более значительно-
го уменьшения напряжения генератора.
2.2,i i, основные характеристики
иуравнения двигателей постоянного тока
,Для оценки работы электрических двигателей пользуются их характеристиками, представляющими собой графические изображе-
ния основных зависимостей . между электрическими и механическими величинами, определяющими .работу двигателей. Основными характеристиками двигателей являются: механическая, пусковая, ра-
бочая, регулировочная и скоростная.
Важнейшей из этих характеристик является механическая характеристика п = f (M) — зависимость частоты вращения n от момента на валу двигателя M при U = coпst и IB = const. .Эту характеристикy важно знать специалистам, занимающимся -.выбором и эксплуатаци-
ей двигателей. Поэтому механическая характеристика двигателей будет рассмотрена более подробно.
Прежде чем приступить к рассмотрению особенностей механической характеристики различных типов двигателей, обратимся к
ранее рассмотренным уравнениям, общим для. всех типов электродвигателей.
Во-первых, это выражение для определения ЭДС Е, наводимой
в обмотке якоря (10). Поскольку эта ЭДС. имеет направление,
встречное по отношению к приложенному к зажимам двигателя
напряжению U, то ее называют п^отиво-ЭДС: |
. |
E = сЕ п Ф. |
Во- вторых, уравнение напряжений двигателя (5)
U= Е + г я.
И наконец, выражение для электромагнитного момента двигателя (1.3) ' . -
М = см IЯ Ф. _
Эти уравнения позволяют провести анализ наиболее значимых характеристик и особенностей работы двигателей.
Электротехника и электроника |
174 |
2.2.12. Пуск электрических двигателей в ход
В первый' момент при пуске двигателя в ход его якорь неподви - жен, т. e. находится в покое и п = 0. Поэтому для этого момента времени величина противо-ЭДС, наводимой в обмотке якоря (10),
также равняется нулю: Е = еЕ'п Ф = О. Отсюда следует, что ток яко- . ря в момент пуска двигателя, т. e. пусковой ток 4 двигателя опре-
деляется из (5) следующим выражением:
v-o
(14)
RЯ
О^мотка якоря в двигателе является основной, рассчитывается
на значительные номинальные токи и поэтому выполняется, как правило, из медной проволоки большого сечения. Вследствие этого сопротивление обмотки якоря Ая очень невелико (в 'реальных машинах Ая составляет 'доли Ома). Поэтому даже при ,включении двигателя. на постоянное напряжение , U в несколько вольтпусковой ток 4 мжет приобрести такое значение, которое окажется значительно больше номинального тока (в десятки раз) и недопустимым для дальнейшей нормальной эксплуатации двигателя. Ибо такой ток опасен для .целости обмотки якоря. Кроме того,. пусковой момент пропорционален пусковому току (13), что также может привести к механическим повреждениям машины.
Наиболее распространенный способ ограничения величины пускового тока In на время пуска двигателя .-- это включение на время пуска последовательно c обмоткой якоря специального пускового реостата c сопротивлением R, который после окончания процесса п уска ' должен быть выведен из цепи якоря.
Величина сопротивления R выбирается по допустимому значению пускового тока Iп доп, которое может превышать номинальное значение тока якоря в 1, 6- 2, 5 раза, путем решения следующего уравнения
Iп доп — |
U |
= (1,б — 2,5) Iя ном. |
(15) |
|
АЯАл,+ |
||||
|
. |
|
2.213. Механическая'характеристика двигателя
Уравнение механической характеристики п = f(M) мoжeт быть получено из рассмотрения основных ypaвнeнйй, описывающих paботу двигателя: Так, например, если вмëcтo ЭДC E в уравнение элeктpичecкoro состояния цепи якоря (5) подставить правую часть уран-
175 Глава 2:Электромагнитные устройства'и электрические машины
нения (10): Е = СЕ п Ф, а значение тока якоря взять йз уравнения |
||||
момента (13): M = СМ k |
Ф, то можно получить уравнение механи- |
|||
ческой характеристики (1 б) следующим образом:. |
|
|||
|
U'= Е+ IRЯ,' . |
|
|
|
|
U = СЕ п Ф +. I Ая; |
|
||
U _ сЕ п Ф + |
.. М Ая |
|
||
|
|
сМФ . |
|
|
п = |
U |
R |
2 111. |
( 1 б) |
|
сЕФ сEсмФ |
|
|
|
Вид механической характеристики п _ f(M) при U = coпst и IB -= = const зависит от того, 'как c .изменением нагрузки или момента M
изменяется магнитный поток машины Ф, и различен для двигателей c различными способами возбуждения.
Для двигателя параллельного возбуждения при U = constток воз- |
||
буждёния тоже IB = const й; следовательно, Ф =- |
const. Тогда в режи= |
|
ме холостого хода при M. = о и . пХ= U% сЕ Ф, уравнение механичес- |
||
кой характеристики (16) принимает вид прямой линии типа |
||
n=п = |
АЯ -М. |
17 |
|
сЕсмФ |
|
Механическая характеристика, определяемая по уравнению (17), называется естественной , и является жесткой, так как с изменени-
ем. момента на валу двигателя частота вращения меняется незначи-
тельнo. Если же . в цепь 'якоря ввести' еще одно добавочное .сопротивление АД, включенное последовательно c R, то получим
искусственные механические характеристики '(рис. 2.53). Причем чем больше величина Ад, тем более крутой вид они будут иметь.
()
Рис. 2.53. Механичёские характеристики двигателя параллельного;возбужденин
Электротехника и электроника |
176 |
Анализ вида механической характеристики двигателя последовательного возбуждения начнем co следующего. Во-первых, в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения обтекаются одним и тем же током, т. е. 'я = 'в. Во-втopыx, магнитный поток ненасыщенной машины Ф пропорционален току возбуждения: I. поэтому если допускается существование такой зависимости Ф = k1 IB, то формально справедливо и наличие такой зависимости IB k2 Ф, если не задаваться вопросом, что порождает что (т. е. является первостепенным). Следовательно, уравнение для момента .машины (13) может быть
представлено в следующем виде:•
М=сМ Iя Ф= см к2 Ф2 .
Из уравнения (18) можно определить магнитный поток
1V1
Ф смkг— k .
Теперь полученное выражение для Ф (19) подставляем в уравнение (1 б) и получаем уравнение механической характеристики для двигателя последовательного возбуждения:
п = U -- R М |
|
сЕФ сЕСмФг |
|
Uk |
R кг |
СЕ 1!•1У1 |
СЕСММ |
Выражение (20) указывает на гиперболический характер зависи-
мости п = f(M) и имеет приближённый характер, однако c учëтом малого значения АЯ , пригодный для практических целей. Включение дополнительного сопротивления R. цепь якоря последовательно c Ая и насыщение магнитной системы машины отклоняет механическую характеристику двигателя, особенно в зоне больших токов, от гиперболы (рис. 2.54).
п
1 Ад = 0
2 .Rдi > Ад
3 Адг > Ад i
о |
М2 |
М |
|
|
Рис. 2.54. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения
177 Глава 2. Электромагнитные устройства и.элехтричесхие машины
Механическая характеристика двигатели смешанного возбуждения располагается. между характеристиками двигателя с параллель-
ным возбуждением и двигателя с последовательным возбуждением. Объясняется это теми, что такие двигатели имеют две обмотки воз=
буждения: последовательную (сериесную) и параллельную (шунто- .
вую). И в зависимости от числа витков и протекающего по ним тока
преобладание той или иной обмотки 'в создании магнитного пото-
ка машины может: быть различным. В связи. с этим и механическая характеристика двигателя будет тяготеть к тому или иному виду.
Чаще всего в практике встречаются двигатели с преобладанием магнитного потока, параллельной обмотки при согласном включении обмоток, т. e. когда магнитные потоки двух обмоток возбуждения складываются.
2.2..14. Регулирование скорости
вращения двигателя
Способы регулирования -частоты . вращения п двигателей посто-
янного тока вытекают из анализа уравнений цепи якоря (5) й ЭДС. (1O):U= E+ JАя и Ё = сЕ п Ф. Из этих уравнений следует
И IRЯ. |
|
п - сEФ .. |
(21) |
. Анализ уравнения (21) показывает, что регулировать частоту вращения п двигателей можно тремя способами: '
— изменением подводимого к'двигателю напряжения U;
--изменением величины магнитного потока Ф за счет измене-
ния тока в .обмотке возбуждения I, так как Ф = , f (Iв);
--изменением сопротивлёния цепи якоря путем включения последовательно c Ая регулировочного .дополнительного .реостата R,
так что общее сопротивление цепи якоря^ становитсяРравным R +
я
C учетом изложенного уравнение для частоты вращения (2 приобретает следующий вид, :которым 'и пользуются при анализе результатов изменения частоты вращения:
U т(АЯ +'АД )
Рассмотрим более подробно все способы регулирования частоты вращения, например, для двигателя параллельного возбуждения.
Например, если двигатель параллельного' возбуждения работал при
напряжении U в точке 1 механической характеристики (рис: 2.55) c
частотой_п1 й моментом М, равным моменту сопротивления нагруз-
ки на валу ' М, то . при уменьшении напряжения до величины
'г
Электротехника и электроника |
178 |
п.
"0• Мс Л ^М
Рис. 2.55. Регулирование частоты вращения изменением подводимого к двигателю напряжения
U1 < U мы переходим на другую механическую характеристику, имеющую тот же наклон, независящий от напряжения ('17), но меньшеe значение скорости холостого хода пх = U1 / СЕ Ф < пх,
С уменьшeнием напряжения на зажимах двигателя (при . сохранении постоянными тока возбуждения IB, магнитного потока двигателя .Ф и' момента сопротивления нагрузки на валу Ме) сразу' 'же уменьшается ток в цепи якоря и, следовательно; электромагнитный момент двигателя.М:(13), а число оборотов остается постоянным, так: как мгновенно изменить свое значение из-за инерции вращaющихёя. частей не может. Поэтому из точХсй 1 одной характеристики переме щаемся в точку 2 другой характеристики c параметрами п1 и М1 < М'. Появляется тормозящий динамический момент М = М М < 0 и частота вращения двигателя начинает уменьшаться. Это приводит. 'к уменьшению' противо- ЭДС Е (10) и, следовательно, к возрастанию тока якоря (4) и электромагнитного момента (13). Торможение двигателя постепенно уменьшается; затухает 'и снижение скорости. По истечении переходного 'периода устанавливается ' вновь равенство моментов М = М', 'но при меньшей частоте вращения п2 < п 1 . Уста новившаяся работа двигателя продолжается в новом режиме, характеризуемом точкой 3. '
Процесс увеличения скорости вращения двигателя при повышении напряжени*, его не выше номинального, протекает в обратном порядке. .
Реостатное регулирование частоты 'вращения двигателя параллельного возбуждения осуществляется введением в цепь якоря до- полнительного реостата R.
Проанализируем электромеханический процесс изменения скорости двигателя; работающего в. точке 1 естественной механической характеристики (когда Ад = 0) c параметрами п 1 и M = Мc (рис. 2.56). При введении в' цепь. якоря дополнительного резистора . R :1 > АД режим работы двигателя переходит в точку2 искусственной меха-
179 Глава 2. Электромагнитные yстройства й электрические машины
ПА' .
по
п1
п2
п3
. o |
М, |
Мс ` М |
► |
|
Рис. 2.56. Реостатное регулирование скорости двигателя
нической характеристики c сохранением того же значения частоты вращения п 1 , но c меньшим моментом М1. Снижение величины момента, развиваемого двигателем; c величины М до значения М1 объясняется yменьшением тока якоря при введении в его цепь ре
зистора R. Поскольку М1 < М , то двигатель начинает замедлять-
ся. Но.при этом уменьшается и противо-ЭДС, a ток якоря и момент
двигателя начинают возрастать. Когда вращающий момент двигате^ ля снова сравняется с моментом сопротивления в точке 3, частота вращения устанавливается пoниженной п 2 < п1. При М = coпst ток якоря будет прежним. Поэтому потребляемая двигателем электрическая мощность Р = U I не изменилась, a механическая мощность РмЕх = кМп уменьшилась. КПД двигателя резко уменьшается. Реостатное регулирование в цепи якоря — не экономичное. .
Регулирование числа оборотов двигателя параллельного возбуждения .может осуществляться и изменением величины магнитного потока Ф за счет регулирования тока возбуждения Г с помощью регулировочного реостата АВрв цепи. обмотки возбyждения (рис. 2.57). '. Например, . при работе двигателя в точке 1 естественной характеристики, соответствующей максимальному току возбyждения IB
4) и максимальному (номинальному) магнитному потоку
+
'Ь 41
АВР
Рис. 2.57. Схема двигателя параллельного возбуждения c возможностью
регулирования тока. возбуждения и магнитного потока
Электротехника и электроника |
180 |
главных полюсов Ф 0' он имеет число оборотов п 1 и развивает
момент М = М (рис. 2.58). При увеличении сопротивления АВр ток возбуждения IB и магнитнььй поток главных полюсов Ф уменьша-
Рис. 2.58. Регулирование числа оборотов двигателя изменением
магнитного потока
ются, т. e. Ф1 < Фном• Это приводит, во-первых,. к увеличению частоты вращения холостого хода пХ = ИсЕФ и, во-вторых, к увеличению угла наклона механической ' характеристики. Таким ' образом, при начально не меняющейся скорости двигателя п 1 он переходит работать в точку 2 другой механической характеристики c меньшим магнитным потоком. Это приводит к уменьшению противо- ЭДС E СЕ п1 Ф, a следовательно, к увеличению тока якоря 1я = (U— Е)/Ая. Причем это увеличение тока якоря значительно, так как в двигателях при малом значении' 'Rя обычно U Е. Увеличивается и момент двигателя M, становясь больше момента сопротивления Мс. Это приводит ,к возрастанию частоты вращения якоря . и, как следствие, к увеличению величины противо-ЭДС. Возрастающая противо-ЭДС
уменьшает ток якоря и момент двигателя. B точке 3, когда M вновь
становится равным М, наступает новый установившийся режим работы двигателя, но c большим значением частоты вращения п2 > п1 .
Здесь следует отметить, что при значительном уменьшении магнитного потока Ф (особенно при обрыве цепи возбуждения и Ф = 0) сильно. возрастают скорость вращения и ток якоря, что приводит к увеличению искрения на коллекторе под щетками и появлению опасности механических поврeждений за счет центробежных сил. Говорят, что при таких условиях, когда Ф --> 0 й п —> °°, двигатель идет «вразнос».