- •Таганрогский государственный радиотехнический университет
- •Кафедра систем автоматического управления Гура в.Д.
- •"Основы электромеханики и мехатроники"
- •1 Памятка об электромагнетизме и основах механики
- •1.2 Основные явления, законы и правила электромагнетизма
- •2 Классификация электромеханических преобразователей энергии
- •3.1 Устройство простейшей машины постоянного тока
- •3.2.1 Режим генератора
- •3.2.2 Режим двигателя
- •3.2.3. Принцип обратимости эм
- •3.4 Конструкция реальной машины постоянного тока
- •3.6 Магнитное поле в зазоре электрической машины
- •3.9 Эдс якоря и электромагнитный момент
- •5. Двигатели постоянного тока
- •5.8 Регулирование скорости вращения
- •6.8 Синхронные машины (см)
- •Список использованных источников
5. Двигатели постоянного тока
В силу принципа обратимости любой электромеханический преобразователь может работать как в режиме Г, так и в режиме Д. В режиме Д к ЭМ подводится электрическая энергия, выходной величиной Д является механическая мощность, передаваемая двигателем в нагрузку. Свойства Д=Т, как и Г=Т, определяются способом создания основного потока машины. Классификация Д=Т такая же, как и Г=Т.
Схемы включения Д=Т, имеющих ОВ, отличаются от схем включения Г=Т только тем, что в них вводятся дополнительные элементы (в простейшем случае - реостаты), предназначенные для пуска и регулирования частоты вращения.
5.1 Электромагнитный момент и частота вращения
ЭМ момент М Д=Т
М=Рэм/ω,
где Рэм = Iа·E а – электромагнитная мощность, преобразуемая в Д в механическую мощность; ω – скорость вращения вала Д. Этот момент является движущим и направлен в сторону вращения. Он расходуется на уравновешивание тормозящих моментов:
- момента Мо (момента холостого хода), соответствующего механическим потерям собственно двигателя;
- момента Мв полезной нагрузки на валу, создаваемого рабочей машиной и приведенного к валу Д;
- динамического момента Мдин, возникающего при изменении скорости вращения ω:
Мдин = J·dω/dt,
где J – механический момент инерции вращающихся частей двигателя и нагрузки, приведенный к валу двигателя (см. раздел 1).
Таким образом,
М = Мо + Мв + Мдин.
При ω = const (установившийся режим) Мдин=0, и
М = Мо + Мв .
Уравнение якорной цепи двигателя
U = Iа + Eа·Ra, т.е. U > Eа , (1)
тогда
Iа = (U - Eа)/Ra.
Известно, что
Eа = сЕnФδ . (2)
Подставляя (2) в (1) и решая относительно n, получим
n=Eа/ сЕФδ = (U - Eа)/Ra)/сЕФδ . (3)
Поскольку М = см IаФδ, то Iа=М/смФδ , и из (3) можно получить соотношение
. (4)
Это уравнение механической характеристики Д=Т, связывающей скорость вращения n вала двигателя с его вращающим моментом М.
Вид механической характеристики n = f(М) при U = const зависит от того, как с изменением нагрузки (или М) изменяется основной поток машины Фδ, и различен для Д=Т с различными способами возбуждения.
5.2 Д=Т с параллельным возбуждением (Д||В)
Свойства Д=Т с независимым возбуждением (ДНВ) и Д||В практически одинаковы, поэтому ДНВ отдельно рассматривать не будем. У Д||В, как и у Г||В, ОВ подключены параллельно с обмоткой якоря к питающей сети с напряжением U. В цепь ОВ включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь якоря – пусковой реостат Rп (рисунок ).
Очевидно, что Iв не зависит от Iа, поэтому ОВ по существу независимая. Поскольку Фδ = const (пренебрегаем размагничивающим действием РЯ), то зависимость М=f(Ia) = смФδIа (моментная характеристика) линейна. Скоростная характеристика машины n = f (Iа) также линейна (см. (*)). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика ДНВ и Д||В.
Необходимо учитывать, что при наличии в цепи якоря Д=Т сопротивления пускового реостата Rn в уравнениях электрической цепи якоря под сопротивлением якорной цепи Ra нужно понимать полное сопротивление, равное сумме собственно Ra и Rn. При Rn = 0 эти характеристики называются «естественными». Как видно из рисунка , они довольно жесткие (т.е. скорость n мало зависит от момента М). От гипотетического "идеального" двигателя требуются абсолютно жесткие характеристики, при этом скорость вращения n не зависит от момента М (механическая характеристика параллельна оси моментов).
При Rn 0 образуется семейство «реостатных» характеристик. Чем больше Rn, тем «мягче» характеристика.
Влияние РЯ приводит к некоторому снижению потока Фδ и, соответственно (см. (4)), при этом механические характеристики «приподнимаются» вплоть до отрицательных углов наклона. Это – неустойчивый режим работы. Поэтому мощные Д||В часто снабжают дополнительной обмоткой последовательного возбуждения, которая придает механической характеристике требуемый наклон. МДС этой обмотки обычно составляет 10% от МДС обмотки параллельного возбуждения.
При изменении Rрв изменяется ток возбуждения Iв и магнитный поток Фδ. При этом будет изменяться и скорость n.
При разрыве ОВ (выключатель, предохранитель) и небольшой нагрузке на валу n резко возрастает (двигатель идет «вразнос»). При этом ток Iа резко возрастает.
Если ОЯ и ОВ питаются от разных источников, то это – ДНВ. Механические характеристики ДНВ аналогичны характеристикам Д||В, так как его Iв также не зависит от тока Iа.
5.3 Д=Т с последовательным возбуждением (ДПВ)
Здесь Iв = Iа, поэтому Фδ = f (Iа). Характер этой зависимости (см. рисунок ) изменяется от степени нагруженности Д, т.е. от тока Iа. На первом участке (I) при Iа < (0,8 – 0,9) Iном, т.е. при ненасыщенной магнитной системе, Фδ пропорционален току Iа. При возрастании Iа поток Фδ растет меньше, чем Iа, а при больших нагрузках, соответствующих насыщению магнитной цепи, можно считать, что Фδ const (участок II).
Скоростная (n = f(Iа) характеристика на I участке имеет форму гиперболы, так как
n = U/сЕФδ - IаRa/сЕФδ , или n = U/к1Iа - IаRa/ к1Iа. =
(k1 – k3 – константы).
При Iа > Iном (на участке II, Фδ const) эта характеристика становится линейной:
n = U/сЕФδ - IаRa/сЕФδ = (k4 , k5 – константы).
Моментная характеристика М = f (Iа) на I участке имеет форму параболы, поскольку М = сМ IаФδ , и при Фδ~Iа n = k6Iа2.
При больших Iа (участок II) Фδ const, и характеристика М = f(Iа) становится линейной.
Механическая характеристика ДПВ. Анализ (4) с учетом соотношения М = сМIаФδ позволяет построить механические характеристики ДПВ.
При малых М (Iа) (участок I) n – c2 , т.е. характеристика имеет вид гиперболы. При больших М (Iа), т.е. на участке II, Фδ const, и зависимость стремится к падающей линейной. При различных сопротивлениях Rп кроме естественной характеристики (1) можно получить реостатные характеристики (2) и (3).
Таким образом, механические характеристики ДПВ являются мягкими. При малых нагрузках скорость n стремится бесконечно нарастать («разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять в приводах, работающих в режиме ХХ или при малых нагрузках. Такие Д=Т используют в приводах, где момент нагрузки изменяется в широких пределах и имеются тяжелые условия пуска (рельсовый транспорт, подъемно-транспортные механизмы).
5.4 Д=T со смешанным возбуждением
Здесь основной поток машины Фδ создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – последовательного возбуждения (ОПВ) и параллельного (О||B). Поэтому механическая характеристика такого двигателя расположена между характеристиками Д||B и ДПВ. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме механические характеристики могут быть ближе к характеристикам Д||B или ДПВ.
5.5 Пуск Д=Т
Пуск Д=Т - это процессы, протекающие в нем от момента подачи электрической мощности до установления скорости вращения nв, соответствующей моменту полезной нагрузки на валу Мв.
Для пуска Д=Т в ход необходимо обеспечить надлежащий электромагнитный момент двигателя Мп (пусковой момент), превышающий момент нагрузки Мв (Мп> Мв), и предотвратить чрезмерное возрастание тока якоря Ia в момент пуска (пускового тока Iп).
Применяются 3 способа пуска:
- прямой пуск, когда обмотка якоря подключается непосредственно к питающей электрической сети на ее полное напряжение U;
- реостатный, при котором в цепь якоря в момент пуска включается Rп для ограничения Ia;
- пуск при пониженном напряжении питания цепи якоря.
5.5.1 Прямой пуск
При Поскольку очень мало, . Поэтому прямой пуск применяют только для двигателей малой мощности, у которых относительно велико, а .
5.5.2 Реостатный пуск.
Это - наиболее распространенный способ пуска Д=Т. Для примера рас смотрим пуск Д||В (рисунок ). Пуск осуществляется из точки (1),лежащей на характеристике, соответствующей наибольшему сопротивлению пускового реостата Rпмах= Rп2. По мере разгона (увеличения скорости) развиваемый двигателем электромагнитный момент M падает, т.к. растет противо-ЭДС якоря и уменьшается ток якоря (а как мы знаем, развиваемый М=Т электромагнитный момент М пропорционален току якоря).
При достижении некоторого значения (точка 2) сопротивление реостата скачком уменьшается до значения Rп1, и двигатель переходит в точку (3) на соответствующей этому значению Rп механической характеристике (при неизменной скорости n, т.к. скорость вращения мгновенно измениться на может из-за механической инерционности якоря Д=Т с присоединенным к нему рабочим механизмом); M снова уменьшается до ,а скорость растет, и т.д. (по пунктирной линии) до перехода в установившийся режим (n=const= nв) по естественной механической характеристике (Rп=0), т. е в точку (6), где выполняется условие баланса моментов М=Мв).
Во времени процесс пуска выглядит, как показано на рис.
5.5.3 Пуск путем плавного повышения питающего U
Для осуществления такого пуска Д=Т требуется иметь источник с регулируемым выходным напряжением (отдельный Г=Т, управляемый выпрямитель и т.п.). Этот способ используют обычно в тех случаях, когда требуется не только пуск, но и регулирование скорости вращения.
5.6 Останов двигателя
Останов Д=Т осуществляется путем отключения его от питающей сети с помощью рубильника (контактора, пускателя) или другого выключателя. При этом нельзя допускать разрыва цепи обмотки возбуждения (например, чаще всего оставляют ее замкнутой на якорь). При мгновенном разрыве цепи возбуждения в ОВ из-за ее большой индуктивности возможно возникновение большой ЭДС самоиндукции, которая может вызвать электрический пробой изоляции ОВ. Поэтому нужно, чтобы ток в ОВ после отключения двигателя уменьшался до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени.
5.7 Реверс Д=Т
Для изменения направления вращения ротора Д=Т необходимо изменить направление движущего электромагнитного момента М, действующего на его якорь. Исходя из выражения электромагнитного момента ЭМ=Т
,
это можно сделать двумя способами:
- изменить направление тока в обмотке якоря;
- изменить направление потока , т.е. тока в обмотке возбуждения.