Однофазные двигатели 4 страница

Такая связь может появляться, в частности, если обмотка возбуждения или ее часть включается в цепь якоря. Это приводит к существенному изменению характера функции , поэтому двигатели постоянного тока по схеме электрической цепи делятся на двигатели с

независимым;

параллельным;

последовательным и

смешанным возбуждением.

В двигателях с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного тока или магнитное поле главных полюсов этих машин создается постоянными магнитами.

При параллельном возбуждении обмотка возбуждения и цепь якоря соединены параллельно и питаются от одного источника.

При последовательном возбуждении обмотка возбуждения включается последовательно с цепью якоря, а при смешанном на главных полюсах делаются две обмотки, одна из которых включается последовательно, другая – параллельно.

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

Уравнение механической характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения соответствует основному уравнению , т.к. между потоком Ф, напряжением питания и моментом нет дополнительных связей. Его можно преобразовать к виду , где - скорость холостого хода, а величина обратная жесткости характеристики . Жесткость механической характеристики является очень важным параметром, т.к. отражает изменение скорости двигателя при изменении нагрузочного момента. Если скорость постоянна при любом моменте, то характеристика называется абсолютно жесткой, если же она изменяется от до при постоянном моменте, то характеристика абсолютно мягкая.

Очевидно, что уравнение механической характеристики это уравнение прямой линии с коэффициентом наклона , пересекающей ось в точке холостого хода . Точку пересечения характеристики с осью момента, т.е. пусковой момент двигателя, найдем, положив , тогда . Таким образом, скорость холостого хода определяется только величиной магнитного потока и напряжением питания, а жесткость характеристики – сопротивлением цепи якоря и магнитным потоком. При номинальном потоке и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, жесткость характеристики двигателя параллельного возбуждения высокая и отклонение скорости от скорости холостого хода при номинальном моменте составляет 2-8%. Двигатели с такой жесткой характеристикой могут использоваться в приводе, где требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки оставалась практически постоянной.

Из уравнения механической характеристики следует, что управлять скоростью вращения можно изменением трех величин: магнитного потока Ф; напряжения питания якоря и добавочного сопротивления в цепи якоря , если в уравнении под понимать сопротивление всей цепи якоря, состоящей из последовательно включенного собственно якоря и добавочного сопротивления. Изменение любого из этих параметров будет вызывать изменение механической характеристики и соответственно скорости вращения двигателя. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Электрическая схема управления магнитным потоком двигателя приведена на рисунке (а). Изменение сопротивления в цепи возбуждения при постоянном напряжении якоря будет приводить изменению тока обмотки возбуждения и линейно связанного с ним магнитного потока главных полюсов Ф. Изменение магнитного потока может быть только в меньшую сторону, т.к. магнитная система двигателя насыщена и увеличение тока возбуждения будет только перенасыщать ее, не вызывая существенного возрастания потока. Уменьшение Ф (увеличение ) ведет к увеличению скорости холостого хода и уменьшению пускового момента, т.е. жесткость характеристики будет уменьшаться (рис (а)). Регулировочные характеристики строятся при условии постоянства момента. При нулевом моменте функция представляет собой гиперболу. Это означает что при малых токах возбуждения двигатель будет разгоняться до недопустимо больших скоростей. При ненулевых постоянных моментах нагрузки уменьшение магнитного потока будет приводит к увеличению тока якоря ( ), и соответствующему увеличению падения напряжения на . Скорость вращения при этому будет возрастать до момента, пока падение напряжения не станет равным . В этом режиме скорость вращения достигнет максимума и дальше будет уменьшаться. Увеличение момента нагрузки будет приводить к снижению максимальной скорости.

Изменение напряжения якоря (рис. (б)) также возможно только в сторону уменьшения, т.к. электрические машины по условию электрической прочности изоляции не рассчитаны на работу при повышенных напряжениях. Как следует из уравнения механической характеристики, уменьшение напряжения будет приводить к линейному уменьшению скорости холостого хода и пускового момента, т.е. жесткость характеристик при этом будет сохраняться. Регулировочные характеристики также будут линейны. Регулирование напряжением якоря обеспечивает полное плавное управление двигателем при скоростях нише номинальной с оптимальными характеристиками управления. В современных системах оно реализуется с помощью управляемых выпрямителей или широтно-импульсных преобразователей, позволяющих использовать все возможности двигателя при высоких энергетических показателях.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря (рис.(в)), позволяет изменять жесткость механической характеристики при сохранении скорости холостого хода, т.е. все искусственные характеристики пересекаются в точке холостого хода. Регулировочные характеристики также как при управлении напряжением якоря линейны, однако с изменением момента они меняют свой наклон, т.е. изменяется передаточная характеристика двигателя, что усложняет процесс управления. Кроме того, реостат в цепи якоря потребляет большую мощность, ухудшая энергетические показатели работы привода, поэтому этот способ управления в современных разработках не используется.

В заключение рассмотрим характеристики двигателя при одновременном уменьшении напряжения питания якоря и обмотки возбуждения, т.е. при их параллельном подключении к одному источнику питания. В этом случае магнитный поток можно представить через напряжение и сопротивление обмотки возбуждения в виде , где - коэффициент связи между током возбуждения и потоком. Подставляя это выражение в уравнение механической характеристики, получим

, где и - константы. Таким образом, механические характеристики при уменьшении напряжения качественно будут выглядеть так же, как при изменении сопротивления в цепи якоря, но уменьшение жесткости характеристик будет выражено существенно больше.

Двигатели последовательного возбуждения

В двигателях последовательно возбуждения обмотка возбуждения включена в цепь якоря, поэтому . Таким образом, двигатель последовательного возбуждения при том же токе якоря развивает существенно больший электромагнитный момент.

Подставляя в уравнение электромеханической характеристики ток якоря и магнитный поток из полученных выше выражений, представим уравнение механической характеристики в виде

, где ; .

Управляющими параметрами в этой характеристике являются напряжение на якоре и сопротивление цепи якоря . Напряжение на якоре при последовательном соединении его с обмоткой возбуждения отличается от напряжения источника питания на величину падения напряжения на обмотке. Однако сопротивление обмотки очень невелико и в уравнении можно считать напряжением источника питания. Кроме того, в машине последовательного возбуждения можно регулировать также магнитный поток, шунтируя регулировочным сопротивлением обмотку возбуждения или якорь. Второй способ крайне неэкономичный, т.к. сопротивление будет подключено практически на напряжение питания, что вызовет большие потери мощности и снижение общего КПД устройства. Поэтому в дальнейшем мы рассмотри только регулирование шунтированием обмотки возбуждения. Для этого введем коэффициент возбуждения , исходя из известного уравнения распределения токов в параллельном соединении и :

. Коэффициент ослабления изменяется в пределах при изменении сопротивления шунта . Тогда магнитный поток будет равен и в уравнении механической характеристики появится произведение везде, где есть , и окончательно механическая характеристика примет вид

.

Таким образом, мы получили уравнение характеристики с полным набором переменных для управления машиной.

Механические характеристики представляют собой резко падающие с увеличением момента кривые (см. рисунок). Они имеют две асимптоты: ось ординат и линию , соответствующую скорости вращения при . Пусковой момент двигателя последовательного возбуждения равен .

Отсутствие точки холостого хода создает определенные сложности в эксплуатации, т.к. требует обеспечения минимально допустимого момента нагрузки, при котором скорость вращения не будет превышать допустимую по условиям механической прочности якоря. В то же время, квадратичная зависимость электромагнитного момента от тока якоря, позволяющая развивать большой момент при перегрузках, является причиной широкого распространения этих двигателей в подъемно-транспортном оборудовании и на транспорте.

Управление скоростью вращения изменением магнитного потока производится с помощью по схеме рис (а). Как и в случае двигателя параллельного возбуждения регулирование момента возможно только при уменьшении потока. В уравнении механической характеристики это соответствует изменению коэффициента возбуждения . Уменьшение коэффициента возбуждения приводит к снижению пускового момента и уменьшению жесткости характеристики. Поэтому механические характеристики, снятые при разных токах возбуждения перекрещиваются.

Изменение напряжения питания возможно только в сторону уменьшения. При этом положение асимптоты характеристики сохраняется и изменяется только ее жесткость. Этот способ регулирования в современных приводах реализуется с помощью управляемых выпрямителей и полупроводниковых широтно-импульсных преобразователей, обеспечивая самые высокие энергетические показатели.

При введении в цепь якоря добавочного сопротивления изменяется только асимптота, соответствующая бесконечно большому моменту. Увеличение сопротивления приводит к снижению асимптоты и к соответствующему уменьшению жесткости характеристик. Этот способ управления неэкономичен из-за больших потерь в добавочном сопротивлении.

Следует заметить, что приведенные на рисунке характеристики имеют в значительной степени теоретическое значение, т.к. в реальных двигателях сколько-нибудь существенной мощности получить режим короткого замыкания на естественной характеристике невозможно. Поэтому в литературе приводятся только участки, соответствующие первой трети характеристик, показанных на рисунке.

Двигатели смешанного возбуждения

Двигатели смешанного возбуждения имею две обмотки, намотанные на те же полюсы. Одна из обмоток включается последовательно в цепь якоря, а другая параллельно этой цепи (см. рисунок). В зависимости от числа витков и токов в этих обмотках, соотношение МДС обмоток может быть различным. Кроме того, эти обмотки могут включаться согласно или встречно. Обычно в двигателях смешанного возбуждения преобладает МДМ параллельной обмотки при согласном включении. В этом случае магнитный поток последовательной обмотки с увеличением нагрузки возрастает и двигатель имеет более мягкую характеристику, чем двигатель параллельного возбуждения, но более жесткую, чем двигатель последовательного возбуждения.

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (кривая 3 на рисунке) представляет собой нечто среднее между характеристиками двигателей параллельного (линия 1 на рисунке) и последовательного (кривая 2 на рисунке) возбуждения. Она позволяет получить значительный пусковой момент в двигателе и исключает опасность разгона якоря до опасных скоростей вращения при холостом ходе.

Скорость двигателя смешанного возбуждения регулируется обычно так же, как в двигателях параллельного возбуждения, хотя в принципе можно использовать и способы, применяемые в двигателях последовательного возбуждения. Изменением МДС обмоток и их взаимным направлением можно получить практически любую промежуточную характеристику. Двигатели смешанного возбуждения применяются для привода компрессоров, прокатных станов, подъемников, в электрической тяге и т.д.

Пуск, торможение, реверс

Пуск двигателей постоянного тока прямым подключением к источнику питания возможен только для двигателей малой мощности, т.к. при этом ток составляет . У двигателей средней и большой мощности кратность пускового тока составляет . Поэтому пуск таких двигателей производится различными способами, наиболее простым из которых является включение в цепь якоря пускового реостата или сопротивления , ограничивающего ток якоря до допустимых пределов ( ). Большие значения токов при пуске объясняются тем, что при неподвижном якоре в нем не наводится противо-ЭДС и ток ограничивается только активным сопротивлением цепи якоря. Величина этого сопротивления обычно очень мала, что и приводит к значительным перегрузкам.

На рисунке 1 показаны электрические схемы и пусковые диаграммы реостатного пуска двигателей параллельного (а) последовательного (б) возбуждения. Они отличаются только схемой включения , поэтому в дальнейшем мы не будем рассматривать их отдельно.

Пуск осуществляется последовательным замыканием контактов ступеней реостата – 1, 2 и 3. В начале пуска все контакты разомкнуты и сопротивление имеет максимальное значение . По мере замыкания контактов оно уменьшается до нулевого значения, когда все контакты замкнуты.

Для формирования режима пуска задаются максимальным и минимальным допустимыми значениями тока якоря. Добавочное сопротивление на -ой ступени пуска определяется из электромеханической характеристики по выражению , где , скорость вращения якоря в конце разгона на -ой ступени.

Переключение контактов можно производить вручную или автоматически по сигналу тока якоря или скорости вращения.

Наиболее эффективным способом пуска является пуск с постепенным повышением напряжения питания. Регулирование напряжения питания в современных приводах осуществляется с помощью полупроводниковых управляемых выпрямителей или широтно-импульсных регуляторов. Эти устройства в приводе постоянного тока используют для регулирования скорости вращения. Одновременно они могут служить для формирования пусковых режимов.

Двигатели мощностью до 1 кВт имеют относительно большое сопротивление якоря, поэтому кратность пускового тока у них невелика и, если позволяет нагрузка, их запускают прямым подключением к источнику питания.

Режимы торможения используют для того, чтобы сократить время остановки двигателя или для фиксации ротора в определенном положении. Торможение можно производить специальными устройствами и/или самим двигателем. Электрическое торможение происходит тогда, когда ток якоря протекает в том же направлении, в котором действует ЭДС якоря (рис. 2). Различают три вида торможения: генераторное с возвратом энергии в сеть (а); торможение противовключением (б) и динамическое торможение (в).

Торможение с возвратом энергии в сеть происходит в том случае, когда ЭДС якоря больше напряжения источника питания . Этот режим возникает либо когда нагрузка на валу раскручивает якорь до скорости выше скорости холостого хода, либо когда снижается напряжение питания. В первом случае рабочая точка перемещается по механической характеристике из положения 1 в положение 2 (рис.3) и двигатель переходит в генераторный режим с отрицательным (тормозным) моментом. Во втором характеристика опускается и, т.к. скорость вращения из-за инерционности ротора остается в первый момент постоянной, то рабочая точка оказывается в положении 2'.

Торможение противовключением происходит в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или обмотке возбуждения переключается на противоположное. Одновременное изменение направления тока в обеих обмотках сохранит прежнее направление момента и торможение не произойдет. У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения имеет большую электромагнитную постоянную времени ( ). Значительно меньше постоянная времени у обмотки якоря, поэтому обычно в этих двигателях переключают обмотку якоря. В двигателях последовательного возбуждения постоянные времени якоря и обмотки возбуждения отличаются несущественно и переключать можно любую цепь.

После переключения естественная характеристика , соответствующая новому направлению тока (рис. 3) располагается в третьем и четвертом квадрантах. Непосредственный переход в какую-либо точку этой характеристики невозможен из-за недопустимого броска тока и момента. Поэтому одновременно с переключением обмотки якоря последовательно включают добавочное сопротивление, формируя характеристику . При переключении рабочая точка перейдет в положение 3 и далее скорость вращения будет снижаться, а рабочая точка скользить по характеристике до остановки якоря в точке 4. Если в этот момент не отключить двигатель от сети, то якорь начнет вращаться в противоположную сторону, пока внешний момент не будет уравновешен моментом двигателя и не наступит статический режим в некоторой точке 5. Торможение противовключением весьма эффективно, но сопровождается большими потерями энергии в якоре и добавочном сопротивлении.

Динамическое торможение происходит при отключении якоря от сети и замыкании его на сопротивление. Двигатель при этом работает генератором, преобразуя запасенную ротором кинетическую энергию в тепловую, рассеиваемую в сопротивлении обмотки якоря и внешнем сопротивлении. Уравнение механической характеристики этого режима соответствует условию и имеет вид

, т.е. соответствует линии проходящей через начало координат и располагающейся во втором и четвертом квадрантах ( рис. 3). Жесткость характеристики при этом определяется тем же коэффициентом, что и в случае подключения якоря к источнику питания. После замыкания якоря на сопротивление рабочая точка переместится в положение 6, а затем по характеристике . В начало координат до полной остановки. Величиной добавочного сопротивления можно регулировать интенсивность торможения. На рисунке 3 тонкой линией показана характеристика и рабочая точка 6' с меньшим значением сопротивления и большим тормозным моментом.

Реверсирование – это изменение направление вращения двигателя. Обычно оно выполняется в две стадии. Сначала двигатель останавливается торможением, а затем изменяется направление тока якоря или обмотки возбуждения и производится пуск. В микромощных (до 500 Вт) двигателях, если нагрузка допускает ударные моменты и требуется изменение направления вращения за минимальный отрезок времени, реверсирование вращающегося двигателя осуществляют переключением обмотки якоря.

Потери мощности и КПД

Электрические машины служат для взаимного преобразования электрической и механической энергии. Любое преобразование неизбежно приводит к потерям энергии.

В машинах постоянного тока потери мощности происходят в магнитопроводе, в цепях якоря и возбуждения, в механике самой машины.

Потери в магнитопроводе любой электрической машины связаны с перемагничиванием материала. Эти потери пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции в степени близкой ко второй. Второй составляющей потерь в магнитопроводе, являются потери на вихревые токи. Они также пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции во второй степени. В двигателях постоянного тока потери возникают только в сердечнике якоря, т.к. только здесь магнитный поток изменяется во времени с частотой вращения. Магнитный поток в статоре постоянный и потери отсутствуют. В соответствии с этим, характер магнитных потерь у этих машин определяется характером их работы. Изменение скорости вращения и нагрузки будет приводить к изменению частоты магнитного потока в сердечнике якоря, а у машин последовательного возбуждения еще и к изменению индукции. Все это делает практически невозможным точное определение магнитных потерь расчетным путем.

Потери в цепи якоря состоят из потерь в сопротивлениях якоря , обмотки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки (если они имеются), а также потерь в контактах щетки-коллектор. Падение напряжения между щетками и коллектором принимается постоянным и равным 1,5-2,0 В. Это связано с тем, что на поверхности коллектора при работе образуется сложная окисная пленка, обладающая нелинейной вольтамперной характеристикой, близкой к характеристике полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. Исходя из этого, потери в цепи якоря можно определить, как . Для двигателей последовательного возбуждения это выражение преобразуется к виду с учетом того, что обмотка возбуждения ( ) включена в цепь якоря, а компенсационной обмотки у таких машин обычно не делают.

У машин параллельного возбуждения учитываются также потери в обмотке в виде .

Механические потери в машинах постоянного тока складываются из потерь трения щеток о коллектор, в подшипниках якоря и вентиляционных потерь.

Механические и магнитные потери при постоянной скорости вращения можно считать постоянными и определить в режиме холостого хода как , где - мощность, потребляемая цепью якоря в режиме холостого хода.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение полезной мощности к потребляемой , т.е.

, где - суммарные потери в машине.

У микромощных машин (до 100 Вт) КПД составляет 0,15-0,5 и повышается с ростом мощности, достигая значений 0,90-0,97 у машин мощностью свыше 100 кВт. Эти значения КПД соответствуют номинальной нагрузке. С изменением нагрузки КПД также будет изменяться. На рисунке приведена типичная зависимость КПД от коэффициента нагрузки . Здесь видно, что при малых нагрузках КПД резко уменьшается, поэтому слабо нагруженную машину невыгодно эксплуатировать.