Назад: 2.3 Управление скоростью электропривода

2.4 Регулирование двигателем с независимым возбуждением

Общее уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока:

n = U/(C_EФ) – RM/(C_E C_M Ф²), (2.2)

где n – скорость вращения якоря двигателя, об/мин; U – напряжение питающей сети, В; R – активное сопротивление цепи якоря, Ом; Ф – магнитный поток двигателя, вебер; М – момент на валу двигателя, кгм; C_E и C_M – постоянные величины, зависящие от конструкции двигателя.

Для естественной механической характеристики в уравнении (2.2) напряжение питающей сети U равно номинальному напряжению якоря двигателя, R – активное сопротивление обмотки якоря двигателя R_я (добавочные сопротивления отсутствуют), магнитный поток Ф обусловлен номинальным током в обмотке возбуждения двигателя и остается неизменным при изменении момента М. В первый момент пуска двигателя, когда скорость еще равна нулю, уравнение (2.2) принимает вид

М_п = С_МIФ. (2.3)

В уравнении (2.3) М_п – пусковой момент двигателя, а I = U/R_я – ток, возникающий в обмотке якоря в первый момент пуска двигателя. Если момент нагрузки равен нулю, то уравнение (2.2) будет иметь вид

n = n₀ = U/(C_EФ).

Скорость n₀ называют скоростью идеального холостого хода двигателя, когда к валу не приложен статический момент рабочей машины. Реально n₀ несколько меньше, так как в самом двигателе существуют силы, обусловленные трением коллектора о щетки и трением в подшипниках. Однако эти силы достаточно малы, и при построении механических характеристик двигателя ими пренебрегают.

Отношение R/(C_EC_MФ²) в выражении (2.2) называют угловым коэффициентом механической характеристики. Из уравнения (2.2) видно, что изменять величину скорости двигателя можно, изменяя значение R в цепи его якоря или изменяя поток возбуждения Ф (параметрические методы), или изменяя величину напряжения питания якоря, для чего используют усилительную технику.

Изменение сопротивления, включенного последовательно с обмоткой якоря осуществляется включением добавочного сопротивления R_п последовательно в цепь якоря (рис.2.9,а). Уравнение механической характеристики для этого случая иметь вид

n = U/(C_EФ) – (R_я+ R_п)M/(C_EC_MФ²).

Рис.2.9. Схема включения (а) и механические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения (б) (1, 2, 3 соответствуют разным величинам R_n, где R_П3>R_П1)

Из уравнения видно, что изменение R_п не влияет на значение скорости идеального холостого хода, поэтому все искусственные характеристики начинаются из одной точки (рис.2.9,б), но чем больше R_п, тем больше крутизна характеристики и тем меньше пусковой момент, который может развить двигатель.

Критической величины последовательно включенное сопротивление R_пк достигает тогда, когда пусковой момент двигателя уменьшится до величины момента трогания, который равен правой части уравнения (2.1), что соответствует характеристике 3 на рис.2.9,б. Диапазон регулирования скорости (Д) определяется как

Д = n_н – n_min,

где n_н – номинальная скорость двигателя, соответствующая номинальному моменту нагрузки. Чем больше разница в значениях между моментом трогания и номинальным моментом, тем меньше диапазон регулирования скорости.

Несмотря на простоту, этот метод регулирования скорости двигателя имеет существенные недостатки:

1) большие потери энергии в добавочных сопротивлениях (обычно необходимо иметь несколько сопротивлений);

2) большие размеры резисторов, так как через них длительное время должен протекать весь ток нагрузки;

3) чем круче характеристика, тем значительнее изменения скорости вращения при одном и том же отклонении момента нагрузки от номинального.

Вследствие указанных недостатков регулирование включением добавочных сопротивлений последовательно с обмоткой якоря находит ограниченное применение. Этот метод, как правило, используют при пуске мощных двигателей с целью ограничения пусковых токов в цепи обмотки якоря.

Пусковые токи, если не принять специальных мер, могут достигать таких больших значений, при которых обмотка якоря может перегореть, разрушиться. Действительно, ток в обмотке якоря работающего двигателя определяется из выражения

I_я = (U – E)/R_я,

где Е= С_ЕnФ – электродвижущая сила двигателя (ЭДС).

Номинальному току, на который рассчитана обмотка якоря, соответствует номинальная ЭДС, которая мало отличается по величине от напряжения питания якоря. Однако в первый момент при пуске скорость, а значит, и ЭДС равны нулю, и ток в обмотке якоря, определяемый из выражения I_я = U/R_я, будет превосходить номинальный в несколько раз. Чтобы уменьшить значение пускового тока до приемлемой величины, последовательно с якорной обмоткой включают добавочное сопротивление R_п, при котором двигатель разгоняется до некоторой скорости n₁ < n_н. Этой скорости будут соответствовать ЭДС Е₁ = С_Е n₁ Ф и ток:

I_я1 = (U – E₁)/(R_я + R_п).

После того как двигатель разогнался до скорости n₁, добавочное сопротивление R_п выводится из цепи якоря, ток несколько возрастает, и двигатель разгоняется до номинальной скорости.

Один из вариантов автоматического пуска электродвигателя с использованием в цепи якоря добавочного резистора R_п показан на рис.2.10.

Рис. 2.10. Схема разгона двигателя при пуске в функции времени

При нажатии на кнопку S2 подается питание на контактор К1 и реле времени КT. Контакты контактора К1 в цепи двигателя М замыкаются, и напряжение питания подается на обмотку возбуждения OBM двигателя и через резистор R_п, ограничивающий пусковой ток, на его якорь. Двигатель начинает набирать обороты. Через заданную выдержку времени замыкается контакт КТ реле времени, и на катушку реле К2 поступает напряжение питания. Реле К2 срабатывает и своим замыкающим контактом шунтирует резистор R_п, после чего двигатель М разгоняется до номинальных оборотов.

В реальных ситуациях пусковых резисторов обычно бывает больше, что ведет к усложнению схемы, но не является существенным для понимания способа управления скоростью разгона двигателя.

Изменение напряжения питания якоря. Этот способ обеспечивает наибольший диапазон изменения скорости двигателя, но предполагает питание якоря от усилительного устройства (рис.2.11,а), в качестве которого может быть применен полупроводниковый усилитель (транзисторный или тиристорный), магнитный или электромашинный усилители.

Рис. 2.11. Схема включения и механические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения

Механическая характеристика двигателя для этого случая имеет вид

n = U_x/(C_EФ) – (R_я + R_у)М/( C_EC_МФ²), (2.4)

где напряжение питания якоря U_x меньше или равно номинальному напряжению (поток возбуждения при этом способе остается постоянным и равен номинальному).

Сопротивление R_y в выражении (2.4) равно внутреннему сопротивлению выходной цепи усилительного устройства. По величине это сопротивление обычно мало и при изменении напряжения выхода усилителя остается неизменным. Поэтому все искусственные механические характеристики имеют наклон несколько больший, чем естественная механическая характеристика двигателя, и располагаются при изменении напряжения питания параллельно друг другу (рис.2.11,б). С уменьшением напряжения питания скорость идеального холостого хода, как следует из (2.4), тоже уменьшается, а так как крутизна характеристики незначительна, двигатель и при малых напряжениях питания якоря может развивать достаточно большой пусковой момент, что и обусловливает возможность иметь большой диапазон изменения скорости.

Существует достаточно обширная специальная литература как по основам электропривода, так и по вопросам автоматического управления электроприводом. В этой литературе подробно рассмотрены разнообразные способы и схемы регулирования скорости электропривода за счет изменения напряжения питания якоря.

На рис.2.12 в качестве усилительного устройства использованы тиристоры, и изменение напряжения на якоре двигателя осуществляется изменением угла их открытия, а реверс – изменением контакторной схемы. Торможение двигателя происходит за счет свободного выбега. Достижимый диапазон регулирования скорости в такой схеме » 30.

Рис. 2.12. Схема главной цепи тиристорного привода с реверсом с помощью контакторов

Для получения специальных механических характеристик электроприводов, для обеспечения особо сложных режимов их работы и широкого диапазона регулирования скорости в промышленном оборудовании широко применяется система генератор – двигатель. Эта система состоит из двигателя постоянного тока (в основном с независимым возбуждением), обмотка якоря которого питается от отдельного генератора. Генераторы малой и средней мощности обычно приводятся во вращение асинхронным двигателем. В крупных агрегатах для этой цели применяют синхронные двигатели.

В настоящее время широкое распространение в качестве генераторов в системах генератор-двигатель находят электромашинные усилители с поперечным полем (рис.2.13). Электромашинный усилитель (ЭМУ) представляет собой генератор постоянного тока, имеющий два комплекта щеток, расположенных по двум взаимно перпендикулярным осям. Якорь ЭМУ приводится во вращение асинхронным электродвигателем (на рисунке этот двигатель не показан). Обмотку возбуждения ЭМУ (w_y) называют обычно обмоткой управления. Через обмотку управления протекает небольшой ток i_у, вызывающий также небольшой поток Ф_у. Под воздействием этого потока между щетками, расположенными на вертикальной оси якоря, при его вращении наводится небольшая ЭДС.

Рис. 2.13. Система генератор – двигатель с ЭМУ в качестве генератора

Щетки замкнуты накоротко, и поэтому по обмотке якоря протекает ток I_к значительной величины, создающий поток Ф реакции якоря, который много больше потока Ф_у. Под воздействием потока Ф_п между второй парой щеток ЭМУ (на рисунке они расположены по горизонтальной оси) наводится рабочая ЭДС усилителя. Эти щетки замкнуты на потребителя, которым на рис.2.13 является обмотка якоря двигателя М. Возникающий ток нагрузки I_н, проходя по обмотке якоря ЭМУ, создает значительный поток реакции якоря Ф_р, который направлен встречно потоку Ф_у и вызывает размагничивание генератора. Чтобы компенсировать действие размагничивающего потока, в усилителе предусмотрена обмотка компенсации w_к. Ток нагрузки, проходя по w_к, создает поток компенсации Ф_к, который направлен встречно потоку Ф_р. Степень компенсации можно регулировать, изменяя значение сопротивления резистора R_ш, который включен параллельно обмотке w_к. Обычно ЭМУ настраивают так, чтобы усилитель работал с небольшой недокомпенсацией. Напряжение на выходе ЭМУ, а следовательно, и скорость двигателя регулируют, изменяя напряжение (ток) обмотки управления ЭМУ потенциометром R_y. Реверс двигателю обеспечивают обычно изменением полярности напряжения на w_y усилителя.

Одной из основных характеристик усилительных устройств является, как известно, коэффициент усиления – отношение параметра выхода к одноименному по размерности параметру входа. Входным параметром ЭМУ является мощность, потребляемая обмоткой управления, а параметром выхода – мощность, отдаваемая усилителем двигателю. Коэффициент усиления по мощности ЭМУ с поперечным полем достигает 10⁴. При таком усилении, подводя к w_y мощность, равную долям ватта, на выходе можно получить мощность в 10000 Вт. Диапазон регулирования скорости в системах с ЭМУ достигает 200 и более.

Большой коэффициент усиления по мощности, высокое быстродействие при наличии в конструкциях ЭМУ двух и более обмоток управления позволяет широко их использовать в САР.

Далее: 2.5 Регулирование двигателем с последовательной обмоткой возбуждением