5.2 Электропривод с двигателями постоянного тока с по­следовательным возбуждением

В рассматриваемых двигателях постоянного тока обмотка возбуждения включается (рис.5.16) возбуждения включается (рис. 5.16) последовательно с обмоткой якоря, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый им поток Ф будет пропорционален току якоря

Ф = аI_я (5.25)

Рис.5.16. Схема включения двига­теля постоянного тока

последова­тельного возбуждения

Здесь а – нелинейный коэффициент а = f(I_я); нели­нейность этого коэффициента связана с формой кривой намагничивания и размагничивающим действием реакции якоря; оба этих фактора проявляются при больших токах I_я > 0,7 - 0,8 I_я ; при малых токах якоря коэффи­циент а можно считать величиной постоянной. При токах якоря I_я > 2I_ян машина насыщается, и вели­чина потока мало зависит от тока якоря, Зависимость потока возбуждения от нагрузки (см. 5.25) определяет своеоб­разие электромеханических характери­стик двигателя постоянного тока после­довательного возбуждения.

Для изменения направления вра­щения двигателя последовательного возбуждения недостаточно изменить полярность напряжения, подводимого к двигателю, т.к. при этом изменится одновременно и направление тока в обмотке якоря и полярность потока возбуждения. Поэтому для реверси­рования двигателя нужно изменить направление тока в одной из частей машины, например в обмотке возбуждения, оставив направление тока в обмотке якоря неиз­менным, как это показано на схеме рис.5.17.

Рис.5.17. Схема реверсиро­вания двигателя постоян­ного тока последовательно

Подставив (5.25) в (5.2) и (5.3), получим основные со­отношения для рассматриваемых двигателей.

М = каI_я² (5.26)

Е_я = каI_яω (5.27)

Соответственно, выражение для электромеханической и ме­ханической характеристик двигателя последовательного возбуж­дения будут:

или (5.28)

или (5.29)

В первом прибли­жении механическую характеристику дви­гателя постоянного то­ка последовательного возбуждения, если не учитывать насыщение магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересе­кающей ось ординат, а асимптотически приб­лижающуюся к ней.

Рис.5.18. Естественная и «идеальная» меха­ническая характеристика двигателя после­довательного возбуждения

Если положить (Rя + Rв)=0, то характе­ристика (см. рис.5.18) не будет пересекать и ось абсцисс. Такая характеристика назы­вается «идеальной»; выше нее характеристики быть не могут. Реальная естественная характеристика пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей току короткого замыкания (момент М_к). Если учитывать насыщение двигателя, то при моментах меньших 0,8А4 характеристика криволи­нейна и носит гипербо­лический характер; при больших значениях тока и момента поток вследст­вие насыщения становит­ся постоянным и харак­теристика выпрямляется. Характерной осо­бенностью характеристик двигателя последова­тельного возбуждения является отсутствие точ­ки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость двигателя существенно возрастает, вследствие чего оставлять двигатель без нагрузки недо­пустимо.

Рис.5.19. Реостатные механические харак­теристики двигателя последовательного возбуждения

Важным достоинством двигателей последовательного воз­буждения является большая перегрузочная способность на низ­ких скоростях. При перегрузке по току в 2,25-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0-3,5 номинального. Это обстоятельство оп­ределило широкое использование двигателей последовательного возбуждения для электрических транспортных средств, где наи­большие моменты необходимы при трогании с места. Вторым важным достоинством двигателей последовательного возбужде­ния является отсутствие источника питания для цепи возбужде­ния двигателя.

Искусственные механические характеристики могут быть получены тремя способами: включением добавочного сопротив­ления в цепь якоря, изменением величины питающего напряже­ния и шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлени­ем.

При введении добавочного сопротивления в цепь якоря же­сткость механических характеристик уменьшается и уменьшается значение М_к (см. рис.5.19). Этот способ регулирования использу­ется при пуске двигателя, когда ступени сопротивления перемы­каются пусковыми контакторами К1, К2, КЗ. На рис.5.19 показа­ны пусковые характеристики, соответствующие трехступенчатой схеме пуска. Длительная работа на реостатных характеристиках сопряжена со значительными потерями энергии в сопротивлениях.

Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя после­довательного возбуждения является изменение величины подводимого к двига­телю напряжения. Механи­ческие характеристики, со­ответствующие этому спо­собу регулирования, показа­ны на рис.5.20.

Рис.5.20. Механические характери­стики двигателя последовательного возбуждения при изменении питаю­щего напряжения

По мере уменьшения напряжения они смещаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике. Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулировании изменением напряжения дополнительные потери отсутствуют.

Рис.5.21. Схема регулируемого электропривода с двигателем посто­янного тока последовательного воз­буждения и широтно-импульсным регулятором напряжения

Двигатели последова­тельного возбуждения час­то получают питание от сети постоянного тока или источника постоянного тока с нерегулируемой ве­личиной напряжения. Регу­лирование напряжения на зажимах двигателя в этом случае целесообразно про­изводить способом широтно-импульсного регулирования, который рассмотрен ниже. Уп­рощенная схема регулируемого электропривода с двигателем по­стоянного тока последовательного возбуждения и широтно-импульсным регулятором напряжения показана на рис.5.21

Рис.5.22. Схема и механические характеристики двигателя последовательно­го возбуждения при шунтировании обмотки якоря

Изменение потока возбуждения в рассматриваемых двигате­лях возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлени­ем (см. рис.5.22,а). В этом случае ток возбуждения будет равен

т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от на­грузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последователь­ного. Благодаря независимому возбуждению механические ха­рактеристики т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от на­грузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последователь­ного. Благодаря независимому возбуждению механические ха­рактеристики приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат. Примерные механические характеристики для этого способа регулирования показаны на рис.5.22,6. Шунтирование якоря позволяет получить устойчивую пониженную скорость при отсутствии нагрузки на валу двигателя. В данной схеме возможен переход двигателя в режим рекуперативного торможения при скорости ω > ω₀₁ или ω > ω₀₂. Существенным недостатком рас­сматриваемого способа регулирования является его неэкономич­ность, обусловленная большими потерями энергии в шунтирую­щем сопротивлении.

Для двигателей последовательного возбуждения характерны два режима торможения: противовключением и динамический. В режиме противовключения необходимо включение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя. На рис.5.23 показаны ме­ханические характеристики для двух вариантов режима проти­вовключения. Характеристика 1 получается, если при работе дви­гателя в направлении «вперед» (точка в) изменить направление тока в обмотке возбуждения и одновременно ввести в цепь двига­теля добавочное сопротивление. При этом двигатель переходит в режим противовключения в точке а с тормоз­ным моментом М_торм, под действием которо­го будет происходить торможение двигателя.

Рис.5.23. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

в режиме противовключения

При этом благода­ря тому, что в цепь двигателя включено большое добавочное сопротивление (кото­рому соответствует характеристика 2), двигатель под действием момента, создаваемого грузом, вращается в обратном направлении и будет работать в точке б, в которой активный статический момент М_груза уравновеши­вается тормозным моментом двигателя, работающего в режиме противовключения. Режим противовключения сопряжен со значительными потерями энергии в цепи двигателя и добавочной сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей последовательного возбуж­дения возможен в двух вари­антах. В первом - якорь двигателя замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети через добавочное сопротивле­ние. Характеристики двигате­ля в этом режиме подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения.

Во втором варианте, двигатель работает как генератор с самовозбуждением. Особенность дан­ной схемы состоит в том, что при пе­реходе из двигательного режима в режим динамического торможения необходимо сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избе­жание размагничивания машины. При размыкании контактора КМ ток в об­мотке возбуждения становится рав­ным нулю, но, так как магнитопровод машины был намагничен, то сохраня­ется остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под действием которой при замыкании контактов КВ в цепи обмотка якоря-обмотка возбуждения-сопротивление К протекает ток, и машина самовозбуждается. Этот процесс происходит, если скорость двигателя будет больше граничной скорости ω_гр Механические характеристики в режиме динамического торможения с самовозбуждением показаны на рис.5.25.

Рис.5.25. Механические характеристики двигателя последовательного возбу­ждения в режиме динами­ческого торможения с са­мовозбуждением

Режим рекуперативного торможения в обычной схеме вклю­чения двигателя последовательного возбуждения невозможен. Для его осуществления необходимо шунтирование якоря двига­теля, либо применение отдельной дополнительной обмотки неза­висимого возбуждения.