7. Регулирование скорости, тока и момента дпт

8.1 Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепи якоря

Этот способ, часто называемый реостатным, прост в реализации и широко используется для регулирования скорости, а также для регулирования (ограничения тока) и момента ДПТ независимого возбуждения. Семейство искусственных (регулировочных) характеристик, полученных для различных значений сопротивления якорной цепи R (за счет изменения добавочного сопротивления R_д) представлено на рис.8.1.

Рис.8.1 Реостатные характеристики ДПТ

независимого возбуждения. Тут R_д2 > R_д1

Из уравнения механической характеристики (8.4) видно, что величина скорости холостого хода ₀ не зависит от R_a+R_d. Поэтому все характеристики – как естественная (R_д = 0), так и искусственные (R_д  0) исходят из одной точки ( = ₀, М = 0).

Наклон характеристик, определяемый изменением скорости  (см.7.7), пропорционален полному сопротивлению якорной цепи (R_a+R_d), и с ростом R_д увеличивается, они становятся более мягкими.

Оценим этот способ регулирования:

• Диапазон регулирования скорости (D) небольшой, обычно не превосходит 23;

• Направление регулирования – вниз относительно естественной характеристики;

• Плавность регулирования определяется плавностью изменения R_д (обычно невелика);

• Стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования и в среднем невысока;

• Экономичность регулирования оценим, сопоставив затраты на реализацию данного способа и стоимость потерь мощности при регулировании.

Стоимость используемых резисторов обычно мала, однако стоимость потерь мощности может быть весьма значительной. Рассмотрим, как изменяются потери мощности при уменьшении частоты вращения двигателя. Потери мощности Р равны разности потребляемой мощности Р₁ = U^.I и полезной мощности Р₂ = М^.. Полагая U ≈ Е=C^.Ф^. найдём

Р = U^.I - М^. = C^.Ф^.₀^.I - C^.Ф^.I = C^.Ф^.₀^.I^. = Р₁^. (8.1)

Из (8.1) следует, что потери мощности в двигателе прямо пропорциональны относитель­ному изменению скорости . Так, например, при снижении скорости в 2 раза по сравне­нию со скоростью идеального холостого хода (=0,5), половина потребляемой мощности идет на потери, и КПД привода не может превосходить 50%.

• Допустимая нагрузка соответствует номинальному моменту двигателя, если при снижении скорости не ухудшаются условия охлаждения, например, при независимой внешней вентиляции. В случае же применения двигателя с самовентиляцией, при снижении скорости охлаждение ухудшается, что требует соответствующего снижения нагрузки.

Несмотря на не очень высокие технико-экономические показатели, реостатное регулирование скорости из-за простоты реализации используется достаточно широко - тогда, когда требуется небольшой диапазон регулирования или когда работа на пониженных скоростях имеет кратковременный характер: в электроприводах лифтов, подъемных кранов, некоторых станков и др.

Полученные искусственные характеристики широко используют для ограничения тока и момента в переходных режимах (пуск, торможение), когда ток и момент могут стать недопустимо большими.

В первый момент пуска двигатель находится в режиме короткого замыкания ( = 0, Е = 0, U = U_н) и ток, при его пуске по естественной характеристике (R_д=0), I_п = U / R_а. Из-за малости R_а пусковой ток при прямом пуске может превосходить номинальный в 1050 раз, в то время как допустимый ток I_доп = (22.5)I_н. Ограничение тока при пуске достига­ется введением в якорную цепь пускового сопротивления R_д. Такая же необходимость возникает при торможении и реверсе двигателя.

Для ограничения пускового тока в простейшем случае может быть использована искусственная электромеханическая характеристика, например характеристика 1 на рис.8.2.

Порядок пуска двигателя следующий: он начинает работать, при наличии в цепи якоря добавочного сопротивления R_д1, с максимально допустимого пускового тока

I_max = (2 ÷2,5)^.I_n и далее по характеристике 1. Затем, при токе I_min ≈ 1.2 I_n и скорости ₁, сопротивление R_д1 шунтируется, и двигатель переходит на естественную характеристику.

Сопротивление R_д1 выбирается из условия обеспечения максимального допустимого пускового тока I_max

R_д1 = U / I_max – R_а (8.2)

Рис. 8.2 Естественная и искусственные

характеристики двигателя

постоянного тока

В большинстве случаях при пуске используется не одна, а несколько ступеней пускового реостата и, соответственно, несколько искусственных характеристик. Их количество определяется моментом нагрузки двигателя при пуске и требованиями к плавности пуска.

Динамическое торможение (характеристика 2 на рис.8.2) осуществляется отключением якоря от сети и его замыканием на сопротивление R_д2.

Величина R_д1 определяется по допустимому броску тока в момент переключения с учетом соотношения ЕU

R_д2 = Е / I_доп – R_а  U / I_доп – R_а. (8.3)

Реверс или торможение противовключением (характеристика 3) осуществляется изменением полярности приложенного к якорю напряжения, с одновременным включением в цепь якоря резистора R_д3. В этом режиме ЭДС и напряжение совпадают по направлению и

R_д3 = (U +Е) / I_доп – R_я  2^.U / I_доп – R_я. (8.4)

Естественная

Рис. 8.3 К расчету регулировочных

сопротивлений в цепи якоря

Рассмотрим подробнее методику расчета регулировочных резисторов. Задача формулиру­ется следующим образом: известны технические данные двигателя (R_я, ₀) и естест­венные (механическая и электромеханическая) характеристики.

По условиям регулирования скорости, тока или момента задана искусственная характе­ристика, проходящая через определенную точку (I_п, ₁ на рис.8.3). Величина добавочного со­противления R_д, при включении которого в цепь якоря она будет получена:

R_д = U^.₁ / I_п – R_а, (8.5)

где ₁ = (₀ - ₁)/₀ - относительное изменение скорости в точке I_п, ₁.

В частности из (8.16) следует, что здесь активное сопротивление якорной цепи

R_а = U^._е / I_п, (8.6)

где _е = (₀ - _е)/₀ относительное изменение скорости естественной характеристики в точке I_п, _е. Это выражение может быть использовано для нахождения R_а.

5. Регулирование скорости изменением магнитного потока

Способ регулирования скорости ДПТ независимого возбуждения путем изменения магнит­ного потока находит широкое применение в электроприводе вследствие простоты его реализа­ции и экономичности, так как регулирование осуществляется в маломощной цепи возбуждения.

Возможные схемы включения обмотки возбуждения ДПТ независимого возбуждения приведены на рис. 8.4 б и в. Схема 8.4б предусматривает включение в цепь обмотки возбуждения переменного сопротивления, в схеме 8.4в для изменения тока возбуждения используется управляемый выпрямитель УВ, напряжение которого регулируется сигналом управления U_у. Эта схема более экономична, и применяется для регулирования тока возбуждения мощных двигателей.

б)

а) в)

Рис. 8.4 Кривая намагничивания (а) и схемы включения обмотки возбуждения (б) и (в) ДПТ независимого возбуждения при регулировании магнитного потока

Однако регулирование скорости изменением магнитного тока практически возможно только вверх, так как в насыщенной системе изменение потока за счет изменения тока возбуждения I_в может производиться только в сторону его уменьшения (ослабления) относительно номинального значения. Увеличение же тока возбуждения приводит к весьма незначительному увеличению потока. На рис. 8.4а это отражается в расположении номинальной точки (Ф/Ф_н = 1и I_в/ I_вн = 1) в области насыщения.

Семейство искусственных характеристик ДПТ (I) и (М) получим, рассмотрев изменение расположения точек холостого хода и короткого замыкания при изменении магнитного потока (рис. 8.5).

Рис. 8.5 Характеристики ДПТ

при ослаблении магнитного

потока

Уменьшение потока приводит к увеличению (8.5) скорости идеального холостого хода ₀. Пусковой ток (или ток короткого замыкания) I_п = U/R_я от магнитного потока не зависит, в отличие от пускового момента М_п = C^.Ф^.I_п , который с уменьшением потока падает.

Диапазон регулирования при данном способе –(3 – 4), направление регулирования - вверх, а плавность определяется плавностью регулирования тока возбуждения. Стабильность достаточно высока, хотя она и снижается с ростом скорости.

Способ экономичен, так как не сопровождается значительными потерями мощности, а его реализация не требует больших затрат. Однако вследствие уменьшения потока двигатель не может быть нагружен номинальным моментом - момент снижается в той же степени, что и поток. Однако, учитывая возрастание скорости, рассмотренный способ регулирования способен осуществлять регулирование при постоянной мощности.

Данный способ регулирования скорости нашел широкое применение в электроприводе металлорежущих станков, прокатных станов и наматывающих устройств. Он также может использоваться в комбинации с другими способами регулирования скорости.

5. Регулирование скорости изменением подводимого к якорю напряжения

Регулирование скорости данным способом осуществляется по схеме рис. 8.6, в которой якорь питается от источника (управляемого выпрямителя) постоянного тока П, образуя систему преобразователь–двигатель (П-Д). Обмотка возбуждения ОВ питается от отдельного источника постоянного тока, например от неуправляемого выпрямителя.

Рис.8.6 Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения:

а) схема включения, б) характеристики.

Преобразователь П характеризуется ЭДС Е_п , внутренним сопротивлением R_п и коэффициентом усиления k_у = Е_п/ U_у , где U_у – входной управляющий сигнал. Напряжение на выходе преобразователя в разомкнутой системе (рис.8.6) из-за наличия внутреннего сопротивления зависит от тока нагрузки I

U = Е_п – I^.R_п. (8.7)

С учетом (8.7) формулы для электромеханической и механической характеристик ДПТ независимого возбуждения в системе П-Д принимают вид:

 = Е_п /(CФ) – I^.(R_я + R_п )/ (CФ) = k_п^. U_у/(CФ) – I^.(R_я + R_п )/ (CФ) = ₀ - , (8.8)

 = Е_п /(CФ) – М^.(R_я + R_п ) / (CФ)² = k_п^. U_у /(CФ) – М^.(R_я + R_п ) / (CФ)² = ₀ - . (8.9)

Из (8.8) и (8.9) следует, что при изменении Е_п пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода, однако сами характеристики имеют больший наклон из-за наличия сопротивления R_п. На рис. 8.6 для сравнения показана также естественная характеристика ДПТ с независимым возбуждением при питании от источника бесконечно большой мощности. Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах, а при Е_п = 0 двигатель работает в режиме динамического торможения.

При использовании в качестве преобразователя П генератора постоянного тока (рис.8.7), получаем систему, получившую название генератор–двигатель (Г-Д). Тут якорь двигателя непосредственно соединен с якорем генератора. Регулирование происходит как за счет изменения напряжения генератора, так и за счет изменения потока двигателя.

ОВГ ОВД Рис. 8.7 Схема системы Г-Д

Основными достоинствами системы Г-Д является большой диапазон и плавность регулирования скорости ДПТ, высокая жесткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы, в том числе и рекуперативного торможения. Недостатками являются утроенная установленная мощность электрических машин, низкий КПД, большая инерционность процесса регулирования, шум.

Разомкнутый способ реализации ШИМ для одной фазы, при коэффициенте модуляции (отношении амплитуд синусоидального и пилообразного сигналов)  = 1, иллюстрирует рис. 1.3.

Сигнал от генератора пилообразного напряжения (ГПН) U_гпн сравнивается с синусоидальным напряжением U_sin, частота и фаза которого определяют частоту и фазу напряжения в рассматриваемой фазе. Если синусоидальный сигнал больше пилообразного, вырабатывается логический сигнал «да» (+1), и на нагрузку подается напряжение +Uн, в противном случае вырабатывается сигнал «нет» (-1), и на нагрузку подается напряжение –Uн. Соответствующий блок [5] дан в схеме к лабораторной работе № 2.

Анализ гармонического состава напряжения на нагрузке, получаемого при использовании ШИМ, показывает, что определяющее влияние на гармонический состав выходного напряжения оказывает отношение несущей частоты (частоты пилообразного сигнала) к выходной (основной) частоте инвертора  = f_o / f₁, равное примерно 20 – 60.