Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3

возрастать и достигнув максимума далее будет снижаться.. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 2.32.

Генератор со смешанным возбуждением. Генератор со смешан-

ным возбуждением имеет то преимущество, что в нем имеется возможность регулирования напряжения в широких пределах путем изменения тока возбуждения и сравнительного малого изменения напряжения под нагрузкой.

Генератор позволяет получить внешние характеристики различного вида. Основное возбуждение генератора осуществляет параллельная обмотка возбуждения. Последовательная обмотка может включаться или согласно, или встречно по отношению к параллельной

обмотке.

При согласном соединении обмоток последовательная обмотка выбирается таким образом, чтобы она компенсировала размагничивающее действие реакции якоря. В этом случае напряжение нератора (кривая 1) остается почти поянным (рис. 2.33). Практически оно изменяется в пределах 2…3 %. При

встречном включении обмоток возбужния напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Внешняя характеристика приретает вид кривой 2 (рис. 2.33). Встречсоединение параллельной и последовательной обмоток применяется в сварочных генераторах и других циальных машинах.

Рис. 2.32. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

гесто-

де-

об-

Рис. 2.33. Внешние харак- ное теристики генератора со смешанным возбуждением

спе-

Наибольшее практическое применение находит согласное включение обмоток возбуждения.

Генераторы с постоянными магнитами. Генераторы независи-

мого возбуждения с постоянными магнитами используются в качестве тахометров и предназначены для измерения частоты вращения различных исполнительных механизмов. В генераторах используют

130

как обычный якорь с барабанной обмоткой, так и полый или дисковый якорь с печатной обмоткой.

В генераторах с постоянными магнитами отсутствует возможность регулирования возбуждения, поэтому для него характерна только внешняя характеристика. Она подобна внешней характеристи-

ке генератора с электромагнитным независимым возбуждением. ЭДС генератора при холостом ходе согласно (2.15) пропорцио-

нальна магнитному потоку и частоте вращения

Ег = СеФn.

При подключении обмотки якоря к выводам измерительного прибора и постоянстве магнитного потока выходное напряжение генератора будет

Ег =Uг + I яRа.	(
	2.42)

Напряжение генератора

Uг = I яRп,

где Rп − сопротивление прибора (сопротивление нагрузки). Подставляя значение Ег и Uг в уравнение (2.42), получим

окончательное выражение для выходного напряжения генератора

	U г =		CeФn		.				(
		1	+ R R						2.43)
			а	п
	При выводе уравнения (2.43) пренебрега-
	ется сопротивлением щеток и щеточного
	контакта.
	При		постоянном					потоке выходное
	напряжение генератора равно
	Uг = кгn,
	где величина			кг =		СеФ				называется кру-
						1+ R	г	R
									п
Рис. 2.34. Зависимость	тизной характеристик и U=f(n)
напряжения генератора	У тахогенераторов она находится в ин-
от частоты вращения	тервале 3…100 мВ мин−1 .

На рис. 2.34 показана зависимость напряжения генератора от частоты вращения.

Пример 13. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением имеет следующие данные: мощность Р2н=10 кВт, частота вращения ротора n=1200 мин-1, напряжение Uн=220 В, со-

131

противление якорной цепи Rя=0,38 Ом. Определить мощность генератора при снижении его частоты вращения до n=1000 мин-1.

Решение:

Ток генератора I

I = Р2н U =10000 / 220 = 45,45 A.

Из уравнения (2.38) генератора определим значение СеФ

С Ф =	U + I Rя	= 220 + 45,45 0,38	= 0,198.
е	n	1200

Напряжение генератора при сниженной частоте вращения

U = CeФn − IRя = 0,198 1000 − 45,45 0,38 =180,73B.

Мощность генератора при уменьшенных оборотах

Р2 =UI =180,73 45,45 = 8214Bт = 8.21кВт.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое ЭДС вращения? От каких величин она зависит?

2.На каком принципе работают генераторы постоянного тока?

3.Какие системы возбуждения генераторов Вы знаете?

4.Какие характеристики генераторов Вы знаете?

5. При вращении генератора явление самовозбуждения не наблюдается. Почему это происходит?

6.Почему снижается напряжение генератора постоянного тока параллельного возбуждения от увеличения нагрузки?

7.Дайте определение внешней характеристики генератора. Где она используется?

8.Чем отличаются внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения от внешней характеристики генератора с независимым возбуждением?

9.Для чего используется регулировочная характеристика генера-

тора?

10.Какие величины отражают стороны характеристического треугольника?

11.Когда применяется согласное и встречное включение обмоток возбуждения у генератора со смешанным возбуждением?

12.Для какого из генераторов с параллельным или независимым возбуждением короткое замыкание более опасно?

132

13. Чем отличается тахогенератор от обычного генератора? Может ли обычный генератор работать в режиме тахогенератора и наоборот?

2.9. Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в промышленности и наибольшее распространение получили в электроприводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения. Они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении плавного и экономичного регулирования частоты вращения с помощью полупроводниковых приборов, пуска, изменения направления вращения и допускают более высокие перегрузки по сравнению с двигателями переменного тока.

Классификация двигателей. Двигатели постоянного тока классифицируются по способу электромагнитного возбуждения машины:

-независимое возбуждение, (рис. 2.35, а); с самовозбуждением

-параллельное возбуждение, (рис. 2.35, б);

-последовательное возбуждение, (рис. 2.35, в);

-смешанное возбуждение, (рис. 2.35, г); а также без обмотки возбуждения

-возбуждение с постоянными магнитами, (рис. 2.35, д).

Всхемах Rв − резистор в цепи возбуждения, Rп − пусковой рези-

стор.

Рис. 2.35. Схемы двигателей постоянного тока

133

Работа двигателя характеризуется напряжением, отдаваемой (полезной) мощностью, частотой вращения, током якоря и током возбуждения.

Уравнение равновесия напряжения. Если к якорю двигателя под-

вести напряжение U , то оно должно уравновеситься возникающей при вращении якоря ЭДС Е, падением напряжения на cопротивлении

якоря IяRя	и падением напряжения в щеточном контакте, то есть
	U = E + IяRя +∆Uщ,		(
			2.44)
где Rя = rя + rд + rc + rk − сопротивление,		состоящее из сопротивлений
якоря ra ,	дополнительных полюсов rд,	последовательной	rc и ком-

пенсационной rk обмоток;

∆Uщ − падение напряжения в щеточном контакте; I я − ток якоря.

Включая падение напряжения ∆Uщ в падение напряжения на якоре, можно записать

∆Uщ + I яRя = I яRа,	(
где Rа = Rя +∆Uщ / I я .	2.45)
Тогда уравнение (2.44) примет более простой вид
U = E + I яRa .	(
	2.46)

В уравнении (2.46) величину Е обычно называют противо-ЭДС, так как она всегда направлена навстречу току якоря. При номинальной нагрузке двигателя величина Е = (0,9...0,95)U.

Уравнение баланса мощностей. Умножим левую и правую части уравнения (2.46) на ток I я. В этом случае можно записать уравнение

мощностей

UI я = EI я + I я2 Ra ,	(
	2.47)

где UI я = Р1 − мощность, подводимая к якорю двигателя из сети.

Подводимая мощность к двигателю последовательного возбуждения равна Р1 =UI я.

Полная мощность, потребляемая двигателем независимого возбуждения, помимо мощности UI я, включает и мощность, подводи-

мую к обмотке возбуждения от постороннего источника.

Р1 =UI я +UвIв,

134

где Uв и Iв − напряжение возбуждения и ток возбуждения, создавае-

мые посторонним источником.

В двигателе параллельного и смешанного возбуждения мощность, потребляемая из сети, равна

Р1 =U (I я + Iв ),

где Iв − ток обмотки возбуждения.

ЕI я = Рэм − электромагнитная мощность, она равна подводимой

мощности за вычетом потерь в последовательных обмотках и потерь в щеточном контакте.

Полезная мощность или мощность на валу Р2 равна

Р2 = Рэм − рмх − рм − рд,	(
где рмх − механические потери;	2.48)
рм − магнитные потери в магнитопроводе якоря;
Рд − добавочные потери.

Уравнение равновесия моментов. Разделив обе части уравнения

(2. 47) на угловую частоту вращения якоря ω, получим

М = М2 + М0.	(
	2.49)

Вэтом уравнении

М= Рэм ω − электромагнитный момент, развиваемый двигателем,

он определяется из уравнения (2.17);

М2 − момент, развиваемый исполнительным механизмом;

М0 = ( рмх + рм + рд)ω − момент, вызванный механическими, маг-

нитными и добавочными потерями.

Если пренебречь моментом холостого хода М0 , то М = М2. Это

означает, что двигатель развивает момент, равный моменту сопротивления исполнительного механизма. При возрастании момента сопротивления увеличивается момент двигателя, что приводит к увеличению тока якоря I я и уменьшению частоты вращения.

Уравнение движения. При переходных процессах в правую часть уравнения (2.49) следует добавить динамический момент

Мд = Jdω / dt

М = М2 + М0 + J ddtω ,

где J − момент инерции;

ω − угловая частота вращения.

135

Рис. 2.36. Процесс пуска двигателя

Уравнение частоты вращения двигателя. Уравнение частоты вращения двигателя можно получить из (2.46). С учетом уравнения

(2.17), получим

U = CeФn + I яRa ,			(
			2.50)
Откуда частота вращения якоря равна
n =	U − I яRа	.	(
	CеФ		2.51)

Рассмотрим вначале процесс пуска двигателей постоянного тока. Пуск в ход двигателя. Пуск в ход двигателя можно осуществлять несколькими способами:

-прямой пуск,

-пуск при помощи пускового реостата,

-изменением напряжения.

Прямой пуск, с целью ограничения пускового тока при отсутствии ЭДС в якоре при n = 0 , применяется в двигателях мощностью до 400…600 Вт.

Свыше этих мощностей для пуска используется пусковой реостат, т.к. при его отсутствии через якорь протекает ток, превышающий номинальный в 15…20 раз, что недопустимо из-за возможной аварии. По мере нарастания частоты вращения двигателя, а, следовательно, и противо-ЭДС, сопротивление реостата уменьшают. В конце пуска реостат полностью выводят. Так как в период пуска напряжение на якоре снижается, то обмотка возбуждения подключается не на напряжение якоря, а на полное напряжение сети. Процесс пуска иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 2.36.

В мощных установках использование пусковых реостатов становится нецелесообразным из-за возникающих

в них значительных потерь. В этом случае для пуска двигателей прибегают к изменению напряжения на его зажимах. В настоящее время для этих целей используют статические управляемые регуляторы напряжения, выполненные на тиристорах.

136

Регулирование частоты вращения. Как показывает уравнение

(2.51) регулирование частоты вращения двигателя можно осуществить следующими способами:

-изменением величины сопротивления, включенного последовательно в цепь якоря,

-изменением напряжения,

-изменением тока возбуждения (магнитного потока).

На практике применяются все три способа регулирования.

В первом случае включение в цепь якоря последовательно с ним добавочного сопротивления Rд при постоянных величинах U , I я и Ф

приводит к снижению частоты вращения. Это происходит вследствие увеличения падения напряжения на сопротивлении Rд. Чем больше

сопротивление в цепи якоря, тем меньше частота вращения. Метод отличается универсальностью и простотой реализации, однако сопровождается потерями энергии в сопротивлении Rд.

Плавность регулирования частоты вращения определяется плавностью регулирования добавочного сопротивления. Регулирование частоты вниз от номинальной сопровождается ухудшением вентиляции двигателя и его возможным перегревом.

Способ изменения частоты вращения изменением подводимого к двигателю напряжения широко используется в современном электроприводе. Его реализация предусматривает применение для питания якоря двигателя напряжения от управляемого выпрямителя, величина которого может изменяться. Некоторым недостатком способа является содержание высших гармонических в кривой выпрямленного напряжения.

Изменение напряжения двигателя в сторону повышения или понижения вызывает соответственное повышение или понижение, при постоянных значениях I я и Ф, частоты вращения. Регулирование ча-

стоты вращения от 0 до номинальных оборотов осуществляется, как правило, при постоянном моменте. Это электропривод конвейеров, кранов, подъемных механизмов.

Регулирование частоты вращения двигателя за счет изменения магнитного потока обычно осуществляется уменьшением тока возбуждения по сравнению с номинальным током, например, при помощи добавочного резистора или управляемого выпрямителя. При постоянном напряжении U и токе I я это ведет к повышению частоты вращения двигателя в 2…3 раза и более номинальной частоты

137

вращения, а также к снижению момента двигателя. Примером может служить привод валков бумагоделательной машины. Обрыв цепи возбуждения при холостом ходе двигателя сопровождается опасным увеличением частоты вращения. Если момент сопротивления исполнительного механизма достаточно высок, то двигатель останавливается, при этом в цепи якоря протекает ток короткого замыкания.

Способ регулирования частоты вращения экономичен, т.к. не сопровождается значительными потерями мощности из-за небольших токов в обмотке возбуждения.

Впоследнее время получил развитие импульсный метод регулирования частоты вращения двигателя с независимым возбуждением. Регулирование осуществляется путем применения широтноимпульсной модуляции. При широтно-импульсной модуляции период коммутации ключа остается неизменным, а изменяется время замкнутого состояния ключа и время его размыкания.

Вмомент подключения якоря к напряжению источника питания двигатель разгоняется, а во время отключения (паузы) – тормозится. При установившемся режиме работы время работы и время паузы не меняются, при этом устанавливается средняя частота вращения.

Если соотношение времени работы и времени паузы меняются при постоянном значении периода, то меняется и средняя частота вращения двигателя.

Среднее значение напряжения Uср можно выразить через напря-

жение якоря U и скважность ε

Uср =εU,

где ε = tи (tи +tп);

tи − время закрытого состояния ключа (время импульса); tп − время открытого состояния ключа.

Показатели импульсного регулирования частоты вращения, в основном, такие же, как и при непрерывном регулировании.

Пример 14. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением имеет следующие данные: мощность Р2 = 5,5 кВт,

напряжение 220 В, частота вращения n =1600 мин-1, сопротивление якоря Rа =0,269 Ом, сопротивление добавочных полюсов Rдп = 0,22

Ом, сопротивление обмотки возбуждения Rв = 76 Ом, коэффициент полезного действия η =80,5. Определить номинальный и пусковой ток двигателя при отсутствии пускового резистора, а также измене-

138

ние частоты вращения двигателя при переходе от номинальной частоты вращения к холостому ходу.

Решение:

Мощность двигателя, потребляемая из сети

Р1 = Р2 η = 5500 / 0,805 = 6832,23Вт.

Ток двигателя, потребляемый из сети

I = P1 U = 6832,23 / 220 =31A.

Ток обмотки возбуждения

Iв =U Rв = 220 76 =2,89 А.

Ток якоря

I я = I − Iв = 31 − 2,89 = 28,11А.

Пусковой ток

Iп =U(Ra + Rдп )= 220(0,269 + 0,22)= 449,9А.

Отношение пускового тока якоря к номинальному току при отсутствии пускового резистора составляет величину 449,931 =14,5,

что недопустимо.

Постоянная двигателя СеФ
С Ф =	U − I я(Ra + Rдп)	=	220 −28,11 0,489	=0,129.
е	n	1600

Частота вращения двигателя при холостом ходе (силой тока в якоре и размагничивающем действием реакции якоря пренебрегаем)

	n =	U	=	220	=1705мин−1.
		CeФ		0,129

Изменение частоты вращения

∆n % = n0 −n	100 % =	1705 −1600100 % = 6,56 %.
n		1600

2.10. Основные характеристики двигателей постоянного тока

Работу двигателя постоянного тока можно описать при помощи его характеристик: скоростной, механической, моментной.

Скоростная характеристика двигателя представляет зависимость n = f (I) при U =const и Iв = const.

Механическая характеристика двигателя описывается функцией n = f (M ) при U = const и Iв = сonst.

Моментная характеристика является зависимостью между моментом и током якоря M = f (I я).

139