Глава 5. Регулируемые электроприводы с двигателями постоянного тока

5.1. Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой регулируемого электропривода и широко применяются во всех областях техники. Только в последние годы началось интенсивное использование регулируемых электроприводов на базе двигателей переменного тока.

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, последовательное или смешанное возбуждение. В зависимости от схемы возбуждения существенно разнятся и электромеханические характеристики двигателей.

Двигатели независимого возбуждения могут иметь электромагнитное возбуждение, (рис.5.1,а) и возбуждение от постоянных магнитов (рис.5.1,б). Последнее применяется для высокодинамичных двигателей мощностью до 20 кВт.

Р

Е_я

еверсирование (изменение направления вращения) двигателей независимого возбуждения производится изменением полярности напряжения, подводимого к якорю двигателя или к обмотке его возбуждения.

Напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя, в установившемся режиме уравновешивается падением напряжения на сопротивлениях цепи якоря и противоэ.д.с. якоря, которая наводится в обмотке якоря при его вращении в электромагнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения (см.рис.5.1,а)

. (5.1)

R_я - сопротивление якорной цепи, складывающееся из сопротивления обмотки якоря R_оя, обмотки дополнительных полюсов R_дп, компенсационной обмотки R_ко (если она имеется) и внутреннего сопротивления источника питания двигателя R_п (если оно учитывается)

_.

Э.д.с. якоря Е_я равна

, (5.2)

где: Ф – поток возбуждения (Вб);

- конструктивная постоянная двигателя; где р_п – число пар полюсов машины; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току якоря и потоку возбуждения

. (5.3)

Из уравнений (5.1), (5.2) и (5.3) легко получить зависимость скорости от тока якоря , которая называется электромеханической характеристикой двигателя, и зависимость скорости от момента двигателя– механическую характеристику привода.

. (5.4)

. (5.5)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным потоком возбуждения, то величину кФ считают постоянной

. (5.6)

Тогда приведенные выше уравнения будут иметь вид:

(5.7)

(5.8)

(5.9)

. (5.10)

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изменяется ток якоря, поток двигателя вследствие размагничивающего влияния реакции якоря не остается постоянным. Для устранения влияния тока в цепи якоря на поток возбуждения на крупных машинах используют компенсационную обмотку, которая включается последовательно с обмоткой якоря и располагается на полюсах машины, усиливая поток возбуждения. Однако и для некомпенсированных машин в инженерных расчетах обычно пренебрегают размагничивающим действием реакции якоря, возлагая обеспечение линейности механической характеристики двигателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с возбуждением от постоянных магнитов реакция якоря практически не проявляется.

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения показана на рис.5.2.

Жесткость естественной механической характеристики β для рассматриваемых двигателей обычно высока и равна

. (5.11)

Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения представляют собой прямые, пересекающие ось ординат в точке идеального холостого хода ω₀, величина которой равна

. (5.12)

С учетом (5.11) получим удобное выражение для механической характеристики при постоянном потоке возбуждения

. (5.13)

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения может производиться тремя способами:

1. Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

2. Изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двигателя, при постоянном потоке возбуждения.

3. Изменением тока возбуждения, т.е. изменением магнитного потока двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорость холостого хода ω₀ остается неизменной, а изменяется наклон механических характеристик, т.е. уменьшается их жесткость (см. рис.5.3). Данный способ регулирования скорости в настоящее время не используется, поскольку введение добавочного сопротивления сопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении.

Основным способом регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ-НВ) является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение скорости при этом производится вниз от основной (номинальной) скорости, определяемой естественной характеристикой (рис.5.4). При уменьшении напряжения якоря уменьшается скорость холостого хода ω₀, а жесткость механических характеристик остается постоянной. Повышение напряжения питания выше номинального не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллекторе.

Плавность регулирования, отсутствие дополнительных потерь энергии при регулировании и высокая жесткость механических характеристик составляют основные достоинства этого способа регулирования скорости.

Регулирование скорости выше основной производится уменьшением тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока Ф согласно (5.5) происходит увеличение скорости холостого хода ω₀ и одновременно снижается жесткость механических характеристик двигателя (см.рис.5.5,а).

Увеличение тока возбуждения выше номинального нецелесообразно, так как вследствие насыщения магнитной цепи машины существенного возрастания магнитного потока не произойдет, а тепловой режим двигателя нарушится. Электромеханические характеристики двигателя при ослаблении поля будут иметь вид, показанный на рис.5.5,б. Эти характеристики, как следует из (5.4), на оси абсцисс сходятся в одной точке, соответствующей току короткого замыкания. Заметим, что масштаб по оси абсцисс на рис.5.5,а и 5.5,б различен.

При анализе механических характеристик при ослаблении поля следует иметь в виду, что при работе с постоянным статическим моментом ток якоря по мере ослабления потока увеличивается. Так, если статический момент на валу двигателя будет равен номинальному, то при номинальном напряжении якоря U_ян двигатель будет работать в т.1 (см. рис.5.5,а). Если, например, ослабить поток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода двигателя ω₀₂ увеличивается в 2 раза. Если момент двигателя сохранится постоянным и равным номинальному, то двигатель будет работать в т.4.

Однако, как это следует из (5.3) ток якоря при этом увеличится в 2 раза. Поэтому длительная работа двигателя в т.4 недопустима. Из этого примера следует, что одновременно с повышением скорости необходимо снижать длительно допустимый по условия нагрева (номинальный) момент. Линия номинального момента при ослаблении поля отображается кривой 1-2-3. Аналогично при ослаблении поля уменьшается допустимый максимальный момент, определяемый по условиям коммутации на коллекторе. Поскольку при ослаблении поля скорость увеличивается примерно пропорционально степени ослабления поля, а длительно допустимый моментМ_доп уменьшается пропорционально отношению , то длительно допустимая мощность двигателяостается примерно постоянной. Поэтому регулирование ослаблением поля называют регулированием с постоянной мощностью в отличие от регулирования изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения, которое называют регулированием с постоянным моментом.

Для электроприводов многих механизмов используют комбинированное управление, так называемое двухзонное регулирование скорости. Механические характеристики для этого способа управления показаны на рис.5.6. В первой зоне скорость двигателя в диапазоне от нуля до основной скорости ω_0н регулируется изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения Ф_н. Во второй зоне регулирование производится изменением тока (потока) возбуждения при постоянном номинальном напряжении якоря. Соответственно номинальный момент в первой зоне регулирования остается постоянным, а во второй зоне снижается пропорционально уменьшению потока. Максимально допустимая скорость двигателя при ослаблении поля определяется механической прочностью якоря и условиями коммутации на коллекторе. Эта скорость указывается в каталоге на двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулировании скорости для установления основной (максимальной) скорости. В отличие от синхронных и асинхронных двигатели постоянного тока не имеют жестко определенной номинальной скорости. В каталогах указывается номинальная и максимальная скорости. Например, если указано, что двигатель мощностью 100 кВт имеет номинальную скорость 1000 об/мин и максимальную – 2000 об/мин, то основная скорость может быть установлена в этих пределах выбором соответствующего значения тока возбуждения, например, - 1600 об/мин. При этом мощность двигателя останется равной 100 кВт. Это удобно при конструировании кинематической схемы рабочей машины.

Для высокодинамичных электроприводов небольшой мощности (до 20 кВт) эффективно использование высокомоментных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Благодаря применению высокоэнергетических постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов (например, сплава самарий-кобальт), эти двигатели особенно при малых скоростях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе более легкие) способны развивать большой крутящий момент. Отношение пускового момента такого двигателя к номинальному составляет 8-10, в то время как у двигателей с электромагнитным возбуждением это отношение не превышает 2-4. Двигатели находят применение в металлорежущих станках с числовым программным управлением, в приводах роботов и следящих электроприводах различного назначения.

В некоторых случаях двигатели независимого возбуждения снабжают «легкой» обмоткой последовательного возбуждения, создающей м.д.с. при номинальном токе якоря около 20% от м.д.с. обмотки независимого возбуждения. Высокодинамичные двигатели смешанного возбуждения применяются в случаях многодвигательного привода, когда два или несколько двигателей работают на один вал или их валы связаны механически (например, лентой конвейера), В этом случае скорость всех двигателей будет одинаковой, но из-за неидентичности характеристик двигателя возникает задача равномерного распределения нагрузки между ними. Благодаря наличию последовательной обмотки возбуждения в более нагруженном двигателе увеличивается поток и возрастает противоэ.д.с. якоря, что ведет к снижению тока якоря. Напротив, менее нагруженный двигатель будет иметь несколько меньший поток, его э.д.с. будет ниже, и ток якоря соответственно возрастает. Таким образом, благодаря наличию слабой последовательной обмотки происходит выравнивание тока якоря между двигателями, питающимися от общего источника напряжения.

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения могут работать в трех тормозных режимах: режиме рекуперативного торможения, динамического торможения и торможения противовключением.

Режим рекуперативного генераторного торможения имеет место, когда скорость двигателя превышает скорость холостого хода ω>ω₀ (рис. 5.7). При этом э.д.с. якоря Е_я превышает величину напряжения питания якорной цепи Е_я>U_я и ток в якорной цепи пойдет под действием э.д.с. якоря Е_я; знак тока будет противоположен знаку напряжения питания, что означает, что энергия торможения отдается в сеть питания постоянного тока. Отсюда следуют три условия существования режима рекуперативного торможения.

1. Цепь питания должна обеспечивать возможность протекания тока встречно напряжению источника питания; это условие особенно важно в случае питания двигателя постоянного тока от полупроводниковых преобразователей, элементы которых обладают односторонней проводимостью тока.

2. Источник питания должен обладать возможностью воспринимать отдаваемую двигателем энергию и передавать ее в питающую сеть; так режим рекуперативного торможения невозможен, если привод получает питание от автономной дизель-генераторной установки.

3. Для того чтобы рекуперативное торможение было возможно в пределах заданного диапазона регулирования скорости, регулирование должно производиться путем изменения напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя.

В режиме рекуперативного торможения уравнения (5.1) и (5.5), учитывая, что ток I_я и момент М будут отрицательны, принимают вид:

Основными достоинствами рекуперативного торможения являются: энергетическая эффективность, связанная с полезным использованием энергии торможения; высокая жесткость механических характеристик; плавный переход из двигательного в тормозной режим на одной и той же характеристике. Благодаря такому характеру механических характеристик улучшается качество управления приводом. Вернемся к рассмотрению рис.5.7. Пусть двигатель работал в т.1 в двигательном режиме со статическим моментом М_с.

Если оператор хочет уменьшить скорость, он уменьшает напряжение источника питания с U_я1 до U_я2. Скорость двигателя из-за механической инерции мгновенно не может измениться, и двигатель переходит на работу в т.2. При этом на валу двигателя возникает тормозной момент, равный сумме тормозного момента двигателя и статического момента. Скорость двигателя быстро снижается до скорости ω₀₂ и далее под действием статического момента до скорости, определяемой т.3, где М=М_с.

Вторым возможным тормозным режимом является режим динамического торможения. В этом режиме якорь двигателя отключается от источника R_дт постоянного тока (см. рис.5.8) и замыкается на сопротивление динамического торможения. Питание обмотки возбуждения при этом должно быть обязательно сохранено. В указанном режиме двигатель М работает как генератор постоянного тока, нагруженный на сопротивление R_дт. Энергия торможения расходуется на нагрев сопротивления R_дт и обмоток цепи якоря двигателя.

Механические характеристики при динамическом торможении представлены на рис.5.9. Если R_дт=0, якорная цепь двигателя будет замкнута накоротко и механическая характеристика (при Ф=Ф_н) будет иметь жесткость естественной характеристики. При увеличении R_дт жесткость характеристик будет уменьшаться в соотношении , и механические характеристики будут линейными и расходиться веером из начала координат.

Как следует из (5.5), при U_я=0 уравнение механических характеристик динамического торможения будет:

.

Недостатками режима динамического торможения являются: потери энергии торможения, расходуемой на нагрев элементов привода, и невозможность торможения привода до полной его остановки.

Достоинством режима динамического торможения является его высокая надежность, определяемая тем, что этот режим может осуществляться при исчезновении питающего напряжения и в случае выхода из строя источника питания цепи якоря, когда режим рекуперативного торможения становится невозможен. Исходя из этого, динамическое торможение в приводах постоянного тока часто используется в качестве средства аварийного торможения.

Торможение противовключением не характерно для двигателей постоянного тока независимого возбуждения. Этот режим может использоваться в приводах малой мощности с широтно-импульсным регулятором тока, позволяющим ограничить ток торможения допустимой величиной.