Решение

1. Мощность, потребляемая двигателем из сети

Р = Р / η = 40 / 0,905 = 44,2 кВт

2. номинальный ток двигателя

I = Р / U = ( 44,2*10 ) / 440 = 100,45 ≈ 100,5 А

3. ток параллельной обмотки возбуждения

I = U / R = 440 / 96 = 4,58 ≈ 4,6 А

4. номинальный ток якоря

I = I - I = 100,5 – 4,6 = 95,9 ≈ 96 А

5. номинальная ЭДС обмотки якоря

Е = U - I ( R + R ) = 440 – 96 ( 0,071 + 0,041 ) = 429,23 ≈ 430 В

5. номинальная угловая скорость двигателя

ω = ( 2π n ) / 60 = ( 2π 3000) / 60 = 314 рад / с ( с )

5. коэффициент электродвижущей силы

с = к Ф = Е / ω = 430 / 324 = 1,37

5. уравнение естественной механической характеристики

ω = U / с - М ( R + R ) / с = 440 / 1,37 – М (0,071 ++ 0,041) /

+ 1,37 = 321 – 0,06М

5. номинальный электромагнитный момент, с учётом тождества к = к ,

М = к I Ф = к I Ф = ( к Ф ) I = с I = 1,37*96 = 131,5 Нм

5. номинальная угловая скорость

ω = 321 – 0,06 М = 321 – 0,06*131,5 = 313 ( с ),

что практически совпадает со значение скорости в п. 6 ( 313 ≈ 314 с )

11. угловая скорость идеального холостого хода ( М = 0 )

ω = 321 - 0,06 М = 321 – 0,06*0 = 321 с ,

5. строим график естественной механической характеристики по двум точкам

( рис. 23, характеристика «1» )

точка А ( номинальный режим ): М = М = 131,5 Нм; ω = ω = 313 с ;

точка В ( режим идеального холостого хода ): М = 0, ω = ω = 321 с .

Рис. 23. График естественной механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

§ 3.2. Влияние параметров сети и двигателя на механические характеристики

Под параметрами сети понимают:

1. на постоянном токе - напряжение сети U;

2. на переменном токе – напряжение U и частоту тока cети f.

Под параметрами двигателя понимают:

1. на постоянном токе – сопротивление цепи якоря и параллельной обмотки возбуждения;

2. на переменном токе – сопротивление цепи обмотки статора и обмотки фазного ротора.

При изменении параметров сети и двигателя двигатель работает на искусственных механических характеристиках.

Эти характеристики предназначены для получения трех режимов:

1. пуска;

2. регулирования скорости;

3. электрического торможения.

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока параллельно

го ( независимого ) возбуждения в общем случае и имеет вид:

ω = - ,

где R = r + r - общее ( суммарное ) сопротивление цепи якоря, состоящее из со-

противления обмотки якоря r и добавочного ( внешнего ) сопротивлений.

Исследуем, как влияет изменение каждого из этих трех параметров на вид искусст

венных механических характеристик.

При этом будем считать, что нагрузка механизма не изменяется, т.е. статический М , а значит, равный ему электромагнитный момент М имеют постоянное значение, т.е. М = М = const.

Влияние напряжения на вид искусственных механических характеристик

Изменение напряжения на якоре двигателя постоянного тока применяют для регу-

лирования его скорости.

Этот способ неприменим для двигателей постоянного тока параллельного возбужде

ния, потому что для изменения напряжения на обмотке якоря надо изменять напряжение судовой сети.

Последнее недопустимо, т.к. повлияет на режим работы остальных потребителей электроэнергии – других электродвигателей, нагревательных и осветительных приборов,

систем автоматики.

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения на обмотке якоря при-

меняют только для двигателей с независимым возбуждением в т.н. системах генератор-двигатель ( Г – Д ). В этих системах обмотка якоря двигателя получает питание от отдель-

ного, автономного генератора, напряжение которого можно плавно изменять ( см. ниже рис. ***)

Исследуем, как влияет изменение напряжения U на якоре двигателя независимого возбуждения на вид искусственных механических характеристик. При этом напряжение U на обмотке возбуждения равно номинальному и в процессе снятия характеристики не изменяется (U = const ).

Напомним, что приведенное выше уравнение механической характеристики двига-

теля можно записать так:

ω = ω - Δω, ( 15 )

где ω = - скорость идеального холостого хода;

Δω = - перепад скорости.

При изменении напряжения на якоре изменяется только скорость идеального холо

стого хода ω , а перепад скорости Δω не изменяется.

Следовательно, при различных значениях напряжения на якоре получим ряд искус-

ственных механических характеристик, параллельных естественной ( рис. 24, а ).

Рис. 24. Схема двигателя независимого возбуждения ( а ) и его механические

характеристики ( б ) при изменении напряжения на обмотке якоря ; 1 – естествен-

ная механическая характеристика 2, 3 и 4 – искусственные механические характеристики

На рис. 24,а искусственная механическая характеристика 2 получена при уменьше-

нии напряжения на якоре до значения U' = 0,5 U , поэтому скорость идеального холосто-

го хода уменьшилась также а 2 раза, до значения ω ' = 0,5 ω .

Характеристика 3 показывает, что при еще большем уменьшении напряжения мож-

но получить режим стоянки под током ( точка С ).

Если же отключить обмотку якоря от генератора и тем самым уменьшить напряже-

ние на якоре до нуля, но замкнуть ее на себя ( накоротко ), чтобы образовать цепь тормоз-

ного тока якоря, то при растормаживания двигателя лебедки или брашпиля груз или якорь станут опускаться под действием собственного веса, при этом двигатель перейдет в режим тормозного спуска ( точка D на характеристике 4 ).

Пределы регулирование скорости – от номинальной до нуля ( точки А и С ).

Влияние добавочного резистора в цепи обмотки якоря на вид искусственных механических характеристик

Включение добавочного резистора в цепь обмотки якоря двигателя параллельного возбуждения применяют для регулирования его скорости ( рис. 25, а ).

Рис. 25. Схема двигателя параллельного возбуждения ( а ) и его механические

характеристики ( б ) при введении резистора в цепь обмотки якоря ; 1 – естествен-

ная механическая характеристика 2, 3 и 4 – искусственные механические характе-

ристики

При этом увеличивается общее ( суммарное ) сопротивление цепи якоря, что приво

дит к увеличению перепада скорости

Δω = ,

однако при этом скорость идеального холостого хода

ω =

не изменяется.

Следовательно, при различных значениях сопротивления добавочного резистора r получим ряд искусственных механических характеристик, проходящих через одну и ту же точку, соответствующую скорости идеального холостого хода ω , причем наклон характеристик тем больше, чем больше значение сопротивления r ( рис. ***, б ).

В точке В на искусственной механической характеристике 2 двигатель работает с пониженной скоростью.

Точке С на характеристике 3 соответствует режим стоянки под током, в точке D

на характеристике4 двигатель работает в режиме тормозного спуска ( в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств ).

Пределы регулирование скорости – от номинальной до нуля ( точки А и С ).

Эти искусственные характеристики называют реостатными.

Влияние ослабления магнитного потока на вид искусственных механических характеристик

Ослабление магнитного потока применяют для регулирования скорости двигателя вверх от номинальной, что ограничивает применение этого способа регулирования.

Для ослабления потока регулировочный резистор включают последовательно в цепь параллельной обмотки возбуждения ( рис. 26, а ).

При таком включении резистора ток в параллельной обмотке уменьшается, отсюда название способа – «регулирование ослаблением магнитного потока».

Рис. 26. Схема двигателя независимого возбуждения ( а ) и его механи-

ческие характеристики ( б ) при введении резистора в цепь параллельной обмотки возбуждения ; 1 – естественная механическая характеристика, 2 - искусственная механическая характеристика

Ослабление потока приводит к увеличению как скорости идеального холостого хода перепада скорости

ω = ,

так и к еще большему изменению перепада скорости

Δω = .

Приведем пример.

Пусть магнитный поток ослаблен в 2 раза, т.е. до значения Ф' = 0,5 Ф.

Тогда новое значение скорости идеального холостого хода составит

ω' = = = = 2 = 2 ω ,

т.е. увеличится в 2 раза.

Новое значение перепада скорости составит

Δω' = = = = = 4 Δω,

т.е. увеличится в 4 раза.

На рис. 26, б естественная механическая характеристика 1 построена призволь-

но, но искусственная механическая характеристика 2 построена по результатам приведен

ного примера.

Как следует из сравнения характеристик 1 и 2:

1. искусственная характеристика 2 располагается выше естественной 1;

2. наклон искусственной характеристики больше, чем естественной.

Поэтому ослабление магнитного потока привело к увеличению скорости двигателя.

Действительно, как следует из рис. 26, б, скорость двигателя в точке В больше,

чем в точке А.

Недостатки этого способа регулирования скорости:

1. при ослаблении потока скорость изменяется только вверх от номинальной;

2. максимальное увеличение скорости по отношению к номинальной – не более

20…30%;

3. при ослаблении магнитного потока в n раз ток якоря увеличивается во столько же раз.

Докажем последнее утверждение.

Как следует из рис. 26, б, электромагнитный момент двигателя в точках А и В имеет одинаковое значение, т.е. М = М .

При этом М = kI Ф , а М = k Ф .

Поскольку в выражениях моментов одинаковы левые части, можно приравнять правые:

kI Ф = k Ф .

После сокращения на k обеих частей получим:

I Ф = Ф ,

откуда отношение токов окажется обратно пропорционально отношению потоков:

= .

Если воспользоваться последним соотношением для приведеного выше примера, то можно показать, что при ослаблении потока в 2 раза ( точка В ) ток якоря двигателя возрос в 2 раза:

I = I = I = I = 2 I .

Область применения на судах: ограниченная, для получения высоких скоростей пе-

ремещения холостого гака в электроприводах ГПМ и холостого швартовного каната в эле-

ктроприводах ЯШУ.

Иначе говоря, этот способ регулирования можно применять при небольших нпгруз-

ках на валу двигателя. При таких загрузках ослабление магнитного потока приведет к уве-

личению тока якоря, но увеличенное значение тока будет все равно меньше номінально-

го.

Комбинированное изменение параметров

Под комбинированным понимают изменение нескольких параметров, влияющих на скорость двигателя.

На практике применяют 2 вида комбинированного изменения параметров:

1. изменение напряжения на якоре и ослабление магнитного потока ( рис. 27,

а );

2. введение резисторов в цепь обмотки якоря и ослабление магнитного потока

( рис. 27, б ).

Рис. 27. Механические характеристики двигателя постоянного тока при комбини

рованном изменении параметров: изменением напряжения на якоре и ослаблением маг-

нитного потока ( а ); введением резисторов в цепь якоря и ослаблением магнитного потока ( б )

При этом на обоих рисунках цифрой 1 обозначена естественная механическая ха-

рактеристика, цифрами 2 и 3 – искусственные характеристики, полученные измененем на

пряжения на обмотке якоря ( на рис. 27, а ) и введением резисторов в цепь якоря ( на рис. 27, б ), цифрами 4 и 5 – ослаблением магнитного потока на обоих рисунках.

Первой зоне регулирования соответствует регулирование скорости от нуля до номи

нальной ( характеристики 1, 2 и 3 на обоих рисунках ), второй – свыше номинальной ( ха-

рактеристики 4 и 5 на обоих рисунках ).

Первый способ комбинированного регулирования применяется в системах генера-

тор-двигатель для электроприводов ГПМ и ЯШУ мощностью свыше 70…80 кВт, второй – в тех же электроприводах мощностью до 70…80 кВт.