§ 3.6. Реверс двигателей постоянного тока

Основные сведения

Под реверсом понимают изменение направления вращения двигателя на обратное.

Как следует из формулы электромагнитного момента двигателя М = сI Ф, изме-

нить знак момента можно двумя способами:

1. изменить направление тока в обмотке якоря, не изменяя знак магнитного потока

( т.е. не изменяя направление тока в обмотке возбуждения ), при этом М = с ( - I )Ф< 0;

2. изменить направление тока в обмотке возбуждения , не изменяя направление тока

в обмотке якоря, при этом М = сI ( - Ф ) < 0.

Реверс изменением направления тока в обмотке якоря

Для реверса двигателя первым способом применяют схему реверсивного мостика, состоящую из контактов В1, В2 «Вперёд» и H1, H2 «Назад» ( рис. 34 ).

Рис. 34. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления

тока в обмотке якоря

Пары контактов В1-В2 и Н1-Н2 замыкаются поочерёдно. При направлении «Впе-

рёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - В1 – об

мотка якоря - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - H1 - обмотка якоря - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку якоря протекал в направле

нии сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх. При этом направление тока в парал-

лельной обмотке возбуждения не изменялось.

0. Реверс изменением направления тока в параллельной обмотке возбуждения

Для реверса двигателя вторым способом применяют ту же схему реверсивного мо-

стика, однако меняют местами обмотку якоря и обмотку возбуждения ( рис. 35 ).

Рис. 35. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления

тока в обмотке возбуждения

При направлении «Вперёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - В1 - обмотка возбуждения - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - H1 - обмотка возбуждения - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку возбуждения протекал в на

правлении сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх.

При этом направление тока в обмотке якоря не изменялось.

Однако этот второй способ на практике не применяют из-за недостатков:

1. при переключении контактов В1, В2 и H1, H2 существует момент времени, ко-

гда контакты К1, К2 уже разомкнулись, а контакты Н1,Н2 ещё не замкнулись.

В этот момент ток в обмотке возбуждения равен 0, поэтому магнитный поток Ф, а значит, и противоЭДС обмотки якоря Е = k*ω*Ф = 0.

При этом ток якоря двигателя увеличивается до значения

I = ( U – E ) / R = ( U – 0 ) / R = U / R = I ,

который в десятки раз больше номинального, что недопустимо;

2. одновременно в обмотке возбуждения индуктируется ЭДС самоиндукции

е = - L*dI / dt

которая в десятки раз больше напряжения сети из-за крайне малого значения времени dt, в течение которого ток возбуждения убывает до нуля ( т.к. контакты В1, В2 и Н1,Н2 пере-

ключаются практически мгновенно).

Под действием этой ЭДС происходит пробой изоляции витков обмотки возбужде-

ния.

Следует обратить внимание на то, что при изменении полярности напряжения питающей сети двигатель постоянного тока не реверсирует.

Иначе говоря, при переброске на двигателе концов питающего кабеля реверс не происходит.

Это объясняется тем, что при переброске концов одновременно изменяется направление тока как в обмотке двигателя, так и в параллельной обмотке возбуждения, а знак электромагнитного момента не изменяется:

М' = с ( - I )( - Ф ) = М

Рис. 36. Схема включения двигателя постоянного тока при прямой ( а ) и обратной ( б ) полярности напряжения питающей сети

На рис. 36, а ток якоря I и ток возбуждения I протекают в направлении слева направо, а при изменении полярности – в направлении справа налево ( рис. 36, б ).

Реверс при этом не происходит.

Сказанное подтверждается на рис. 36, в и 36, г .

На рис. 36, в произвольно выбрана полярность полюсов N и S и направление тока в верхнем проводнике ( крестик ) и нижнем ( точка ). Направление электромагнитных сил

F и F найдено по правилу левой руки. Якорь вращается в направлении против ча-

совой стрелки.

Если изменить полярность питающей сети, то одновременно изменится полярность полюсов ( на рис. 36, г верхний полюс – S, а нижний – N ) и направление тока в обмотке якоря ( в верхнем проводнике – точка, в нижнем – крестик ).

Применяя правило левой руки, находим, что направление электромагнитных сил F и

F не изменилось, реверс не произошел

Область применения двигателей постоянного тока разных типов на судах

Двигатели независимого возбуждения применяют на транспортных судах для при-

вода мощных лебёдок и брашпилей, а на судах - электроходах - для привода гребного вин-

та. Системы управления этими двигателями Г – Д ( генератор - двигатель ) обеспечивают плавное и в широких пределах регулирование: их скорости.

Двигатели параллельного возбуждения применяют для привода насосов и вентиля-

торов, не требующих регулирования их скорости. Схемы управления таки­ми приводами крайне просты, т.к. сводятся к выполнению двух функций - пуска и остановки.

Двигатели последовательного возбуждения на судах не применяются, но их исполь-

зуют на берегу в электротранспорте из-за хороших тяговых свойств ( при малых скоростях они развивают большой момент, что важно при трогании транс­порта с места).

Двигатели смешанного возбуждения широко применяют в регулируемом электро-

приводе постоянного тока - в грузоподъёмных, якорно-швартовных и других механизмах, требующих изменения скорости.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип обратимости электрических машин? Каким образом

двигатель постоянного тока перевести в генераторный режим? Каким образом генератор постоянного тока перевести в двигательный режим?

2. Запишите формулу электромагнитного момента двигателя постоянного тока и с

ее помощью объясните способы реверса двигателя постоянного тока

3. Почему переброска проводов питающей сети не приводит к реверсу двигателя

постоянного тока?

4. Запишите уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока и объясните, как влияет увеличение электромагнитного момента двигателя на скорость двигателя

5. В чем разница между естественной и искусственными механическими характери

стиками? Какое число естественных и искусственных характеристик имеет двигатель, если число ступеней пускового реостата n = 3?

6. Запишите формулу тока якоря двигателя постоянного тока и с ее помощью объяс

ните причину больших пусковых токов

7. Объясните особенности регулирования скорости двигателя постоянного тока вве

дением резисторов в цепь обмотки якоря

8. Объясните особенности регулирования скорости двигателя постоянного тока вве

дением резисторов в цепь обмотки возбуждения. Чем опасен этот способ регулирования?

9. Объясните особенности регулирования скорости двигателя постоянного тока

изменением напряжения на обмотке якоря. В чем недостаток системы Г – Д ?

10. Назовите области применения на судах двигателей постоянного тока разных типов

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с последователь-

ным возбуждением

В судовых электроприводах двигатели с последовательным возбуждением не используют, поэтому лишь кратко рассмотрим их электромеханические свойства.

У этих двигателей обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены последователь

но, поэтому ток якоря I равен току возбуждения I , т.е. I = I ( рис. *** ).

Поэтому при изменении нагрузки на валу будет изменяться как ток якоря, так и ток возбуждения, а значит, и магнитный поток полюсов. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше ток якоря, ток возбуждения и магнитный поток, и наоборот.

Значит, электромагнитный момент двигателя

М = kI Ф= k I f (I ) ( 1 )

прямо пропорционален току якоря и магнитному потоку.

Сам же магнитный поток связан с током возбуждения через кривую намагничива-

ния – чем больше ток последовательной обмотки возбуждения, тем больше магнитный по-

ток, вплоть до зоны насыщения полюсов, в которой изменения тока не приводит к измене-

нию магнитного потока.

Описать уравнением кривую намагничивания довольно сложно, поэтому в теории электропривода эту задачу упрощают, а именно: считают, что двигатель работает на на-

чальном, прямолинейном, участке характеристики намагничивания,

На этом участке между током возбуждения и магнитным потоком существует прямо пропорциональная связь, т.е.

= α = const, или Ф = α I ( 2 ).

С учетом (2 ) электромагнитный момент двигателя

М = kI Ф= kI α I = k α I ( 3 ),

т.е. электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

.

Подставив ( 2 ) и (3) в уравнение естественной механической характеристики

ω = - ,

получим

. ω = - = - = - ω , ( 4 )

где А = = const, ω = = const/

График механической характеристики двигателя, построенный на основании уравнения (4 ), изображен на рис. ***, б ).

Из уравнения (4) и графика на рис. ****видно, что меха­ническая характеристика двигателя мягкая и выражается гипербо­лической кривой.

Рис. ****Схема включения ( а ) и механическая характеристика ( б ) двигателя с последовательным возбуждением

Как следует из графика механической характеристики, увеличение нагрузки вызы-

вает быстрое затормаживание двигателя, и движу­щиеся по инерции маховые массы элек-

тромеханической системы отдают на вал запасенную кинетическую энергию, что ограни-

чи­вает броски тока и мощности, потребляемой двигателем из сети.

При малых нагрузках двигатель автоматически увеличивает ско­рость, обеспечивая высокую производительность исполнитель­ного механизма.

Это делает целесообразным использование дви­гателей с последовательным возбуж

дением в электроприводах электрифицированного транспорта, работающего с резко изме-

няющейся нагрузкой.

Однако при уменьшении нагрузки на валу до 10% номинальной угловая скорость двигателя резко возрастает, двигатель идет «вразнос».

Во избежание разноса, двигатель нельзя оставлять без механической нагрузки на валу. В электроприводах троллейбусов вал двигателя последовательного возбуждения постоянно соединен с колесами через редуктор, т.е. на валу двигателя постоянно присут-

ствует момент, созданный весом салона и пассажиров.

Следует иметь в виду, что при практическом расчете и проек­тировании электропри

вода необходимо учитывать насыщение ма­гнитной системы двигателя, для чего использу-

ют универсальные характеристики ω (I) и М (I), снятые эксперименталь­ным путем в лабо-

раториях завода-изготовителя.

Механические характеристики двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением

Двигатели со смешанным возбуждением имеют две возбуждения : параллельную (шунтовую) ОВШ и последователь­ную (серпесную) ОВС ( рис. 2.22 ).

Рис. 2.22. Схема включения двигателя смешанного возбуждения

Намагничивающие силы (н. с) обмоток направлены согласно и создают общий магнитный поток машины

Ф = Ф +Ф . (2.37).

Поэтому естественная механическая характеристика этого двигателя является про-

межуточной по сравнению с механическими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения, а именно: она не такая жесткая как у двигателя с парал

лельным возбуждением, и не такая мягкая как у двигателя с последовательным возбужде-

нием ( рис. 2.23 ).

.

Рис. 2.23. Механические характеристики двигателей с параллельным ( 1 ), последовательным ( 3 ) и смешанным ( 2 ) возбуждением

Кроме того, благодаря наличию параллельной обмотки возбуждения этот двигатель имеет конечное значение скорости идеального хода ( точка пересечения характеристики 3 с полуосью «ω» ), т.е. у него отсутствует «разнос».

Аналитическое выражение, расчет и построение механических характеристик двига

теля со смешанным возбуждением затруд­нены из-за насыщения магнитной системы двига

теля. Это вызы­вает необходимость прибегать к графоаналитическому расчету.

Но поскольку кривые намагничивания, снимаемые при отключен­ном якоре, не учи

тывают реакции якоря и других процессов, происходящих в работающем двигателе, мож-

но предложить сле­дующий метод расчета естественной и искусственных механиче­ских характеристик с использованием универсальной нагрузоч­ной характеристики двигателя.

Для этого воспользуемся обобщенной схемой включения двигателя (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Обобщенная схема включения Рис. 2.25. Универсальные характеристи

двигателя со смешанным возбуждением ки двигателей смешанного возбуждения серии ДПМ

На схеме выделим три участка:

1. якорь и сопротивление R , обтекаемые током якоря 1 ;

2. шун­тирующий участок с сопротивлением R ;

3. последовательный участок с сопротивлением R .

В каждое из перечисленных со­противлений можно включить обмотку последова-

тельного воз­буждения.

Напряжение сети и н. с. параллельной обмотки воз­буждения ОВШ будем считать неизменными.

Работу схемы можно охарактеризовать системой уравнений, составленных на основании 1-го и 2-го законов Кирхгофа:

I = 1 + I ( 1 )

U = I R +I R ( 2 )

I R = Е + I R . ( 3 )

Решая эту систему относительно противоэ.д.с обмотки якоря, получим:

Е = U - [ R + ] I

Между текущими и номинальными значениями э.д.с. существует соотношение

= φ ( ), ( 4 )

Из которого можно определить угловую скорость двига­теля:

ω = = ( 2.40 ),

где φ = Ф/Ф - магнитный поток полюсов, в относительных единицах. Его находят по универсальной нагрузочной характеристике для соответствующего тока I φ (F*), при этом F* - относительное значение н.с. ( рис. 2.55 );

r = r +r — внутреннее сопротивление цепи якоря двигателя;

Е = U - I r - номинальная противоэ.д.с. обмотки якоря;

k' = kФ = (U - I r -)/ ω - коэффициент противоэ.д.с.

Магнитный поток полюсов двигателей со смешанным возбужде­нием создается н. с. обмоток параллельного F и последова­тельного F возбуждения: F = F + F , причем в применяемых на судах двигателях серии ДПМ ( Д – двигатель динамических режимов – в ГПМ и ЯШУ ) намагничивающая сила парал­лельной обмотки в номинальном режиме составляет для тихоход­ных двигателей F % = 0,7 о. е.; для быстроходных - F % =

= 0,65 о. е.Тогда н. с. последовательной обмотки в расчетном режиме будет для тихоход-

ных двигателей F = 0,3i, для быстро­ходных - F = 0,35i, где i = I /I - ток последова-

тельной, обмотки возбуждения, о. е.

Поскольку Е в выражении (2.39) определяется как функция тока якоря I , уравне

ние (2.40) будет уравнением электромеха­нической характеристики двигателя ω(I ).

На судах двигатели смешанного возбуждения применяют в регулируемых приво-

дах, а именно: в ГПМ и ЯШУ.

ГЛВАВА 3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Основные сведения

Асинхронной называется машина переменного тока, у которой ско­рость вращения ротора не равна скорости вращающегося магнитного поля, т. е. ротор вращает

ся несинхронно по отношению к вращаю­щемуся магнитному полю.

Первый трёхфазный асинхронный электродвигатель был изобретен в 1889 г. русским электротехником Доливо-Добровольским М.О.

Простота устройства, относительно малая стоимость, высокий КПД, большая на-

дёжность в работе способствовали его быстрому внедрению во все отрасли хозяйства.

Применение этого двигателя вызвало вторую промышленную революцию и приве-

ло к подъёму производства во всех наиболее развитых капиталистических странах: Герма-

нии, Англии, Франции, США и в самой России.

Асинхронные двигатели к началу 60-х годов 20 века практически вытеснили двига-

тели постоянного тока. В настоящее время асинхронные двигатели выпускаются сериями в сотни тысяч – миллионы штук ежегодно.

Эти двигатели нашли широкое применение на судах и составляют 80—90% по отно

шению к общему количеству устанавливаемых судовых электро­двигателей.

Они применяются в качестве двигателей палуб­ных механизмов, рулевых, швартов-

ных, якорных устройств, машинно-котельных устройств (насосов, компресссоров, вентиля-

торов), электро­двигателей технологического оборудования (рефрижераторных, мо­розиль-

ных и других установок), электродвигателей бытовых приборов и т. д.