26.1. Содержание работы

Уравнение скоростной характеристики двигателя постоянного тока для установившегося режима имеет вид

n = , (1)

где U – напряжение сети, В; I_а – ток якоря, А ; R_а – сопротивление обмотки якоря, дополнительных полюсов и щеточного контакта, Ом; К_е = – постоянный коэффициент, зависящий от параметров данного двигателя (Р – число пар полюсов; N – число проводников обмотки якоря, а – число параллельных ветвей обмотки якоря); Ф – результирующий магнитный поток двигателя, В_б; n – частота вращения якоря двигателя, об/мин. Из уравнения (1) следует, что частоту вращения двигателя посто­янного тока можно регулировать тремя способами:

1) изменением подводимого к двигателю напряжения U;

2) изменением магнитного потока током возбуждения;

3) введением сопротивления в цепи якоря R_д. Для электроприводов, требующих широкого диапазона регулирования частоты вращения, очень широко используют систему «гене­ратор-двигатель» («Г–Д»), упрощенная схема которой приведена на рис. 26.1.

Рис. 26.1 Принципиальная схема системы (Г–Д)

В систему «Г–Д» входят следующие машины: первичный двигатель (в лаборатории обычно асинхронный двигатель), гене­ратор постоянного тока независимого возбуждения (Г), регули­руемый рабочий двигатель постоянного тока независимого возбуждения (Д). В качестве нагрузки для рабочего двигателя используют или генератор постоянного тока, который в свою очередь загружается ламповым реостатом, или тормоз (электромагнитный или ленточный). Питание обмоток возбуждения генератора Г, двигателя Д и нагрузочного генера­тора (НГ) осуществляется от сети постоянного тока или от­дельного генератора–возбудителя.

Достоинством системы «Г–Д» является следующее: облегченный без­­реостатный запуск; регулирование частоты вращения в широком диапазоне; плавное торможение и удобное реверсирование дви­гателя. При этом управление режимами в главной цепи системы «Г–Д» легко и просто осуществляется изменением небольших токов в цепях возбуждения без какой-либо переключающей аппаратуры.

Пуск двигателя Д системы «Г–Д» осуществляется путем постепенного увеличения тока возбуждения генератора с помощью потенциометра Rг. Причем при пуске напряжение на зажимах генератора следует увеличивать так, чтобы ток в цепи якоря двигателя Д не превышал номинальный более чем в два раза. Ток возбуждения двигателя Д при пуске устанавливать максимальным (R_д = 0).

Реверсирование рабочего двигателя Д производится путем изменения полярности на зажимах генератора при помощи пере­ключателя П1, который изменяет направление тока в обмотке возбуждения генератора (ОВГ).

Регулирование частоты вращения двигателя Д, причем плавное и в широких пределах, осуществляется или за счет изменения напря­жения на зажимах генератора Г путем регулирования тока в ОВГ (в пределах 81), или за счет изменения тока возбуждения самого двигателя Д (в пределах 21). Таким образом, общий предел регулирования частоты вращения двигателя в системе «Г–Д» составляет примерно 161.

Применение же в качестве генератора электромашинных усилителей позволяет расширить диапазон регулирования скорости двигателя до 1201.

Свойства двигателя оцениваются механической характерис­тикой, уравнение которой имеет следующий вид:

n = . (2)

В системе «Г–Д» U = E_г – I_аR_а; R_а = R_а + R_ад; Ф = Ф_д.

Тогда соответственно уравнения скоростной и механичес­кой характеристик приобретают следующий вид:

n = ; (1′)

n = – М, (2′)

где М – вращающий момент двигателя Д, кгм, (М = М₂ + М₀); М₂ – полезный момент на валу; М₀ – момент от потерь мощности в двигателе; R_аг, R_аг – соответственно сопротивления обмоток якоря, дополнительных полюсов и щеточных контактов генератора и двигателя, Ом; К_м – постоянный коэффициент для данного двигателя по моменту; Ф_д – результирующий магнитный поток двигателя, Вб.

Механические характеристики системы «Г–Д» при различных способах регулирования приведены на рис. 26.2.

Механические характеристики при различных напряжениях генератора является прямыми линиями, параллельными друг другу, причем чем меньше Е_г, тем ниже расположены характеристики. При изменении же магнитного потока Ф_д механические характеристики располагаются выше естественной харак­теристики, так как при уменьшении потока частота вращения двигателя возрастает.

Рис. 26.2. Механические характеристики двигателя

Проанализируем кратко переходные процессы в системе «Г–Д». При постоянной скорости вращения n = const эдс генератора однозначно определяется величиной магнитного по­тока Ф_г, т. е.

. (3)

Вращающийся момент двигателя выразится

, (4)

а величина тока в якорной цепи генератор–двигатель определится из соотношения

I = . (5)

Основное уравнение движения электропривода имеет вид

М – М_с = , (6)

где М_с – статический момент сопротивления на валу двигателя; – динамический момент, развиваемый двигателем, здесь – маховый момент, приведенный к валу двигателя. Для установившегося режима работы М – М_с = 0, т.е. М_д = 0.

При изменении Е_г, например увеличении за счет то­ка в обмотке возбуждения, увеличится и ток в якоре двигателя согласно выражения (5), что приведет к соответствующему росту вращающего момента (4).

Равновесие между М и М_с [уравнение (6)] нарушается, и появляется положительный дина­мический момент, который начинает увеличивать частоту вращения двигателя. Однако с ростом частоты вращения двигателя увеличивается эдс Е_д, что вызывает к уменьшению тока якоря (5) и момента двигателя до прежних значений в соответствии с величиной М. Это приводит к установлению равновесия между вращающим и статическим моментами (М = М_с) при повышенной установившейся частоте вращения.

Следует отметить, что если эдс Е_г быстро умень­шать, то она может стать по величине меньше, чем Е_д и ток I_а изменит свой знак [см. выражение (5)]. Это указывает на то, что двигатель перешел в генераторный режим, а генера­тор – в двигательный (тормозной режим системы «Г–Д»).

При регулировании тока возбуждения двигателя изменяют­ся Ф_д и Е_д. Например, уменьшение Ф_д и Е_д приводит к увеличению I_а согласно выражению (5), что увеличивает момент двигателя М (4), а поэтому на основании уравнения движения электропривода (6) возрастет и скорость двигателя n_д. Но с ростом частоты вращения увеличится Ед, а следователь­но уменьшатся I_а и М. Поэтому рост частоты вращения прекраща­ется, т. е. она достигает нового (более высокого) установив­шегося значения, при котором М = М_с.

Рассмотрим переходной режим при изменении нагрузки. На­пример при увеличении М_с скорость n_д станет снижаться, что приведет к увеличению тока I_а, и вращающего момента М.

Снижение частоты вращения прекратится, когда момент вращения двигателя станет равным новому моменту сопротивления (М = М_с; =0).

Благодаря преимуществам, которыми обладает система «Г–Д» в отношении плавности и диапазона регулирования частоты вращения и сохранения достаточной жесткости характеристик, она находит в настоящее время широкое применение в металлургической про­мышленности для привода мощных прокатных станов, метало-обрабатывающей и бумажной промышленности, подъемных устройствах, экскаваторах, мощных тракторах, тепловозах, морских судах и других установках.