Что такое пограничная частота вращения

Режимы работы (двигательный, генераторный, торможение) двигателя постоянного тока ДПТ

При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря I_a0 не­большой. При этом частота вращения n = n₀ (точка А). Затем с по­явлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодейст­вующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС E_a = 0 и ток двигателя достигает значения

Если двигатель применяют для привода механизма, на­грузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, привод барабана, на который наматывается трос с гру­зом), то при последующем увеличении нагрузочного момента это­го механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал элек­трической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины — тормозя­щим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной ре­жим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е.

При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают добавочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря (штрихо­вая прямая).

Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вра­щения, а следовательно, и ЭДС E_a начнут возрастать. Когда ЭДС E_a = U , машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и час­тота вращения якоря достигает значения, называемого погранич­ной частотой вращения n_xx

Рис. 29.8. Режимы работы машины постоянного тока:

1 — с параллельным (независимым) возбуждением;

2 — со смешанным возбуждением;

3 — с последовательным возбуж­дением

При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу ма­шины ЭДС E_a станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перей­дет в генераторный режим: механическая энергия, затрачи­ваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электриче­скую и поступать в сеть.

Перевод машины из двигательного в генераторный режим ис­пользуют для торможения двигателя, так как в генераторном ре­жиме электромагнитный момент является тормозящим (рекупера­тивное торможение).

Источник

Основные уравнения двигателя постоянного тока (ДПТ)

В этой статье описаны основные формулы, величины и их обозначения которые относятся ко всем двигателям постоянного тока.

В результате взаимодействия I_я тока якоря в проводнике L обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила создающая электромагнитный момент М который приводит якорь во вращение с частотой n.

Противо ЭДС двигателя E_я

При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС E_я направленная навстречу I_я. Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.

C_e — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.

Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя.

где ∑R — суммарное сопротивления обмотки якоря включающая сопротивление :

Ток якоря I_я

Выразим из формулы 2 ток якоря.

Частота вращения якоря

Из формул 1 и 2 выведем формулу для частоты вращения якоря.

Электромагнитная мощность двигателя

Электромагнитный момент

где: ω = 2*π*f — угловая скорость вращения якоря, C_м — постоянный коэффициент двигателя (включает в себя конструктивные особенности данного двигателя)

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, где М₀ момент холостого хода;

Источник

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

Дополнительное сопротивление (реостат r_д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления r_д в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(r_д) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением r_д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = M_ном ) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I 2 _a *r_Д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении r_рег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикой двигателя n=f(I_В) при и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря Ia = M/(C_м*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения , т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n_max. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_a второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения n_max во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя n_ном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата r_рег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n_max уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуж­дения ток I_В = (0,01 — 0,07)I _а , а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n_MAX/n_MIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I_B = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n₀ пропорциональна напря­жению, а от напряжения не зависит, поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6,а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбу­дитель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под на­званием системы «генератор — двигатель» (Г—Д).

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения ДПТ НВ

Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображен­ной на рис. 29.7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подводится напряжение U = U_импи ток в ней достигает значения I_amax. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения I_amin (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения I_amax и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение

где Т— отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7, б); — коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого .

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) , а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем им­пульсного регулирования, где в качестве ключа применен управ­ляемый диод — тиристор VS. Открывается тиристор подачей крат­ковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L₁C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур L₁C и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L₁C определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь L₁ выража­ется в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

Значение среднего напряжения U_ср регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плав­ного регулирования частоты вращения в широком диапазоне оп­ределили области применения двигателей независимого возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

Источник

Краткие теоретические сведения. Уравнение электрического состояния для двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением (рис

Отсюда ,

где U – напряжение сети;

E = c_enФ – противо-ЭДС, индуктируемая

в обмотке якоря при его вращении;

I_я – ток в обмотке якоря;

c_e – конструктивный параметр;

n – частота вращения якоря;

Ф – магнитный поток;

R_я – сопротивление обмотки якоря.

В момент пуска, когда якорь неподвижен, противо-ЭДС равна нулю. Так как сопротивление якоря обычно очень мало, то пусковой ток I_яП = U/R_я будет во много раз превосходить номинальный. Это недопустимо, так как увеличение тока приводит к перегреву обмотки и повышенному искрению под щётками, что может привести к выходу коллектора из строя. Для ограничения пускового тока необходимо уменьшить напряжение, подводимое к якорю. Обычно для этой цели применяют пусковые реостаты – регулируемые резисторы, включаемые последовательно обмотке якоря. Сопротивление пускового реостата выбирается таким образом, чтобы пусковой ток не превышал кратковременно допустимого значения (2 ¸ 2,5)I_н.

На рис. 2 показана схема подключения ДПТ параллельного возбуждения с использованием пускового реостата R_д и регулятора тока возбуждения R_в. При включении двигателя цепь возбуждения должна находиться под полным напряжением сети, что обеспечивается предварительной установкой минимального сопротивления R_в. Одновременно устанавливают сопротивление R_д максимальным. Это обеспечивает достаточно большой пусковой момент M_п = с_мI_япФ при относительно малом пусковом токе, с_м = 30с_е/p. При отключении двигателя от сети цепь обмотки возбуждения не разрывается, а остаётся замкнутой на обмотку якоря, этим исключаются опасные перенапряжения, способные привести к пробою изоляции обмотки возбуждения.

Пуск непосредственным включением (без пускового реостата) применяется только для ДПТ малой мощности (до 1 кВт), имеющих сравни­тельно большое сопротив­ле­ние якоря.

Важное значение имеет механическая характерис­тика двигателя – зависимость частоты вращения двигателя от момента сопротивления n=f(М) при неизменных напряжении сети U и токе возбуждения I_в. Для двигателя параллельного возбуждения эта зависимость выражается следующей формулой:

,

где R_д – добавочное сопротивление, включенное последовательно якорю.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения без учёта размагничивающего действия реакции якоря представляет собой прямую (рис. 3). Частота вращения n₀, соответствующая моменту M = 0 (I_я = 0) называется пограничной или частотой вращения идеального холостого хода. Наклон механической характеристики определяет степень зависимости частоты вращения от статического момента сопротивления. Если при изменении момента сопротивления частота вращения изменяется мало, то характеристика считается жёсткой.

Механическая характеристика при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_д = 0) и номинальном напряжении U_Н называется естественной механической характеристикой. Механические характеристики при других условиях называются искусственными.

Механическая характеристика снимается следующим образом. Устанавливается номинальный режим (U = U_н, I = I_н, n = n_н), затем двигатель разгружается. Ток возбуждения поддерживается неизменным. В процессе опыта измеряется частота вращения при различных значениях момента сопротивления.

На рис. 4 представлено семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений добавочного сопротивления R_д при неизменном напряжении сети и токе возбуждения I_в = const. Из рисунка видно, что одному и тому же статическому моменту сопротивления М_ст при различных значениях R_д соответствуют различ­ные значения частоты вращения двигателя. Таким образом, измене­нием сопротивления в цепи якоря можно регулировать частоту вращения.

Процесс изменения частоты вращения двига­теля при изменении сопротивления в цепи якоря протекает следующим образом. Предположим, что режим работы двигателя определяется точкой 1 на естественной (а) меха­нической характеристике. Доба­вочное сопротивление R_д = 0. При моменте сопротивле­ния, равном М_СТ, двигатель вращается с частотой n₁. В цепь якоря вводится добавочное сопротивление R_д1, которому соответствует искусственная (б) механическая характеристика. Так как вращающиеся части машины обладают инерцией, то при изменении сопротивления цепи якоря скорость вращения не может измениться мгновенно. Следовательно, в первый момент после изменения сопротивления сохранится частота вращения n₁. Но при такой частоте вращения двигатель теперь развивает момент М₂. Этот момент меньше статического момента сопротивления M_ст. Вращение станет замедленным. Частота вращения будет понижаться до тех пор, пока вращающий момент, развиваемый двигателем, не станет равным моменту сопротивления. Равновесие будет достигнуто при частоте вращения n₂, соответствующей точке 3 на характеристике (б). Если теперь уменьшить добавочное сопротивление до значения R_д2

Регулировать частоту вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря можно только в пределах от номинальной частоты вращения до нуля. Регулирование может быть плавным или ступенчатым. Регулировочный реостат, в отличие от пускового, должен рассчитываться на длительный режим работы.

Рассмотренный способ регулирования скорости вращения является неэкономичным, так как сопряжён со значительными потерями на добавочном сопротивлении.

Регулировать скорость вращения n двигателя параллельного возбуждения можно и изменением магнитного потока Ф. Семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений магнитного потока представ­лено на рис. 5. Пусть режим работы характеризуется точкой 1 естественной (а) механи­ческой характерис­тики. Моменту сопротив­ления М_СТ соответствует частота вращения n₁. Если теперь увеличить сопротив­ле­ние реостата R_в в цепи возбуждения (рис. 2), то ток возбуждения I_в и магнитный поток Ф уменьшатся. Пусть новому значению потока соответствует искусственная механическая характеристика (б). При частоте вращения n₁ двигатель будет развивать момент М₂ (точка 2). Так как этот момент больше статического момента сопротивления, то вращение двигателя станет ускоренным. Частота вращения повысится до значения n₂ (точка 3), при котором момент, развиваемый двигателем, будет равен моменту сопротивления.

Так как в номинальном режиме магнитная система машины близка к насыщению, то регулирование частоты вращения изменением магнитного потока (полюсное регулирование) обычно ведётся только вверх от номинальной, то есть от n = n_н до n = n_max. Максимальное значение частоты вращения ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и коллектора. Для двигателей нормального исполнения обычно допускается превышение частоты вращения на 20 % от номинальной.

При полюсном регулировании необходимо помнить, что при неизменном моменте сопротивления уменьшение магнитного потока приводит к возрастанию тока якоря. При длительной работе ток якоря не должен превышать номинального I_я £ I_ян. По­люсное регулирование двигателей параллельного возбуждения широко распространено. Этот способ регулирования прост и экономичен.

Рабочие характеристики дают представление о свойствах двигателя. Рабочими характеристиками называют зависимости потребляемой мощности P₁, потребляемого тока I, частоты вращения n, момента М, тока якоря I_я и КПД h от мощности на валу двигателя P₂ при неизменных напряжении U = const и токе возбуждения I_в = const. На рис. 6 представлены примерные графики этих зависимостей.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление тока якоря, оставив неизменным направление магнитодвижущей силы (МДС) обмотки возбуждения, или изменить направление МДС обмотки возбуждения, оставив прежним направление тока в якорной обмотке.

Источник