Електромеханічні властивості двигунів постійного струму незалежного збудження

Двигуни постійного струму традиційно були основою регульованого електроприводу і широко застосовуються у всіх областях техніки. Двигуни постійного струму можуть мати незалежне, послідовне або змішане збудження. Залежно від схеми збудження істотно відрізняються і електромеханічні характеристики двигунів.

Рис. 2.1 Схеми збудження двигунів постійного струму

Двигуни незалежного збудження можуть мати електромагнітне збудження, (Рис. 2.1 - a) і збудження від постійних магнітів (Рис. 2.1 -b). Останні застосовуються для високодинамічних двигунів потужністю до 20кВт.

Реверсування (зміна напрямку обертання) двигуна незалежного збудження виконується зміною полярності напруги, підведеного до якоря двигуна або до обмотки її збудження.

Напруга, що підводиться до якірного кола двигуна, у встановленому режимі врівноважується падінням напруги на опорах кола якоря і проти-Е.Р.С. якоря, яка наводиться в обмотці якоря при його обертанні в електромагнітному полі, що створюється обмоткою збудження

(2.1)

R_а - опір якірного кола, що складається з опору обмотки якоря R_оа, обмотки додаткових полюсів R_дп компенсаційної обмотки R_ко (якщо вона є) і внутрішнього опору джерела живлення двигуна R_n (якщо він враховується):

Е.р.с. якоря Е_а дорівнює

(2.2)

Тут:

Ф - потік збудження (Вб);

конструктивна постійна двигуна;

де:

р_n - число пар полюсів машини;

N - число активних провідників обмотки якоря;

а - число паралельних гілок обмотки якоря.

Момент, що розвивається двигуном, пропорційний струму якоря і потоку збудження

(2.3)

З рівнянь (2.1) і (2.2) легко отримати залежність швидкості від струму якоря , яка називається електромеханічною характеристикою двигуна

(2.4)

Підставляючи в (2.4) значення струму якоря з (2.3), одержимо рівняння механічної характеристики двигуна

(2.5)

Якщо двигун у всіх режимах працює з постійним потоком збудження, то величину кФ вважають постійної

(2.6)

Тоді попередні рівняння матимуть вигляд:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Строго кажучи, при зміні навантаження на валу, коли змінюється струм якоря, магнітний потік двигуна внаслідок розмагнічуючого впливу реакції якоря не залишається постійним. Для усунення впливу струму в колі якоря на потік збудження на великих машинах використовують компенсаційну обмотку, яка включається послідовно з обмоткою якоря і розташовується на полюсах машини, підсилюючи потік збудження. Однак і для некомпенсованих машин в інженерних розрахунках звичайно нехтують розмагнічуючою дією реакції якоря, покладаючи забезпечення лінійності механічної характеристики двигунів на замкнуті системи регулювання. У двигунах зі збудженням від постійних магнітів реакція якоря практично не проявляється.

Рис. 2.2 Природна механічна характеристика ДПС

Природна механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження показана на Рис. 2.2.

Жорсткість природної механічної характеристики β для розглянутих двигунів зазвичай висока і дорівнює:

(2.10)

В рівняннях, що розглянуті, члени і дорівнюють швидкості холостого ходу двигуна ω_о. З урахуванням (2.10) отримаємо зручний вираз для механічної характеристики при постійному потоці збудження

(2.11)

Регулювання швидкості двигуна постійного струму незалежного збудження може проводитися трьома способами:

1. Введенням додаткового опору в коло якоря.

2. Зміною величини напруги, що живить якірне коло двигуна, при постійному потоці збудження.

3. Зміною струму збудження, тобто зміною магнітного потоку двигуна.

Рис. 2.3 Реостатні механічні характеристики ДПС

При введенні додаткового опору в коло якоря швидкість холостого ходу ω_о залишається незмінною, а змінюється нахил механічних характеристик, тобто зменшується їх жорсткість (див. Рис. 2.3). Даний спосіб регулювання швидкості в даний час не використовується, оскільки введення додаткового опору пов'язане з втратами енергії в цьому опорі.

Рис. 2.4 Механічні характеристики ДПС при зміні напруги якоря

Основним способом регулювання швидкості двигунів постійного струму незалежного збудження є регулювання напруги, що підводиться до якоря двигуна.

Зміна швидкості при цьому здійснюється вниз від основної (номінальної) швидкості, яка визначається природною характеристикою (дів. Рис. 2.4). Підвищення напруження живлення вище номінального, як правило, не рекомендується, тому що це може погіршити комутацію на колекторі.

При зменшенні напруги якоря зменшується швидкість холостого ходу ω_о, а жорсткість механічних характеристик залишається постійною. Плавність регулювання, відсутність додаткових втрат енергії при регулюванні і висока жорсткість механічних характеристик складають основні переваги цього способу регулювання швидкості.

Рис. 2.5 Механічні (а) і електромеханічні (b) характеристики ДПС при U_ном

Регулювання швидкості вище основної проводиться зменшенням струму (потоку) збудження (див. Рис. 2.5). При зменшенні магнітного потоку Ф відбувається збільшення швидкості холостого ходу ω_о і одночасно зменшується жорсткість механічних характеристик двигуна.

Збільшення струму збудження вище номінального недоцільно, тому що внаслідок насичення магнітного кола машини істотного зростання магнітного потоку не відбудеться, а тепловий режим двигуна порушиться. Електромеханічні характеристики двигуна при ослабленні поля ω = f(I_я) будуть мати вигляд, показаний на (Рис. 2.5 -b). Ці характеристики на осі абсцис сходяться в одній точці, відповідній струму короткого замикання . Зауважимо, що масштаб по осі абсцис на рис. a і рис. b різний.

При аналізі механічних характеристик при послабленні поля слід мати на увазі, що при роботі з постійним статичним моментом струм якоря в міру послаблення потоку збільшується. Так, якщо статичний момент на валу двигуна буде дорівнювати номінальному, то при номінальній напрузі якоря U_а.ном двигун працюватиме в т. 1 (див. Рис. 1.1 -а). Якщо, наприклад, послабити потік збудження в 2 рази, то швидкість холостого ходу двигуна ω_о2 збільшується в 2 рази. Якщо момент двигуна зберігається постійним і рівним номінальному, то двигун буде працювати в т. 4. Однак струм якоря при цьому збільшиться в 2 рази. Тому тривала робота двигуна в т. 4 неприпустима. З цього прикладу випливає, що одночасно з підвищенням швидкості необхідно знижувати номінальний момент. Лінія номінального моменту при ослабленні поля відображається кривою 1-2-3. Аналогічно при послабленні поля зменшується допустимий максимальний момент, що визначається за умовами комутації на колекторі. Оскільки при послабленні поля швидкість збільшується приблизно пропорційно послабленню поля , а допустимий момент зменшується пропорційно відношенню, то потужність двигуна залишається приблизно постійною. Тому регулювання ослабленням поля називають регулюванням з постійною потужністю на відміну від регулювання зміною напруги якоря при постійному потоці збудження, яке називають регулюванням з постійним моментом.

Рис. 2.6 Двозонне регулювання

Для електроприводів багатьох механізмів використовують комбіноване управління, так зване двохзонне регулювання швидкості. Механічні характеристики для цього способу управління показані на (Рис. 2.6). У першій зоні швидкість двигуна в діапазоні від нуля до основної швидкості ω_он регулюється зміною напруги якоря при постійному потоці збудження Ф_н. У другій зоні регулювання здійснюється зміною струму (потоку) збудження при постійної номінальної напруги якоря. Відповідно номінальний момент у першій зоні регулювання залишається постійним, а в другій зоні знижується пропорційно зменшенню потоку. Максимально допустима швидкість двигуна при ослабленні поля визначається механічною міцністю якоря та умовами комутації на колекторі. Ця швидкість вказується в каталозі на двигуни.

Послаблення поля використовується і при однозонному регулюванні швидкості для встановлення основної (максимальної) швидкості. На відміну від синхронних і асинхронних двигуни постійного струму не мають жорсткої номінальної швидкості. У каталогах вказується номінальна і максимальна швидкості. Наприклад, якщо вказано, що двигун потужністю 100кВт має номінальну швидкість 1000об/хв і максимальну - 2000об/хв, то основна швидкість може бути встановлена в цих межах вибором відповідного значення струму збудження. Наприклад, - 1600об/мін; при цьому потужність двигунів залишиться рівною 100кВт. Це зручно при конструюванні кінематичної схеми робочої машини.

Для високо динамічних електроприводів малої потужності (до 20кВт) ефективно використання високомоментних двигунів постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. Завдяки застосуванню високоенергетичних постійних магнітів на основі рідкісноземельних елементів (наприклад, сплаву самарій-кобальт) ці двигуни особливо при малих швидкостях обертання (коли умови комутації струму на колекторі більш легкі) здатні розвивати великий крутний момент. Відношення пускового моменту такого двигуна до номінального становить 10-12, в той час як у двигунів з електромагнітним збудженням це відношення не перевищує 2-4. Такі двигуни знаходять застосування в металорізальних верстатах з числовим програмним управлінням, в приводах роботів і стежачих електроприводах різного призначення.

У деяких випадках двигуни незалежного збудження мають «легку» обмотку послідовного збудження, що створює М.Р.С. при номінальному струмі якоря близько 20% від М.Р.С. обмотки незалежного збудження. Такі двигуни змішаного збудження застосовуються у випадках багатодвигунного приводу, коли два або декілька двигунів працюють на один вал або їхні вали пов'язані механічно (наприклад, стрічкою конвеєра), у цьому випадку швидкість всіх двигунів буде однаковою, але через не ідентичні характеристики двигунів виникає завдання рівномірного розподілу навантаження між ними. Завдяки наявності послідовної обмотки збудження в більш навантаженому двигуні збільшується потік і зростає проти-ЕРС якоря, що веде до зниження струму якоря. Навпаки, менш навантажений двигун буде мати кілька менший потік, його ЕРС. буде нижчою і струм якоря відповідно зростає. Таким чином, завдяки наявності слабкої послідовної обмотки відбувається вирівнювання струму якоря між двигунами, що живляться від загального джерела напруги.

Електродвигуни постійного струму незалежного збудження можуть працювати в трьох гальмівних режимах: режимі рекуперативного гальмування, динамічного гальмування і гальмування противмиканням.

Рис. 2.7 Механічні характеристики ДПС у рекуперативному режимі

Режим рекуперативного генераторного гальмування відбивається на механічних характеристиках у другому квадранті, коли швидкість двигуна перевищує швидкість холостого ходу ω >ω_о. При цьому ЕРС. якоря Е_а перевищує величину напруги живлення якірного кола Е_а >U_а і струм в колі якоря піде під дією ЕРС. якоря Е_а; знак струму буде протилежний знаку напруги живлення, що означає, що енергія гальмування віддається в мережу живлення постійного струму. Звідси випливають три умови існування режиму рекуперативного гальмування.

1. Коло живлення має забезпечувати можливість протікання струму зустрічно напрузі джерела живлення; це умова особливо важливо у випадку живлення двигуна постійного струму від напівпровідникових перетворювачів, елементи яких мають односторонні провідності струму.

2. Джерело живлення повинно мати можливість сприймати віддаваєму двигуном енергію і передавати її у мережу; так режим рекуперативного гальмування неможливий, якщо привод отримує живлення від автономної дизель-генераторної установки.

3. Для того, щоб рекуперативне гальмування було можливе в межах заданого діапазону регулювання швидкості, для регулювання повинен застосовуватися спосіб зміни напруги, який підводиться до якірного кола двигуна.

У режимі рекуперативного гальмування маємо:

і

Основними перевагами рекуперативного гальмування є: енергетична ефективність, пов'язана з корисним використанням енергії гальмування, висока жорсткість механічних характеристик, плавний перехід з двигунного в гальмівній режим на одній і тій же характеристиці. Завдяки такому характеру механічних характеристик поліпшується якість управління приводом. Повернемося до розгляду (Рис. 2.7). Нехай двигун працював у точці.1 у двигунному режимі зі статичним моментом М_с. Якщо оператор хоче зменшити швидкість, він зменшує напругу джерела живлення з U_а1 до U _а2. В перший момент швидкість двигуна через механічну інерцію не може змінитися, і двигун переходить на роботу в точку.2. При цьому на валу двигуна виникає гальмівний момент, який дорівнює сумі гальмівного моменту двигуна і статичного моменту. Швидкість двигуна швидко знижується до швидкості ω_о2 і далі під дією статичного моменту до швидкості, яка визначається точкою.3.

Другим можливим гальмівним режимом є режим динамічного гальмування

Рис. 2.8 Схема режиму динамічного гальмування

У цьому режимі якір двигуна відключається від джерела постійного струму і замикається на опір динамічного гальмування. Живлення обмотки збудження при цьому має бути обов'язково збережено. У зазначеному режимі двигун М працює як генератор постійного струму, навантажений на опір R_дт. Енергія гальмування витрачається на нагрів опору R_ДТ і обмоток кола якоря двигуна.

Рис. 2.9 Механічні характеристики ДПС при динамічному гальмуванні

Механічні характеристики при динамічному гальмуванні представлені на (Рис. 2.9). Якщо R_дт = 0, якірне коло двигуна буде замкнуте накоротко і механічна характеристика (при Ф=Ф_н) матиме жорсткість природної характеристики. При збільшенні R_ДТ жорсткість характеристик буде зменшуватися в співвідношенні:

і механічні характеристики будуть лінійними і розходитися віялом з початку координат.

При U_а = 0 рівняння механічних характеристик динамічного гальмування буде:

Недоліками режиму динамічного гальмування є: втрати енергії гальмування, що витрачається на нагрівання елементів приводу, і неможливість гальмування приводу до повної його зупинки.

Перевагою режиму динамічного гальмування є його висока надійність, обумовлена тим, що цей режим може здійснюватися при зникненні напруги живлення і у випадку виходу з ладу джерела живлення кола якоря, коли режим рекуперативного гальмування стає неможливий. Виходячи з цього, динамічне гальмування в приводах постійного струму часто використовується в якості засобу аварійного гальмування.

Гальмування противмиканням не характерно для двигунів постійного струму незалежного збудження. Цей режим може використовуватися в приводах малої потужності з широтно-імпульсними регуляторами струму, що дозволяють обмежити струм гальмування припустимою величиною.