Механічні характеристики та способи регулювання швидкості двигунів постійного струму
4.1 Електромеханічні та механічні характеристики ДПТ послідовного збудження (ПВ)
Схему підключення ДПТ ПВ наведено на рис. 4.1. На відміну від ДПТ незалежного збудження тут обмотка збудження ОВМ включена послідовно з якорем і через ОВМ протікає струм якоряIя.
Вихідні висловлювання для електромеханічної, механічної характеристик та моменту ДПТ ПВ можна записати в тому ж вигляді, що і для ДПТ незалежного збудження (див. рівняння (2.3) - (2.5)):
ωд=;ωд=; (4.1)
На відміну від ДПТ НВ у цих виразах опірRявключає і опір обмотки збудження. Друга, найбільш важлива відмінність, полягає в тому, що магнітний потікΦє функцією струму якоря. Залежність магнітного потоку від струмуΦне є аналітичною кривою (рис. 4.2), що не дозволяє отримати аналітичні вирази для електромеханічної та механічної характеристик ДПТ ПВ. Наведені рівняння дозволяють провести лише якісний аналіз.
Природні електромеханічна та механічна характеристики двигуна показані на рис. 4.2 рис. 4.3, криві 1. Очевидно, що приIя=0 магнітний потік також дорівнює нулю, і кутова швидкість за рахунок першого доданка у виразах (4.1) прагне до нескінченності (як кажуть, двигун йде «рознос»), тобто режим холостого ходу для ДПТ ПВ є неприпустимим.
При зростанні струму якоря магнітний потікФспочатку зростає приблизно пропорційно струму якоря, а швидкість різко знижується (крутопадаюча ділянка на характеристиках).
При великих струмахдвигун працює в зоні, близькій до насичення, тому його магнітний потік тут мало змінюється при зміні струму і характеристика стає жорсткішою, наближаючись до характеристики ДПТ НВ.
На практиці для розрахунків використовують звані універсальні характеристики ДПТ ПВ, які наводяться в каталогах.
4.2 Способи регулювання кутової швидкості ДПТ ПВ
Для ДПТ ПВ, як і ДПТ НВ, можливі три основних способи регулювання швидкості: 1) введенням додаткових опорів у ланцюг якоря; 2) зміною напруги, що підводиться; 3) зміною потоку збудження.
Регулювання кутової швидкості введенням додаткових опорів є найпростішим способом регулювання та широко використовується у підйомних та транспортних механізмах. Як випливає з рівнянь (4.1), зі збільшенням додаткового опоруRддругий доданок у цих виразах збільшується, тобто. збільшується падіння швидкості від навантаження. Відповідно електромеханічна і механічна характеристики області великих струмів стають більш крутопадающими (криві 2 на рис. 4.2, рис. 4.3 - характеристики зRд). Введення додаткових опорів у ланцюг якоря ДПТ ПВ дозволяє, як і для ДПТ НВ, регулювати швидкість відносно невеликого діапазону і обмежити струм якоря при пуску. Зазвичай величину додаткових опорів змінюють ступенями за допомогою релейно-контакторної апаратури, як викладено у п. 2.2.
Основні недоліки такого регулювання – значні втрати енергії у додатковому опорі, невеликий діапазон регулювання, ступінчастість регулювання.
Регулювання кутової швидкості зміною напруги, що підводиться, може бути здійснено так само, як для ДПТ НВ, за допомогою окремого генератора або тиристорногоперетворювача. Регулювання ведеться зменшенням напруги, що підводиться, і призводить, як випливає з рівнянь (4.1), до зниження швидкості. У транспортних механізмах часто два тягові двигуни однакової потужності працюють як багаторуховий електропривод (наприклад двовісний тяговий електропривод). При цьому з'являється додаткова можливість ступінчастої зміни напруги, що підводиться до двигуна за рахунок перемикання двигунів з послідовного включення на паралельне. При послідовному включенні кожен двигун припадає половина напруги мережі. Коли двигуни підключаються паралельно, кожен з них виявляється увімкненим на повну напругу мережі. Таке регулювання дозволяє виключити нераціональну витрату енергії.
Регулювання кутової швидкості ослабленням потоку збудження дозволяє, як і ДПТ НВ, отримати швидкості вище основний. Справді, як випливає з рівнянь (4.1), зменшення потокуΦпризводить при тому струмі якоря до зростання першого доданку. Ослаблення потоку збудження зазвичай здійснюють за рахунок шунтування обмотки збудження додатковим опором.
З аналізу механічних характеристик ДПТ ПВ випливає, що вони є дуже зручними для електричної тяги (трамвай, метро, тролейбус, електровози, тепловози) та підйомних механізмів з таких міркувань:
1) двигун має низьку швидкість при великих навантаженнях і високу - при малих, тим самим забезпечується природне регулювання швидкості руху за зміни опору переміщенню;
2) транспортні та вантажопідйомні механізми вимагають великих початкових моментів при пуску, саме такі моменти забезпечує ДПТ ПВ; у ДПТ НВ момент пропорційний струму -М
I, а у двигунів послідовногозбудженняМ
I2 . Оскільки при пуску двигунаI= (1,5…2,0)Iн, то двигуни послідовного порушення розвивають значно більший пусковий момент проти ДПТ НВ;
3) момент ДПТ ПВ не залежить від напруги мережі живлення, що особливо важливо для електричної тяги, де в контактній мережі можуть виникати великі відхилення напруги.
Основним недоліком характеристик ДПТ ПВ є необмежене зростання швидкості при малих струмах якоря і, як наслідок, неможливість забезпечити режим гальмування генератора.
4.3 Гальмівні режими ДПТ ПВ
Для ДПТ ПВ можливі два гальмівні режими: гальмування противключенням та динамічне гальмування.
При гальмуванні противключенням в ланцюг якоря вводиться додатковий опір обмеження струму якоря. Механічні характеристики є продовженням характеристик рухового режиму в області негативної кутової швидкості (див. рис. 4.2, рис. 4.3). Такий режим гальмування, як і ДПТ НВ, може виникати, коли момент на валу двигуна перевищує значенняМ1(рис. 4.3).
Динамічне гальмування ДПТ ПВ може здійснюватися двома способами: із самозбудженням та з незалежним збудженням. При використанні першого способу якір та обмотка збудження відключаються від мережі та замикаються на додатковий опір (рис. 4.4). При цьому обмотку збудження або якір перемикають так, щоб напрямок струму в обмотці збудження не змінилося. Якщо цього не зробити, то станеться розмагнічування машини.
При використанні другого способу - динамічного гальмування з незалежним збудженням - обмотку якоря замикають додатковий опір, а на обмотку збудження подають напругу від джерела. Схема включення у своїйаналогічна схемою динамічного гальмування ДПТ НВ (рис. 2.14), аналогічні й одержувані гальмівні характеристики.
Обидва розглянуті гальмівні режими ДПТ ПВ малоекономічні, оскільки енергія втрачається на додаткових опорах.
У транспортних засобах дуже важливо забезпечити віддачу (рекуперацію) електроенергії в мережу, наприклад, при русі на спуску. Проте, як зазначалося, генераторне гальмування ДПТ ПВ неможливо. Щоб вирішити цю проблему, в електротязі використовують перемикання обмотки збудження ДПТ із послідовного на незалежне. Для цього відключають обмотку збудження від якоря і подають на неї через додатковий опір напруга мережі. В результаті машина працює із незалежним збудженням. Генераторне гальмування такої машини розглянуте у пп. 2.5, 3.5.
4.4 Механічні характеристики та регулювання швидкості ДТП змішаного збудження (СВ)
Схему підключення ДТП СВ наведено на рис. 4.5. Машина має дві обмотки збудження: послідовну ОВМ1 та незалежну ОВМ2.
Рівняння для електромеханічної та механічної характеристик двигуна аналогічні відповідним рівнянням для ДТП ПВ:
ωд=;ωд= . (4.2)
Причому тут магнітний потік визначається як сума магнітних потоківΦ1– обмотки ОВМ1 таΦ2– ОВМ2:
Для ДТП СВ, на відміну від ДПТ ПВ, швидкість ідеального холостого ходу має кінцеве значення та визначається потокомΦ2:
ω0= .
Механічна характеристика двигуна змішаного збудження (крива 3 на рис. 4.6) займає проміжне положення між характеристикою ДПТ НВ – крива 1 та характеристикою ДПТ ПВ – крива 2. Швидкість ДПТ СВ при малих навантаженнях значно змінюється. А при великих навантаженнях характеристика достатньожорстка та близька до лінійної, як у ДПТ НВ (див. відповідні пояснення у п.2.4.1).
Для ДПТ СВ можливі самі гальмівні режими, як і для ДПТ НВ: 1) генераторне; 2) динамічний; 3) противключення.
Генераторне гальмування відповідає ділянці характеристики при швидкості більшеω0.При переході в режим генераторного гальмування струм у якорі та в обмотці послідовного збудження змінює свій знак, що може розмагнітити машину. Тому за зростання швидкості доω0ОВМ1 зазвичай шунтують, і машина працює як ДПТ НВ.
Для динамічного гальмування якір двигуна замикають на додатковий опір, а ОВМ1 відключають, щоб уникнути розмагнічування. В результаті машина працює як ДПТ НВ та має такі ж гальмівні характеристики.
При гальмуванні противключенням в ланцюг якоря вводять додатковий опір, що обмежує струм якоря. Характеристика при цьому стає м'якшою (крива 4 на рис. 4.6). Машина перетворюється на режим противключення при негативних значеннях швидкості.
Регулювання швидкості ДПТ СВ так само, як ДПТ ПВ, може здійснюватися: 1) зміною напруги, що підводиться; 2) введенням додаткового опору в ланцюг якоря; 3) зміною потоку послідовної обмотки збудження. Крім того, для ДПТ СВ з'являється додаткова можливість регулювання швидкості зміною потоку незалежної обмотки збудження.
З розглянутого випливає, що ДПТ СВ мають характеристики, зручні для тягового електроприводу. Порівняно з ДПТ ПВ машини із змішаним збудженням дозволяють забезпечити генераторне гальмування та регулювання швидкості потоком обмотки незалежного збудження.
ВИСНОВОК
В даний час в промисловості та на транспорті якрегульованого електроприводу отримав широке застосування електропривод постійного струму, основні відомості про який розглянуті у навчальному посібнику.
Розглянуті питання, звичайно ж, не вичерпують всього різноманіття застосовуваних та перспективних електромеханічних перетворювачів та електроприводів.
У 50-ті роки минулого століття великі надії покладалися на частотно-регульований електропривод з асинхронним двигуном із короткозамкненим ротором.
Асинхронний двигун за своїми експлуатаційними властивостями, масогабаритними показниками значно перевершує двигун постійного струму і має нижчу вартість. Однак необхідність випрямлячів та досить складних перетворювачів частоти значною мірою послаблює ефект зниження вартості та масогабаритних показників регульованого електроприводу з асинхронним двигуном.
Тому регульований електропривод з машиною постійного струму і в даний час у багатьох галузях техніки є конкурентоспроможним із частотно-регульованим електроприводом. Підтвердженням цьому може бути і те що, що з 1960-х років промислово розвинених країн кожні 5-7 років удвічі збільшують випуск машин постійного струму.
Відомі переваги колекторних машин постійного струму: висока щільність енергії та відмінні регулювальні характеристики, мабуть, гарантують їх широке використання в найближчому майбутньому.