книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

токи п момент в режиме короткого замыкания. Здесь под коротким замыканием понимается такой режим работы двигателя, когда его скорость, а следовательно, и э. д. с. равны нулю. При этом условии из (2-6) следует, что ток якоря двигателя определяется только сопротивлением

Ля + Лц.я и не зависит от потока возбуждения

тик двигателя.

При малых значениях тока якоря и соответственно момеита действие реакции якоря практически не прояв­ ляется, благодаря чему характеристика остается линей­ ной. При дальнейшем увеличении тока начинается замет­ ное снижение потока возбуждения, что вызывает откло­ нение характеристик от линейных в сторону больших ско­ ростей. Соответствующие характеристики, учитывающие влияние реакции якоря, обозначены пунктирными ли­ ниями на рис. 2-2 и 2-3. Следует отметить, что, как это следует из (2-11), на ток короткого замыкания реакция якоря влияния не оказывает, тогда как момент при корот­

50

ком замыкании вследствие снижения потока возбуждения уменьшается.

Следует обратить внимание на то обстоятельство', что в случае размагничивания двигателя под действием реак­ ции якоря его механическая характеристика может содер­ жать участок с положительной жесткостью (на рис. 2-3 — участок аб). Это обусловлено тем, что первый член в пра­ вой части (2-9) сначала растет быстрее, чем второй, а затем при дальнейшем увеличении момента сильнее сказы­ вается второй член. Такая форма механической характе­ ристики не может считаться удовлетворительной, тац как

вряде случаев она приводит к неустойчивой работе элек­ тропривода. Поэтому в современных электрических маши­ нах с целью устранения влияния реакции якоря в цепь якоря последовательно включают компенсационную об­ мотку, как это показано на рис. 2-1, которая распола­ гается на главных полюсах. Наличие такой обмотки ослаб­ ляет влияние реакции якоря при изменении тока якоря

впределах, обусловленных коммутационной способностью коллектора, что позволяет не считаться с изменением потока возбуждения при анализе скоростных и механиче­ ских характеристик двигателей постоянного тока незави­ симого возбуждения. При этом практически можно считать поток возбуждения не зависящим от тока якоря. Поэтому

вдальнейшем рассматриваются скоростные и механиче­ ские характеристики при кФ = const для любых значений тока якоря.

Уравнения скоростной и механической характеристик могут быть представлены в виде уравнений прямых, отсе­ кающих на осях координат отрезки 1я.к.з или М КЗ и со0, т. е.

(2-13)

(2-14)

м к.з

Последние выражения могут быть получены непосред­ ственно из (2-7) и (2-9) с учетом (2-10)—(2-12).

Из (2-10)—(2-12) следует, что основные параметры скоростных и механических характеристик со„, / я.к.з и М к з зависят от подведенного к зажимам двигателя напряже­ ния Uc, сопротивления цепи якоря и потока возбуждения. При вариации значений последних величин могут быть получены семейства скоростных и механических характе-

51

ристык. Из этих семейств принято выделять е с т е ­ с т в е н н у ю с к о р о с т н у ю и е с т е с т в е н н у ю м е х а н и ч е с к у ю характеристики, под которыми по­ нимаются характеристики, соответствующие номиналь­ ному напряжению на зажимах якоря двигателя £/,„ поми­ нальному потоку возбуждения Ф1Г, определяемому номи­ нальным током в обмотке возбуждения / в „, и отсутствию дополнительного сопротивления в цепи якоря (i?n я = 0). Все остальные скоростные и механические характеристики называются и с к у с с т в е н и ы м и.

Номинальными данными электрической машины назы­ вается совокупность параметров, характеризующих ее номинальный решим работы. Под последним понимается режим работы, для которого электрическая машина пред­ назначена предприятием-изготовителем.

Для оценки жесткости механической характеристики целесообразно найти зависимость М (со). Из (2 = 9) и (2 = 14)

м = л ж <и ° - № и >= ( 4 - £ ) ■ <2-15>

Тогда жесткость механической характеристики равна:

Следовательно, модуль жесткости механической харак­ теристики определяется только потоком возбуждения и сопротивлением цепи якоря. Из (2-16) следует также,' что естественная механическая характеристика имеет наи­ большее значение модуля жесткости по сравнепию с искус­ ственными характеристиками, так как ток возбуждения двигателя не может быть больше номинального, а сопро­ тивление цепи якоря не может быть меньше /?„•

На практике для оценки жесткости механических ха­ рактеристик двигателя независимого возбуждения часто используется другой параметр — уменьшение, или паде­ ние, скорости при поминальной нагрузке по сравнению со

.скоростью идеального холостого хода (см. рис. 2-2 и 2-3):

Из (2-7) и (2-9) следует, что

где / я „, Ма — ток якоря и электромагнитный момент дви­ гателя в номинальном режиме работы.

52

Падение скорости Асо,, характеризует крутизну меха­ нической характеристики — величину, обратную жест­ кости. Чем больше крутизна, тем меньше значение модуля жесткости пли, как принято говорить, тем мягче харак­ теристика.

Для сравнения характеристик двигателей различной мощности удобно представить уравнения этих характе­ ристик в относительных единицах. При этом принима­ ются следующие базисные величины:

Uо = £/„, /о = 1ПН и Фс = Ф„ — номинальные зна­ чения напряжения, тока якоря и потока возбуждения;

соо = соое = -и и/кФи — скорость идеального холостого хода на естественной характеристике;

До = Лн = £/„//*... — номинальное сопротивление, ко­ торое, будучи включено в цепь якоря неподвижного

Ро = Uu /„ „ — мощность, потребляемая двигателем из сети в номинальном режиме.

Далее для относительных значений переменных исполь­ зованы прежние обозначения, но с индексом *, например со.к = со/шб и т- п. При принятых базисных величинах уравнения скоростной и механической характеристик в относительных единицах могут быть получены из (2-7)

При номинальном потоке возбуждения относительные значения тока якоря и момента двигателя равны между собой (M.t. — кФ„1я/кФи1л п = /„...). В этом случае меха­ ническая и скоростная характеристики в относительных величинах идентичны.

В относительных единицах, как это следует из послед­ них формул, номинальная скорость со;,* = 1 — ЛЯф, а падение скорости при номинальной нагрузке Дши* сог­ ласно (2-18) принимает вид:

53

Для естественной характеристики

Величина Дюи.'е* позволяет определить крутизну ско­ ростных характеристик двигателя. Из (2-21а) следует, что крутизна (наклон) естественной скоростной характе­ ристики определяется выраженным в относительных еди­ ницах сопротивлением якоря двигателя.

Рис. 2-4. Зависимости относительной вели­ чины сопротивления якорной цепи двигателей постоянного тока независимого возбуждения от номинальной мощности.

тихоходного исполнения; з — то же быстроходного исполнения.

Часто в относительных единицах выражают н жест­ кость механических характеристик

т. е. модуль относительной жесткости естественной харак­ теристики обратно пропорционален выраженному в отно­ сительных единицах сопротивлению якоря двигателя.

54

Из полученных формул следует, что относительное собственное сопротивление цепи якоря двигателя пол­ ностью определяет относительную жесткость и крутизну естественных характеристик. С увеличением мощности двигателей значение R nxy. в общем случае снижается. На рис. 2-4 приведены построенные для разных серий двигателей постоянного тока зависимости R n.b от мощ­ ности, которые подтверждают это положение.

Для анализа условий преобразования энергии в дви­ гателе постоянного тока независимого возбуждения обра­ тимся к эквивалентной схеме цепи якоря двигателя, представленной на рис. 2-5. В этой схеме питающая сеть

направлением э. д. с., и, наоборот, источник э. д. с. потребляет электрическую энергию, если

направление тока в нем противоположно направлению э. д. с. При указанном условии мощность двигателя и момент на его валу положительны, если осуществляется процесс преобразования электрической энергии в меха­ ническую, т. е. имеет место двигательный режим. При

В этом уравнении левая часть представляет собой мощность Р0, потребляемую двигателем из сети, второе слагаемое правой части — мощность потерь АР в актив­ ном сопротивлении, а первое слагаемое — мощность пре­ образования или, как ее иногда называют, электромаг­ нитную мощность двигателя, обозначаемую Рш. Учиты­ вая (2-4) и (2-8), можно представить последнюю величину в виде

55

Следует отличать электромагнитную мощность дви­ гателя Рои от полезной механической мощности на его валу Рм. В режиме преобразования электрической энергии в механическую последняя меньше Рш на величину ме­ ханических потерь (трение в подшипниках, вентиляцион­ ные потери) и потерь в стали якоря, обусловленных его перемагнпчиваннем при вращении в неподвижном поле, создаваемом системой возбуждения машины. По этой же причине момент, определяемый по (2-8), несколько больше момента, передаваемого рабочему механизму. Поэтому момент, определяемый (2-8), является электромагнитным моментом двигателя, который отличается от его момента на валу на величину момента потерь. Обычно мощность механических потерь существенно меньше Ром, в связи с чем практически электромагнитная мощность равна механической мощности на валу двигателя, т. е. Рш » Ры.

Записывая выражение (2-24) в виде

можно. определить к. п. д. двигателя без учета потерь на

т. е. с увеличением относительной величины сопротивле­ ния цепи якоря снижается к. п. д. двигателя.

Для осуществления тормозного режима двигателя необходимо, чтобы направления его э. д. с. и тока якоря совпадали. Рассмотрение схемы рис. 2-5 показывает, что это возможно при следующих условиях: Е > Uc\ Е сов­ падает с Uс по направлению; Uc = 0. Рассмотрим отдельно каждый случай.

Первый из них (Е > Uc) соответствует режиму реку­ перации электрической энергии в сеть. Этот режим назы­ вают также режимом работы параллельно с сетью, имея в виду, что двигатель совместно с сетью отдает энергию другим потребителям, подключенным к той же сети.

При сохраняющемся прежнем потоке возбуждения

56

момент на валу двигателя обусловлен, например, умень­ шением запаса потенциальной энергии опускающегося груза (рис. 2-6), и в других случаях, когда к валу двига­ теля со стороны рабочего органа приложен движущий момеит.

Для рассматриваемого режима справедливо уравнение баланса мощностей, записанное в виде (2-24а). Однако в генераторном режиме, когда М < 0, знаки Рс и Рж противоположны по отношению к соответствующим вели­ чинам в двигательном режиме работы, а знак мощности

Ряс. 2-6. К иллюстрации режима рекуперативного торможе­ ния двигателя постоянного тока независимого возбуждения ири спуске груза.

а — схема включения; 6 — механическая характеристика; F п v — сила тяжести и скорость движения опускаемого груза.

потерь в обоих случаях одинаков. Поэтому уравнение баланса мощностей можно записать в виде

С = Р ЭМ---( Д я + Д „ . я ) / я .

Здесь полезной является энергия, возвращаемая элек­ трической машиной в сеть Рс. В соответствии с этим к. п. д. электрической машины в режиме рекуперативного торможения определяется выражением

При работе в режиме рекуперативного торможения нецелесообразно вводить в цепь якоря дополнительное сопротивление 7?п я, так как это в соответствии с (2-27) приводит к снижению к. п. д. и вызывает увеличение скорости. Последнее следует из (2-7) и. (2-9) при условии

/ я < 0 и М < 0, т. е.

Дя~Ь-Дп.Я IМ |. (2-28)

(*Ф)2 1

57

Если учесть, что, например, при спуске грузов речь может идти о превышении скорости идеального холостого хода со0, то становится очевидным нежелательность этого явления.

Следует подчеркнуть, что в последних выражениях по-прежнему фигурируют электромагнитные моменты и мощность, которые, однако, в этом случае меньше момента

имощности на валу двигателя нз-за механических потерь

ипотерь в стали-якоря.

Рпс. 2-7. Скоростная (механическая) характери­ стика двигателя, постоянного тока независимого возбуждения, соответствующая его работе в дви­ гательном и тормозных режимах при неизменном напряжении источника питания.

Скоростная и механическая характеристики в режиме рекуперативного торможения являются продолжением ха­ рактеристик двпгательпого режима (рис. 2-7).

Совпадение направлений Е и Uc при одинаковом на­ правлении потока возбуждения возможно в следующих двух случаях. В первом из них момент короткого замы­ кания двигателя М к з меньше активного момента стати­ ческой нагрузки М с, обусловленного, например, умень­ шением потенциальной энергии опускаемого груза (рис. 2-8, а). При этом вал электродвигателя под действием момента нагрузки'вращается в направлении, противопо­ ложном направлению двигательного режима. Второй слу­ чай имеет место тогда, когда при вращающемся электро­ двигателе изменяется полярность напряжения на зажимах

58

его якоря, что осуществляется переключением контак­ торов В и Н в схеме на рис. 2-9 (например, отключение

Рис. 2-8. К иллюстрации режима торможения противовключением двигателя постоянного тока неза­ висимого возбуждения.

а — при Мс > ЛГК 3; б — при изменении подярпости на­ пряжения чна зажимах якоря.

контактора «вперед» В и включение контактора «назад» Н). При этом в первый момент времени угловая скорость не изменяется, так как система электропривода обладает

ординатами со = 0; М = М к з на механической характе­ ристике двигателя (рис. 2-8, б). Если в этот момент не отключить двигатель от сети, то электропривод начнет

59