Пуск двигателей постоянного тока


Пуск двигателей постоянного тока

Ток якоря двигателей постоянного тока определяется уравне­нием

где Rд — внутреннее сопротивление двигателя.

При пуске двигателя, когда он неподвижен, т. е. ω = 0, э.д. с. Е равна нулю.

Поэтому пусковой ток двигателя

Внутреннее сопротивление двигателей Rдочень мало, по­этому включение двигателя на полное напряжение сети вызы­вает большой бросок тока, превосходящий номинальный ток во много раз.

Для ограничения пускового тока необходимо последова­тельно с обмоткой якоря включить пусковой реостат или изме­нять подводимое к двигателю напряжение от нуля до номи­нального.

При реостатном пуске пусковой ток определяется согласно уравнению

Где Rп — сопротивление пускового реостата.

По мере увеличения скорости вращения якоря двигателя при пуске будет расти э. д. с. якоря. Ток в этом случае будет равен

С увеличением скорости вращения якоря, а следовательно с увеличением э. д. с, будет уменьшаться ток якоря и вращаю­щий момент. Для поддержания величины пускового тока и пус­кового момента в необходимых для пуска пределах нужно уменьшать величину сопротивления пускового реостата. Таким образом, по мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата автоматически или вручную уменьшается.

Диаграммы пуска двигателей постоянного тока параллель­ного и последовательного возбуждения приведены на рис. 5.1.

Величину момента Mi, соответствующего полному сопротив­лению реостата при неподвижном двигателе, называют макси­мальным пусковым моментом. Величину момента М2, при котором происходит переключение реостата, т. е. переход на сле­дующую механическую характеристику, называют переклю­чающим моментом.

Переключающий момент принимается больше момента стати­ческого сопротивления, т. е. М2С

Кроме пусковых ступеней, реостат имеет предварительную ступень, на которой пусковой момент меньше момента статиче­ского сопротивления, т. е. Мпред

В точке 9 (см. рис. 5.1, а) и точке 7 (см. рис. 5.1, б) реостат полностью зашунтирован. Двигатель разгоняется на естествен­ной характеристике 10—11 (см. рис. 5.1, а) и 89 (см. рис. 5.1, б). В точках 11 и 9 наступает установившийся режим работы двигателя при М=МС и скорости ωс. На этом пуск дви­гателя заканчивается. Этот способ пуска отличается сравни­тельно большими потерями энергии в реостате.

Значительно экономичнее получается пуск двигателей при изменении напряжения от нуля до номинального. Но для этого необходимо применять специальные системы привода, напри­мер систему генератор — двигатель (Г—Д), тиристорный пре­образователь— двигатель (ТП—Д) и т. д. Эти системы при­вода будут подробнее рассмотрены ниже.

Для уменьшения потерь электроэнергии при пуске двига­телей последовательного возбуждения, установленных на элек­тровозах, применяют последовательно-параллельное соединение двигателей. При этом на зажимах двигателей напряжение из­меняется скачкообразно. Так, например, при двух двигателях напряжение может быть равно 0,5 UHM и UHM, при четырех двигателях — 0,25 Uном, 0,5 UHM и UHM. Такое соединение дви­гателей дает возможность уменьшить потери энергии в реоста­тах при пуске.

5.3. Пуск двигателей переменного тока

Пуск асинхронных двигателей с фазным рото­ром при номинальном напряжении и номинальной частоте осу­ществляется при помощи пускового реостата, включенного в цепь ротора.

Диаграмма пуска (рис. 5.2) получается подобной диаграмме пуска двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. По мере увеличения скорости вращения ротора сопротивление реостата уменьшается (автоматически или вручную). По пусковой диаграмме пуск двигателя проходит следующие этапы:

на участке —1 момент увеличивается от 0 до Мпред, происходит кинематическая подтяжка всей системы при­вода;

на участке 1—2 момент увеличивается от Мпрел до М1(предварительная секция- rпред зашунтирована);

на участке 23 увеличи­вается скорость вращения ро­тора от нуля до ω1 и умень­шается момент от М1до М2;

на участке 34 происхо­дит разгон двигателя на третьей характеристике от ω1 до ω2

Аналогично происходит пуск и на других ступенях реостата. От точки 8 до точки 9 происходит разгон двигателя на естественной характеристике.

Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором осуществляется прямым включе­нием в сеть.

Пуск непосредственным включением в сеть на полное на­пряжение прост, обеспечивает полную величину пускового мо­мента, но связан со значительными пусковыми токами.

Пуск синхронных двигателей. В настоящее время синхронные двигатели изготовляют только с асинхронным пуском.

При асинхронном пуске синхронного двигателя принципи­альные схемы включения обмотки статора аналогичны схемам включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым рото­ром. При асинхронном пуске до подачи напряжения в обмотку возбуждения последняя должна быть замкнута на разрядное со­противление.

При пуске синхронного двигателя необходимо выполнить два условия:

а) пусковой (асинхронный) момент Мпуск должен быть
больше момента статического сопротивления Мс;

б) входной (подсинхронный) момент вращения Л1вх, т. е.
момент при скольжении s = 0,05, должен быть больше статиче­ского момента сопротивления при том же скольжении. Данные
о пусковом и входном моментах двигателя приводятся в завод­ских каталогах.

Тормозные режимы двигателей

Двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели трехфаз­ного тока позволяют применять три вида электрического тор­можения: генераторное торможение с рекуперацией энергии в сеть, динамическое торможение и торможение противовключением.

Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения. На рис. 5.3 представлены схемы включения двигателя, а на рис. 5.4 — механические характеристики в тор­мозных режимах.

Генераторное торможение с рекуперацией энергиив сеть(рис. 5.3, а) может быть только при скорости вращения якоря, большей скорости идеального холостого хода, т. е. ω>ω. В этом случае Е> U и величина тормозного тока определяется уравнением

из которого видно, что направление тока меняется на обратное, т. е. ток поступает от двигателя в сеть. Этот режим работы применяется для торможения при спуске груза (подъемные машины, краны и т. п.), когда груз, опускаясь, может вращать якорь со скоростью ω>ω0. Точка 2 механической характери­стики (см. рис. 5.4) соответствует этому режиму работы. Оче­видно, этот вид торможения можно применять только для под­держания скорости на определенном уровне.

Динамическое торможение(рис. 5.3, б) можно применять при любой скорости вращения якоря двигателя, отличной от нуля. Якорь двигателя при динамическом торможении отключа­ется от сети и замыкается на тормозное сопротивление RAnnОбмотка возбуждения обычно включается в сеть постоянного тока для создания неизменного магнитного потока двигателя.

Величина тока якоря при динамическом торможении опре­деляется выражением

Участок 3 механической характеристики (рис. 5.4) соот­ветствует динамическому торможению.

Так как Е пропорциональна скорости вращения якоря, то при малых скоростях динамическое торможение малоэффек­тивно.

Торможение противовключением(рис. 5.3, в) возможно при всех значениях скорости, вплоть до полной остановки двига­теля.

При противовключении двигатель вращается в обратную сторону. При этом э. д. с. Е действует согласно с приложенным напряжением (если изменить направление тока в обмотке воз­буждения). Ток якорной цепи двигателя определится по выра­жжению

Подобный режим работы может быть осуществлен только при введении в цепь якоря достаточно большого сопротивления с целью ограничения тока якоря. Этому режиму работы соот­ветствует участок 4-5 характеристики на рис. 5.4.

Двигатели постоянного тока последова­тельного возбуждения могут иметь два режима тормо­жения: динамическое торможение и торможение противовклю­чением. Генераторное торможение с рекуперацией энергии в сеть при обычной схеме включения двигателя невозможно, так как двигатель не имеет скорости идеального холостого хода. Этот режим торможения возможен, если обмотку возбуж­дения подключить к независимому источнику тока.

Схемы включения двигателя приведены на рис. 5.5, а меха­нические характеристики — на рис. 5.6.

Динамическое торможениеможно применять при любой скорости, однако при малых скоростях эффективность тормо­жения резко снижается. При этом режиме работы двигатель может быть включен по схемам, приведенным на рис. 5.5, а и б.

В первой схеме двигатель отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление. Концы обмотки возбуждения сле­дует поменять местами с целью предотвращения размагничива­ния двигателя. Вторая схема широкого применения не получила, так как в тормозном сопротивлении, включенном последова­тельно с обмоткой возбуждения, получаются большие потери электроэнергии.

В остальном этот режим протекает так же, как и в двига­теле параллельного возбуждения. Участок 2 механической характеристики соответствует динамическому торможению.

Торможение противовключением(рис. 5.5, в) осуществля­ется и протекает точно так же, как и в двигателе параллельного возбуждения. Участок 34 механической характеристики (рис. 5.6) соответствует торможению противовключением

Асинхронные двигатели трехфазного тока.

В асинхронных двигателях возможны три тормозных ре­жима: торможение с рекуперацией энергии в сеть; торможение противовключением и динамическое торможение.

На рис. 5.7 приведены схемы включения двигателя, а на рис. 5.8 механические характеристики при тормозных режимах.

При торможении с рекуперацией энергии в сеть (рис. 5.7, а) направление вращения вращающегося магнитного потока ста­тора совпадает с направлением вращения ротора. Скорость вра­щения ротора больше скорости вращения магнитного потока, т. е. (о>со— Механическая энергия, подводимая к валу ротора извне (например, создаваемая опускаемым грузом), преобразу­ется в электрическую и отдается в сеть. Применяется этот ре­жим торможения для поддержания постоянной скорости при опускании груза в подъемных установках. На механических ха­рактеристиках (см. рис. 5.8) этому режиму работы соответ­ствует точка 2.

При торможении противовключениемротор двигателя вра­щается в сторону, противоположную вращению магнитного по­тока статора. Этот режим работы может быть получен путем реверсирования двигателя на ходу (рис. 5.7, б). Ротор под дей­ствием запасенной кинетической энергии продолжает вращаться впрежнем направлении, а поле статора изменяет свое направ­ление вращения.

Режиму торможения противовключением соответствуют уча­стки механических характеристик (см. рис. 5.8) 34 для двига­теля с короткозамкнутым ротором и 3′4′( на реостатной ха­рактеристике двигателя с фазовым ротором) соответствуют динамическому торможению.

Динамическое торможениеасинхронного двигателя осущест­вляется подключением обмотки статора к источнику постоян­ного тока. Обмотка ротора двигателя с фазным ротором замы­кается на сопротивление (рис. 5.7, в). Машина работает как синхронный генератор с неподвижными полюсами. Части меха­нических характеристик (рис. 5.8) 5— (для двигателя с ко­роткозамкнутым ротором) и 5’— (на реостатной характери­стике двигателя с фазным ротором) соответствуют динамиче­скому торможению.

Пуск двигателей постоянного тока

Достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности получения больших пусковых моментов, что уменьшает время запуска нагруженных двигателей. С другой стороны, жесткость механических характеристик двигателей с параллельным возбуждением позволяет получить стабильность работы при изменении момента нагрузки в значительных пределах. Но большие механические моменты на валу требуют прохождения больших токов по обмотке якоря в сети питания двигателя, что создает проблемы с выбором сечения проводов электрической сети, мощности источника питания и системы защиты двигателя. Поэтому основная задача, возникающая при пуске двигателей, заключается в получении оптимальной величины пускового механического момента и минимального пускового тока двигателя.

На практике используются три способа пуска двигателей постоянного тока:

1) прямое включение двигателя в сеть;

2) пуск двигателя с помощью реостата, включенного после­довательно с обмоткой якоря и предназначенного для ограничения величины пускового тока двигателя. Такой способ пуска называют реостатным пуском;

3) пуск двигателя с помощью специальных установок.

Пуск двигателей прямым включением возможен в том случае, когда питающая сеть обеспечивает кратковременный пропуск токов, больших номинального тока в десятки раз. Как правило, с помощью прямого включения осуществляется пуск двигателей только малой мощности.

Реостатный пуск двигателей достаточно прост, но при запуске в пусковом реостате теряется большое количество энергии. При таком способе запуска двигателя возможно появление кругового огня на коллекторе из-за больших пусковых токов и система защиты двигателя должна быть более сложной. Сеть питания двигателя должна быть хорошо рассчитана.

На рис. 3.15 приведена схема включения двигателя параллельного возбуждения, используемая при реостатном пуске.

На схеме представлены: Rрв — реостат
в цепи возбуждения, Rп – пусковой реостат, ОВ – обмотка возбуждения двигателя и Д – якорь двигателя.

Рис. 3.16

При прямом пуске двигателя, т. е. при подключении двигателя к сети при Rп = 0, ток якоря и частота вращения якоря изменяются в функции времени по сложному закону. Графики этих зависимостей представлены на рис. 3.16.

Частота вращения изменяется в функции времени по закону, близкому к экспоненциальному закону. Ток якоря за очень короткий промежуток времени, измеряемый миллисекундами, достигает значения, близкого к величине , где . С возрас­танием частоты вращения и величины противоЭДС ток якоря уменьшается до установившегося значения, определяемого током холостого хода, если двигатель не нагружен, или до зна­чения, достаточного для обеспечения преодоления механического момента сопротивления нагрузки. Длительность переходного процесса
в этом случае определяется соотношением пускового момента
и момента сопротивления нагрузки.

Реостатный пуск необходим в тех случаях, когда сеть или источник питания двигателя не рассчитаны на прохождение пусковых токов, превышающих номинальный ток в 10–15 раз. Как правило, речь идет о двигателях средней и большой мощности. Для уменьшения пускового тока двигателя последовательно с якорем включается пусковой реостат, сопротивление которого рассчи­ты­вается для каждого двигателя.

При включенном пусковом реостате сопротивление цепи якоря равняется сумме сопротивления пускового реостата и сопротивления якоря . Пусковой ток двигателя без учета тока возбуждения можно вычислить по закону Ома:

где Iп — пусковой ток двигателя, Rп — сопротивление пускового реостата.

Сопротивление пускового реостата рассчитывается таким образом, чтобы величина пускового механического момента превышала номинальное значение в полтора-два раза. При увеличении частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата умень­шают плавно или дискретно, вручную или автоматически. Специальные пусковые реостаты предусматривают устройства подключения и контроля тока возбуждения, чтобы исключить питание якоря двигателя при обрыве цепи обмотки возбуждения.

Рассмотрим технологию запуска двигателя постоянного тока
с помощью пускового реостата. Схема подключения двигателя
с пусковым реостатом изображена на рис. 3.17.

Пусковой реостат в рассматриваемом случае секционирован. Сопротивление каждой секции реостата вычисляется и зависит от режима запуска. Полное его сопротивление равно сумме сопротивлений секций

Если подвижный контакт находится в положении «0», то цепь якоря и цепь обмотки возбуждения отключены от источника питания. При переводе подвижного контакта в положение «1» цепь обмотки возбуждения получает питание непосредственно от источника и с этого момента остается подключенной к сети при всех последующих положениях подвижного контакта. При таком положении подвижного контакта последовательно с якорем включено полное сопротивление реостата Rп. Пусковой ток будет равен

Механический момент, развиваемый двигателем, будет равен .

Рис. 3.18

Как уже указывалось выше, сопротивление пускового реостата выбирается такой величины, чтобы пусковой момент был бы в полтора – два раза больше номинального момента, т. е. . Пусть в нашем слу­чае . Тогда меха-ническая характеристика двигателя
с вклю­ченным пусковым реоста-
том пройдет через точку n = n и (рис. 3.18).

В соответствии с механической характеристикой, соответ­ству­ющей полному сопротивлению реостата (прямая 1), двигатель разовьет скорость n1 при номинальном моменте сопротивления Мн. На рисунке значению n1 соответствует максимальная частота вращения при полностью введенном пусковом реостате. ПротивоЭДС якоря достигнет значения

а ток якоря уменьшится до номинальной величины. При достижении частоты вращения n1 подвижной контакт пускового реостата переводится в положение «2» и его сопротивление уменьшается до значения

Каждый электрик должен знать:  Стеклокерамическая панель гудит в выключенном состоянии

При таком сопротивлении ток якоря увеличивается снова до значения 1,5Iн , режим работы двигателя определяется искусственной механической характеристикой 2. В соответствии с этой характеристикой двигатель разгоняется до частоты вращения n2. Подвижной контакт переводится в положение 3, после чего в двигателе происходят процессы, подобные процессам, описанным выше.

Далее контакт переводят в 4-е положение и, наконец, в 5-е. При таком положении подвижного контакта пусковой реостат полностью выведен из цепи якоря, и двигатель начинает работать в соответствии со своей естественной механической характеристикой, обеспечивая номинальную частоту вращения nн . Пуск двигателя закончен.

Рис. 3.19

Расчет пускового реостата, т. е. вычисление его полного
сопротивления и сопротивлений его секций (Rп, R1, R2, R3 и R4) (рис. 3.19), производится следующим образом. Полное сопротивление реостата вычисляется по формуле

В приведенной формуле U – напряжение питания; Iн – номинальный ток; Rя – сопротивление якоря; k – коэффициент перегрузки при пуске двигателя (k » 1, 2, …, 3).

Сопротивления секций R1, R2, R3 и R4 вычисляются исходя из следующих соображений.

При полностью введенном сопротивлении реостата установившийся режим будет иметь место тогда, когда момент двигателя будет равен номинальному Мн. Ток якоря в этом случае будет ранен номинальному Iн. Следовательно, .

При изменении положения подвижного контакта сопротивление реостата будет равно . Частота вращения останется неизменной. Прежней останется и ЭДС двигателя. Следовательно,

Коэффициент k в приведенной формуле равен отношению максимального тока якоря допустимого при запуске к номинальному току.

Из приведенной формулы получаем величину сопротивления реостата на втором этапе пуска двигателя

При измененном сопротивлении установившийся режим будет иметь место при . Проводя рассуждения аналогично предыдущим, получаем:

Рис. 3.20

Более детальное секционирова­ние пускового реостата нецелесо­образно. Обычно используют пу­ско­вые реостаты, состоящие из 4-7 секций. Сопротивления отдельных сек­ций, т. е. значения R1, R2, R3, R4 легко вычисляются из полученных значений в соответствии со схемой (рис. 3.20).

При использовании несекционированного пускового реостата сопротивление уменьшается с таким расчетом, чтобы ток якоря был максимально близким к значению , что обеспечивает минимальное время запуска двигателя.

Наилучший результат дают автоматические системы пуска двигателей постоянного тока, обеспечивающие плавный и быстрый пуск. Все автоматические системы создаются на основании получения определенного закона изменения тока якоря во времени
при запуске двигателя.

Графики изменения тока якоря и частоты вращения двигателя при пуске двигателя с помощью секционированного пускового рео­стата представлены на рис. 3.20.

Следует помнить о том, что пусковой реостат работает кратковременно, поэтому его номинальная мощность может быть меньшей, чем максимальная мощность, вычисленная из соотношения для рассматриваемого случая

Пуск двигателей с последовательным и смешанным возбуждением осуществляется аналогично пуску двигателей с независимым возбуждением.

3.6. Регулирование частоты вращения двигателей
постоянного тока

3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей
с параллельным, независимым
и смешанным возбуждением

Основным преимуществом двигателей постоянного тока является сравнительная простота регулирования частоты вращения якоря в больших пределах. Основными способами регулирования частоты вращения якоря двигателей являются:

Сущность каждого способа регулирования частоты вращения можно понять, анализируя уравнение, определяющее связь между частотой вращения, напряжением питания, сопротивлением регулировочного реостата и током возбуждения. Ток возбуждения определяет магнитный поток машины.

Уравнение электрического равновесия двигателя, последовательно с якорем которого включен регулировочный реостат сопротивлением Rр:

Регулировочное сопротивление включается последовательно с якорем, подобно пусковому реостату. Оно работает в длительном режиме, поэтому его номинальная мощность определяется максимальной рассеиваемой мощностью при самых неблагоприятных условиях.

Из формулы следует, что частота вращения пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку .

Рассмотрим каждый способ управления двигателем.

Под якорным управлением понимают регулирование скорости вращения якоря двигателей постоянного тока путем изменения напряжения на зажимах якоря двигателя. Напряжение на зажимах обмотки возбуждения должно оставаться неизменным. При таком способе управления двигателем регулировочное сопротивление не используют, и сопротивление цепи якоря определяется только сопротивлением обмотки якоря Rя . Тогда

При неизменной величине магнитного потока и сопротивления цепи якоря , но при различных значениях напряжения питания двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики, проходящие через точку частоты вращения идеального холостого хода, величина которой определяется из уравнения и находится на оси частот вращения n. Другая точка механической характеристики определяется величиной пускового момента

Рис. 3.21

Очевидно то, что и и пропорциональны напряжению питания якоря U
и механические характеристики при различных напряжениях сети U параллельны друг другу. Семейство таких характеристик представлено на рис. 3.21.

Если двигатель нагружен номинальным моментом Мн, то каждому напряжению соответствует своя частота вращения, пропорциональная приложенному напряжению U. Номинальному напряжению Uн соответствует номинальная частота вращения nн. Напряжение меньше номинального обеспечивает меньшую частоту вращения . Аналогично изменяется частота вращения при увеличении напряжения и . Падение напряжения на сопротивлении якоря при неизменном моменте остается постоянным. Увеличение напряжений до значений, больших номинального, нежелательно, так как частота вращения при этом становится больше номинальной величины, а это может привести к преждевременному износу машины. На практике иногда допускается увеличение напряжения на якоре на 15–20 % выше номинального напряжения.

Под полюсным управлением двигателя постоянного тока понимают регулирование частоты вращения якоря путем изменения напряжения на зажимах обмотки возбуждения. При полюсном управлении двигателем при постоянном моменте на валу ток якоря и напряжение на якоре остаются неизменными. Регулируют лишь ток возбуждения, изменение которого приводит к изменению магнитного потока. Из уравнения скорости

очевидно то, что числитель дроби остается величиной постоянной и частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку.

Рис. 3.22

Рассмотрим семейство механических характеристик двигателя, соответствующих различным значениям тока возбуждения, предполагая, что магнитная цепь машины не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току возбуждения. Как и прежде, построение механических характеристик будем вести, определяя частоту вращения идеального холостого хода n и величину пускового момента Mп. На рис. 3.22 изображено семейство полных механических характеристик, соответствующих различным значениям тока возбуждения.

Естественная механическая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через точки

При уменьшении тока возбуждения на 20 % частота вращения идеального холостого хода увеличивается. Пусковой момент при этом уменьшается на 20 % (см. рис. 3.22). При увеличении тока возбуждения на 20 % происходит уменьшение частоты вращения идеального холостого хода . Пусковой момент при этом увеличится в такое же число раз.

Механические характеристики двигателя постоянного тока
с изменением механических моментов нагрузки в пределах от до представлены на рис. 3.23.

При изменении тока возбуждения угол наклона механических характеристик изменяется. При этом уменьшение тока возбуждения приводит к увеличению частоты вращения, а увеличение тока возбуждения дает уменьшение частоты вращения двигателя. Диаметр провода обмотки возбуждения выбирается из условия прохождения номинального тока, поэтому значительное увеличение тока воз­буждения до значений выше номинального приводит к перегреву обмотки возбуждения. Иногда допускают превышение тока возбуждения на 15-20 %.

Из уравнения механической характеристики следует то, что частота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна магнитному потоку . Если предположить, что магнитный поток машины пропорционален току возбуждения, то ,
где k – коэффициент пропорциональности, тогда .

Теоретически уменьшение тока возбуждения в два раза дает двукратное увеличение частоты вращения, что уже недопустимо.

Дальнейшее уменьшение тока возбуждения приводит к аварийной ситуации и к выходу двигателя из строя. Поэтому системы защиты двигателя контролируют величину тока возбуждения и отключают напряжение питания якоря при опасно малых токах возбуждения. Таким образом, возможности полюсного управления двигателей постоянного тока весьма ограничены.

Рис. 3.24

Под реостатным управлением двигателя постоянного тока понимают изменение скорости вращения двигателя путем изменения сопротивления цепи якоря. Для такого регулирования последовательно с якорем включают реостат (рис. 3. 2 4). Изменение час­тоты вращения двигателя постоянного тока с помощью регулировочного реостата возможно в том случае, когда двигатель нагружен механическим моментом, близким к номинальной величине. Принцип регулирования основан на том, что при изменении сопротивления цепи якоря изменяется угол наклона механической характеристики двигателя к оси моментов и при постоянном механическом моменте сопротивления на валу частота вращения изменяется. Схема включения двигателя изображена на рис. 3.24.

Рис. 3.25

Рассмотрим полные механические характеристики при различных со­противлениях регулировочно­го ре­о­­­стата. Семейство полных ме­­ха­ни­че­ских характеристик двига­теля при различных величинах сопротивлений регулировочного рео­стата Rрег показано на рис. 3.25. Ранее получена формула, описывающая механическую характеристику дви­гателя при включенном последовательно с якорем регулировочном реостате

Положение механической характеристики определяется двумя точками: скоростью идеального холостого хода и пусковым моментом .

Рис. 3.26

Из приведенных формул следует, что скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления регулировочного реостата. Величина же пускового момента обратно пропорциональна этому сопротивлению. Поэтому угол наклона характеристик при увеличении сопротивления регулировочного реостата увеличивается . Механические характеристики двигателя для значений моментов от 0 до 1,5Мн и при различных величинах сопротивлений регулировочного реостата Rрег показаны на рис. 3.26.

При неизменном механическом моменте ток якоря является величиной постоянной, и вторая слагаемая уравнения скорости , имея отрицательный знак, увеличивается
при увеличении Rрег . Таким образом, увеличение Rрег приводит к умень­шению частоты вращения двигателя. На рис. 3.26 .

При таком способе регулирования частоты вращения при постоянном моменте на валу мощность, потребляемая из сети, остается неизменной . Выходная же мощность двигателя при уменьшении частоты вращения уменьшается, так как . Мощность потерь , равная разности мощности, потребляемой из сети, и выходной мощности, с уменьшением частоты вращения увеличивается за счет увеличения мощности нагревания регулировочного реостата, так как потери в самом двигателе изменяются незначительно. КПД всей установки при таком способе регулирования частоты вращения гораздо меньше номинального значения. С точки зрения энергетических затрат такой способ регулирования частоты вращения неэффективен.

3.6.2. Регулирование частоты вращения двигателя
с последовательным возбуждением

Якорное, полюсное и реостатное регулирование частоты вращения в большей степени применимы для двигателей с независимым, параллельным и смешанным возбуждением, так как они имеют обмотку возбуждения, ток которой не зависит от тока якоря. Речь идет о параллельной обмотке возбуждения. Двигатели с последовательным возбуждением имеют свои конструктивные особенности. Двигатели с последовательным возбуждением классической конструкции имеют одну обмотку, предназначенную для последовательного соединения с якорем. Поэтому при отсутствии дополнительных устройств ток обмотки возбуждения всегда равен току якоря. Перераспределение токов при необходимости можно реализовать с помощью дополнительных реостатов, включаемых, как правило, параллельно с обмоткой якоря или параллельно с обмоткой возбуждения.

Рис. 3.27

Ранее было получено уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного воз-буждения, схема которого изображена
на рис. 3.27

В этом уравнении при постоянстве механического момента
на валу М возможно изменение двух величин:

а) напряжения питания U;

б) сопротивления R, равного сумме сопротивлений регу-лировочного реостата, обмотки возбуждения и якоря, т. е. .

Рис. 3.28

Поэтому на практике основными способами изменения частоты враще-ния якоря двигателя последователь-
ного возбуждения являются изменение частоты вращения с помощью изменения пита­ющего напряжения и способ изменения сопротивления регулировочного реостата Rрег. Семейство механических характеристик при различных напряжениях питания двигателя показано на рис. 3.28.

Рис. 3.29


Механические характеристики показывают, что изменение питающего напряжения приводит почти к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя. При таком способе регулирования регулировочный реостат исключают из цепи якоря, поэтому .

При постоянном напряжении
питания U изменение частоты вращения возможно изменением сопротивления регулировочного реостата Rрег . Механические характеристики двигателя при таком способе регулирова-ния частоты вращения показаны
на рис. 3.29.

Увеличение сопротивления регулировочного реостата приводит к уменьшению частоты вращения. При таком способе управления двигателем не следует забывать о значительных потерях электрической энергии в регулировочном реостате и об уменьшении пускового момента при увеличении сопротивления регулировочного реостата Rрег .

Возможны и два других способа изменения частоты вращения двигателя последовательного возбуждения:

а) изменением тока возбуждения с помощью реостата, шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 3.30);

б) изменением тока якоря путем подключения реостата параллельно якорю (рис. 3.31).

Рис. 3.30 Рис. 3.31

Наилучшим из всех рассмотренных способов является регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения. Однако для этого необходим источник постоянного регулируемого напряжения достаточной мощности, способный допускать перегрузку пусковым током, который всегда больше номинального тока двигателя.

В настоящее время существуют источники питания, в которых используются управляемые выпрямители, допускающие кратковременные перегрузки.

Дата добавления: 2014-11-12 ; просмотров: 11640 . Нарушение авторских прав

Пуск двигателя постоянного тока в функции времени

Электрические машины постоянного тока используются в промышленности в основном в качестве электродвигателя или генератора малой и средней мощности.

Основными частями электродвигателя постоянного тока являются: ярмо (индуктор), главные и дополнительные полюса с обмотками; сердечник якоря с обмоткой; щеточно-коллекторное устройство, подшипниковые щиты.

Электрический двигатель постоянного тока преобразует подводимую к нему электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения.

В зависимости от схемы электрического соединения его обмотки возбуждения относительно обмотки якоря различают следующие способы возбуждения магнитного потока: независимое, последовательное, параллельное и смешанное.

При работе электрической машины постоянного тока в режиме электродвигателя под действием напряжения, подводимого к якорю, в его обмотке появляется ток Ia . В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком, созданным обмоткой возбуждения электродвигателя, возникает электромагнитный вращающий момент

где pN C0 2pa — постоянный коэффициент.

Здесь p — число пар полюсов электрической машины;

N — число эффективных проводников обмотки якоря; a — число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

При вращении якоря в проводниках его обмотки под действием магнитного потока возбуждения будет индуктироваться электродвижущая сила Ea, направление которой противоположно направлению тока Ia , поэтому ее называют противо-ЭДС. Величина электродвижущей силы зависит от частоты вращения якоря и магнитного потока возбуждения Ф

Приложенное к зажимам обмотки якоря электродвигателя напряжение Ua уравновешивается противо-ЭДС Ea и падением напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря

Тогда ток обмотки якоря электродвигателя определяется следующим выражением

При пуске электродвигателя в ход в первый момент времени после подключения его к сети постоянного тока якорь остается неподвижным и противо-ЭДС равна нулю. Поэтому при прямом пуске электродвигателя пусковой ток его обмотки якоря будет зависеть только от напряжения сети и сопротивления обмотки якоря

Он может превышать номинальное значение тока якоря в 10?30 раз. Для уменьшения пускового тока в цепь обмотки якоря вводят добавочное пусковое сопротивление Rп и тогда

По мере разгона противо-ЭДС нарастает, и пусковое сопротивление выводится из цепи якоря. В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент, развиваемый электродвигателем, уравновешивается моментом сопротивления на валу

Под механической характеристикой электродвигателя постоянного тока понимают зависимость установившейся частоты вращения от электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем f (M). Механическая характеристика электродвигателя постоянного тока называется естественной, если она снята при номинальном напряжении сети Ua , номинальном потоке возбуждения Ф и при отсут-ствии добавочных сопротивлений в цепи якоря Rд . Все остальные механические характеристики электродвигателя — искусственные.

В общем случае механическая характеристика электродвигателя постоянного тока имеет вид

В электродвигателях постоянного тока независимого и параллельного возбуждения различают следующие способы регулирования частоты вращения якоря:

  • — якорное регулирование частоты вращения изменением напряжения питающей сети (Ua var.);
  • — полюсное регулирование частоты вращения изменением магнитного потока полюсов путем введения добавочного сопротивления в обмотку возбуждения (Ф = var.);
  • — реостатное регулирование частоты вращения введением добавочного сопротивления в цепь якоря (Rд var.).
Каждый электрик должен знать:  Системы уравнивания потенциалов

К номинальным данным электрической машины постоянного тока относятся следующие параметры:

  • — номинальная мощность P ом (для электродвигателя — полезная механическая мощность на валу);
  • — номинальный ток цепи обмотки якоря Iaном ;
  • — номинальное напряжение на главных зажимах электрической машины Uaном ;
  • — номинальная частота вращения якоря nном (об./мин.);
  • — номинальный коэффициент полезного действия машины hном.

Задания по работе:

  • 1. В соответствии с предложенным вариантом задания из таблицы 1 выбрать электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения серии 2П.
  • 2. Определить ток обмотки якоря Iaном , потребляемый электродвигателем из сети при номинальной нагрузке.
  • 3. Определить номинальный электромагнитный момент, развиваемый на валу электродвигателя.
  • 4. Рассчитать пусковой электромагнитный момент электродвигателя при пусковом токе Iaп 2Iaном (без учета реакции якоря) и соответствующее сопротивление пускового реостата.
  • 5. Рассчитать и построить естественную механическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения
  • 6. Рассчитать и построить семейство искусственных механических характеристик электродвигателя при якорном регулировании частоты вращения при равном 0,33; 0,67; 1,00 от номинального.
  • 7. Рассчитать и построить искусственную механическую характеристику электродвигателя f (M)при введении в цепь якоря добавочного сопротивления равного Rд 9(RaRдп). При этом считать, что электромагнитный момент на валу электродвигателя остался неизменным и равным номинальному.
  • 8. Считая характеристику холостого хода электродвигателя линейной, рассчитать и построить искусственную механическую характеристику f (M)при введении в цепь обмотки возбуждения добавочного сопротивления Rвд 0,3Rв.
  • 9. Рассчитать и построить семейство механических характеристик при реостатном пуске электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения в диапазоне изменения момента M (1,22,0)Mном. Определить скорости переключения, число ступеней пускового реостата и сопротивления его секций.
  • 10. Подобрать по каталогу (смотрите приложение 2) соответствующее электродвигателю пусковое сопротивление.
  • 11. Нарисовать схему включения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Объяснить назначение добавочных сопротивлений в контурах машины.
  • 12. Заключение сформулировать в виде пояснений по следующим вопросам:
    • — назвать основные элементы конструкции электрической машины постоянного тока;
    • — объяснить устройство щеточно-коллекторного узла, назначение коллектора и щеток в электродвигателе постоянного тока;
    • — охарактеризовать естественную механическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, указать причины уменьшения частоты вращения с ростом нагрузки;
    • — пояснить, каким образом осуществляется якорное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Обосновать достоинства и недостатки данного способа регулирования;
    • — как реализуется реостатное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Дать характеристику реостатному регулированию частоты вращения, указав на его достоинства и недостатки;
    • — как реализуется полюсное регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения; его достоинства и недостатки;
    • — назвать способы пуска электродвигателя постоянного тока;
    • — описать процесс реостатного пуска электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения;
    • — пояснить по каким параметрам выбирается пусковой реостат;
    • — объяснить назначение добавочных сопротивлений в контурах электродвигателя постоянного тока.

В таблице 2 приведены основные технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения средней мощности с высотами оси вращения 112 315 мм.

постоянный ток электродвигатель реостат

Таблица 1. Технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения

Пуск двигателей постоянного тока

Kак осуществляется пуск двигателя постоянного тока?

При включении двигателя возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный в 10 — 20 раз. Для ограничения пускового тока двигателей мощностью более 0,5 кВт последовательно с цепью якоря включают пусковой реостат (рис. 7).

Рис. 7. Схема включения электрических двигателей постоянного тока: а — с помощью пускового реостата; б — схема электродвигателя со смешанным возбуждением; в — схема универсального коллекторного электродвигателя. Л — зажим, соединенный с сетью; Я — зажим, соединенный с якорем; М -зажим, соединенный с цепью возбуждения; 0 — холостой контакт; 1 — дуга; 2 — рычаг; 3 — рабочий контакт.

Величину сопротивления пускового реостата можно определить по выражению

Rn =U/(1,8 — 2,5)Iном-Rя

где U — напряжение сети, В;

Iном — номинальный ток двигателя. А;

Rя — сопротивление обмотки якоря, Ом.

Перед включением двигателя необходимо убедиться в том, что рычаг 2 пускового реостата (рис.7) находится на холостом контакте 0. Затем включают рубильник и рычаг реостата переводят на первый промежуточный контакт. При этом двигатель возбуждается, а в цепи якоря появляется пусковой ток, величина которого ограничена всеми четырьмя секциями сопротивления Rn. По мере увеличения частоты вращения якоря пусковой ток уменьшается и рычаг реостата переводят на второй, третий контакт и т.д., пока он не окажется на рабочем контакте.

Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременный режим работы, а поэтому рычаг реостата нельзя длительно задерживать на промежуточных контактах: в этом случае сопротивления реостата перегреваются и могут перегореть.

. Прежде чем отключить двигатель от сети, необходимо рукоятку реостата перевести в крайнее левое положение. При этом двигатель отключается от сети, но цепь обмотки возбуждения остается замкнутой на сопротивление реостата. В противном случае могут появиться большие перенапряжения в обмотке возбуждения в момент размыкания цепи.

При пуске в ход двигателей постоянного тока регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения следует полностью вывести для увеличения потока возбуждения.

Для пуска двигателей с последовательным возбуждением применяют двухзажимные пусковые реостаты, отличающиеся от трехзажимных отсутствием медной дуги и наличием только двух зажимов — Л и Я.

Kак производится маркировка выводных концов машин постоянного тока?

В качестве примера рассмотрим маркировку выводных концов машины постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 7).

Для определения выводных концов отдельных обмоток (последовательной C1, C2; параллельной ЦП, Ш2 и якорной Я1, Я2 с дополнительными полюсами Д1, Д2) необходимо иметь контрольную лампу или вольтметр и источник переменного тока. Та из трех обмоток, при касании которой лампа горит тускло, будет параллельной (шунтовой) обмоткой. Лампа не будет гореть при касании ее одним концом к коллектору машины, а другим — к выводам последовательной обмотки и будет гореть при касании к выводам обмотки дополнительных полюсов, соединенной с якорем.

Пуск в ход двигателей постоянного тока

Пуск в ход двигателей постоянного тока имеет ряд особенностей. В первый момент после включения двигателя в сеть якорь неподвижен (я = 0), и его ток определяется из выражения

Если учесть, что для двигателей мощностью до Рном = 10 кВт сопротивление цепи якоря Яа = 0,05—1,0 Ом, то пусковой ток может превышать номинальный в 10—20 раз. Этот ток весьма опасен и для двигателя, и для сети.

Чтобы уменьшить величину пускового тока, пуск производят либо с помощью реостата, либо при пониженном напряжении. Сопротивление такого реостата определяется исходя из допустимой кратности тока, которая обычно берется в 2—3 раза большей номинального.

В системах радиоавтоматики и автоматического управления применяется якорное управление двигателями постоянного тока с независимым возбуждением. Магнитный поток возбуждения создается независимым источником питания, а на обмотку якоря напряжение подается либо с тиристорного преобразователя, либо с магнитного усилителя, либо с ЭМУ, которое может плавно изменяться от нуля до номинального.

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока

Пуск двигателей постоянного тока

§ 114. ПУСК ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподви­жен и противо-э. д. с. равна нулю (E = 0). При непосредственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрез­мерно большой ток.

Поэтому непосредственное включение в сеть допускается толь­ко для двигателей очень малой мощности, у которых падение на­пряжения в якоре представляет относительно большую величину и броски тока не столь велики.

В машинах постоянного тока большой мощности падение на­пряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет не­сколько процентов от номинального напряжения, т. е.

Следовательно, пусковой ток в случае вклю­чения двигателя в сеть с номинальным напря­жением во много раз превышает номинальный (Iпуск)

Большой пусковой ток является опасным как для машины, так и для приемника механи­ческой энергии, находящегося на валу двига­теля. При большом токе нагревается обмотка якоря машины и образуется интенсивное искре­ние под щетками, вследствие которого коллек­тор может выйти из строя. На валу двигателя создаются механические удары, так как при большом токе вращающий момент будет также большим.

Для ограничения пускового тока исполь­зуют пусковые реостаты, включаемые последо­вательно с якорем двигателя при пуске в ход. Пусковые реостаты представляют собой про­улочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы, и выполняют­ся ступенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессе пуска его в ход.

Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым рео­статом показана на рис. 151. Пусковой реостат этого двигателя

имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш. Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря Я. Зажим Ш соединен с металлической шиной, помещенной на реостате (шунт). Движок реостата скользит по этой шине так, что между ними имеется не­прерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочное сопротивление rр присоединяется обмотка возбуждения Ш1. Зажим якоря Я2 и обмотки возбуждения Ш2 соединены между собой перемычкой и подключены ко второму полюсу рубильника, включающее двигатель в сеть.

При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так что последовательно с якорем соединино полное сопротивление пускового реостата ПР, которое выбирается таким, чтобы наибольший ток при пуске в ход Iмакс не превышал номинальный ток более чем в 1,7—2,5 раза, т. е.

При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения так­же протекает ток, образующий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создает­ся пусковой момент.

Если пусковой момент окажется больше тормозного момента а валу двигателя (Мпуск>Мт), то якорь машины придет во вра­щение. Под действием инерции скорость вращения не может пре­терпевать мгновенных изменений и число оборотов якоря будет по­степенно увеличиваться.

При увеличении скорости вращения якоря увеличивается противо-э. д. с. и ток в якоре начнет уменьшаться, что вызывает умень­шение вращающего момента двигателя.

В рабочем режиме сопротивление пускового реостата должно быть полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковре­менный режим работы и при длительном прохождении тока выйдет из строя.

Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения Iмин движок пускового реостата переводится на контакт 2. При этом сопротивление пускового реостата уменьшится на одну ступень, что вызовет увеличение тока. Сопротивления всех ступеней пускового реостата выбирают так, чтобы при переводе движка реостата с од­ного контакта на другой ток в якоре изменялся от Iмин до Iмакс.

Увеличение тока в якоре вызывает увеличение вращающего мо­мента, вследствие чего скорость вращения вновь увеличивается. С увеличением скорости вращения якоря возрастает противо-э.д.с. что вызывает уменьшение тока в якоре. Когда ток в якоре дости­гает вновь небольшого значения, движок реостата переводится на контакт 3.

Таким образом, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено (движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и ско­рость якоря принимают установившиеся значения, соответствую­щие тормозному моменту на валу двигателя.

Наименьший ток при пуске в ход зависит от режима работы двигателя. Если двигатель пускается при полной нагрузке, то Iмин=1,1 Iн. При пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках этот ток может быть меньше номинального тока двигателя.

Число ступеней пускового реостата зависит от разности Iмакс — Iмин, причем чем меньше разность этих токов, тем больше число ступеней. Обычно пусковые реостаты имеют от 2 до 7 ступе­ней. При пуске двигателя в ход регулировочное сопротивление rр в цепи возбуждения должно быть полностью выведено, т. е. ток возбуждения должен быть наибольшим, что дает возможность уменьшить пусковой ток. Для пуска двигателя необходимо создать пусковой момент, больший тормозного момента на валу (Мпуск> Мт). Так как Мпуск=КФIп, то для уменьшения пускового тока надо увеличить магнитный поток, т. е. увеличить ток в обмотке возбуждения.

Металлическая шина пускового реостата имеет соединение с за­жимом 1. Это необходимо для того, чтобы при отключении двигателя от сети не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющей значительную индуктивность.

При отключении двигателя движок пускового реостата пере­водится на холостой контакт 0 и рубильник отключается. При этом обмотка возбуждения будет замкнута на сопротивление пускового реостата и якоря, что дает возможность избежать перенапряже­ний и дугообразования.

Пуск двигателей постоянного тока. Пусковые характеристики.

Ток в цепи якоря двигателя определяется выраже­нием Ia=(U-Ea)/суммаr. При включении двигателя в сеть в начальный момент времени частота вращения n=0, поэтому противо-ЭДС Еа=0. Начальный пусковой ток в цепи якоря Iп=U/суммаr. Так как сопротивление обмоток в цепи якоря обычно невелико, то начальный пусковой ток Iп достигает боль­ших значений по сравнению с номинальным током двига­теля (Iп/Iном=3—15). Меньшая кратность пускового тока относится к двигателям малой мощности (до 600— 1000 Вт), большая—к двигателям средней и большой мощности. Бросок начального пускового тока в двигателях малой мощности не вызывает опасных последствий, так как кратность тока сравнительно невелика, продолжитель­ность процесса пуска небольшая. Последнее объясняется малыми значениями моментов инерции вращающихся масс якоря и связанного с ним рабочего механизма. Поэтому двигатели малой мощности пускают в ход непо­средственным включением в сеть. У двигателей большей мощности кратность пускового тока гораздо больше, время разгона якоря продолжительнее (из-за повышен­ного значения момента инерции вращающихся масс якоря и рабочего механизма). Большая кратность пус­кового тока вызывает интенсивное искрение на коллек­торе. Значительный пусковой ток может привести к рез­кому падению напряжения в питающей сети (если мощ­ность сети недостаточна), что неблагоприятно отразится на работе других потребителей, включенных в эту сеть. Поэтому при пуске двигателей мощностью более 1 кВт принимают меры для ограничения пускового тока: обыч­но это пусковые реостаты ПР, включенные последова­тельно в цепь якоря двигателя. Реостат ПР представляет собой добавочный резистор. Наибольшее применение получили трехзажимные пусковые реостаты рис. 6.19,

которые имеют шесть контактов. Медная шина Ш соединена с зажимом М, к которому подключают обмотку возбуждения. Благодаря шине Ш нап­ряжение на обмотке воз­буждения не зависит от положения рычага Р. Ры­чаг связан с плюсовым выводом источника пита­ния, имеет скользящий контакт с шиной Ш, так что положение рычага на любом из контактов от 1 до 5 не влияет на ток возбуждения. Перед пуском двигателя рычаг Р устанавливают на контакте 0, включают рубильники и переводят рычаг на контакт 1. Цепь якоря через наибольшее сопротивление пускового реостата rпр=r1+r2+r3+r4 подключается к источнику. Одновременно в обмотке возбуждения появ­ляется ток, и двигатель под действием пускового момента приводится во вращение. Начальный пусковой ток, А, Iп=U/(суммаr+rпр). Сопротивление гпр подбирают таким, чтобы кратность начального пускового тока не превышала 2—4. По мере разгона якоря увеличивается противо-ЭДС Еа и умень­шается ток в цепи якоря. Для обеспечения эффективно­сти пуска рычаг Р постепенно переводят на контакты 2, 3, 4 и, наконец, 5, т. е. уменьшают сопротивление ПР до rпр=0. Рычаг Р следует перемещать медленно, чтобы не вызвать чрезмерного увеличения пускового тока. Од­нако и длительная задержка рычага на промежуточных контактах может вызвать перегорание какого-либо из сопротивлений r1-r4, рассчитанных на кратковременное протекание тока. В двигателях независимого и последо­вательного возбуждения при включении ПР используют только две клеммы: Л и Я. Так как вращающий момент двигателя М прямо про­порционален магнитному потоку Ф, то для облегчения пуска в цепи возбуждения двигателей незави­симого и параллельного возбуждения следует полностью вывести реостат (rрег=0). Поток возбуждения в этом случае приобретает наибольшее значение, и двигатель развивает необходимый пусковой момент. Пусковые характеристики определяют работу Д от включения до перехода к установившемуся режиму работы. Они оценивают кратность пускового тока Iп/Iн, кратность пускового момента Мп/Мн, времени пуска и экономичностью пусковой операции. Рабочие и механические характеристики определяют зависимость скорости вращения n, полезного момента М, тока I и КПД от полезной мощности Д Р при U=Uн=const, Rp=const и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря. Механические характеристики представляют собой зависимость n=f(M) при U=const, Rp=const, Rдоб=const. Регулировочные характеристики определяются характером (плавный или ступенчатый), пределами и экономичностью регулирования. РХ называют зависимость скорости вращения Д от напряжения, подведенного к якорю при неизменном вращающем моменте. Они изображаются в координатах n=f(U) или w=f(U).

Каждый электрик должен знать:  Решение примера на срок службы изоляции

2. Изменение вторичного напряжения трансформатора. Внешняя характеристика трансформатора.Из уравнения напряжений для вторичной обмотки трансформатора следует, что с изменением тока нагрузкиI2 напряжение на выходе трансформатора U2 также изменяется, что обусловлено главным образом изменениями падений напряжения jI2x2 и I2r2. Изменение вторичного напряжения U2 при переходе трансформатора от режима холостого хода к режиму нагрузки выражают в процентах от номинального напряжения, за которое в трансформаторе принимают напряжение холостого хода U20. dU%=(U20-U2)*100/U20. С точностью, достаточной для практических расчетов, dU% представим в виде dU% = b(uкa*cosj2+uкр*sinj2), где uка=uk*cosjк — активная составляющая напряже­ния короткого замыкания; ukр=uк*sinjк — реактивная составляющая напряжения короткого замыкания; j2 — угол сдвига фаз между током нагрузки I2 и напряже­нием U2. Изменение вторичного напряжения зави­сит не только от величины нагрузки b, но и от ее харак­тера т. е. коэффициента мощности cosj2. Зависимость напряжения на вы­ходе трансформатора от тока на­грузки U2=f(I2), представленная графически, называется внешней ха­рактеристикой трансформатора (рис. 1.6).

Для построения этой ха­рактеристики воспользуемся фор­мулой U2*=1-10^-2*dU% или U2=1— b10^-2(uкa*cosj2+uкр*sinj2), где U2*=U2/U20 — напряжение на выходе трансформа тора в относительных единицах. При изменениях нагрузки в

пределах номинальной (b 13 14151617Следующая ⇒

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Особенности и способы пуска двигателя постоянного тока

Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непо­средственно к сети; Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения IHOMΣRa во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5..10% от UΗΟΜ, поэтому при прямом пуске ток якоря Iп= Uном/ΣRа= (10. 20)Iном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. Поэтому прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ΣRa относительно велико, и лишь в отдельных случаях для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт.

2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пуско­вой реостат для ограничения тока; Этот способ получил наибольшее применение. Для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат Rn. Он обычно имеет несколько ступеней R1, R2, R3, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями 1,2,3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течении всего времени разгона двигатля.

3) путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществить при пониженном напряжении с последующим плавным повышением напряже­ния, подаваемого на его обмотку. Однако для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регули­рования частоты вращения двигателя

25.Какими способами можно регулировать частоту вращения ротора двигателя постоянного тока?

Регулирование частоты вращения ротора электродвигателя постоянного тока осуществляется изменением: тока возбуждения двигателя, напряжения, подводимого к двигателю, и сопротивления в цепи якоря. Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования; третий способ применяют редко, так как частота вращения ротора двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки. Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью преобразования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор — двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов. Регулирование частоты вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока. Включение добавочного резистора в цепь якоря (добавочного сопротивления (Rя = Rя + Rдоб)) дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.

26.Как осуществить реверсирование двигателя постоянного тока?

Под реверсированием двигателя понимают изменение направления вращения его якоря. В основном, управление двигателями постоянного тока происходит по 2-х проводной линии. В случае необходимости смены направления вращения требуется поменять местами провода либо на якоре, либо на обмотке возбуждения. Для этого можно использовать различные коммутационные приборы.

27.Что такое механическая и регулировочная характеристики двигателя постоянного тока?

Важнейшей из характеристик является механическая n (Мс) – зависимость частоты вращения n от момента на валу. Горизонтальная ось (абсцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном. Она показывает влияние механической нагрузки (момента) на валу двигателя на частоту вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей. Другие характеристики двигателей: регулировочная скоростная n (Iя), рабочие М, Р1, n , I, h(Р2). Механические характеристики могут быть естественными и искусственными. Под естественными характеристиками понимаются характеристики, снятые при отсутствии в схеме каких-либо дополнительных сопротивлений, например, реостатов в цепях якоря или возбуждения, искусственными – при наличии таких сопротивлений.

Регулировочная характеристика n (Iв), Зависимость частоты вращения ротора от напряжения питания обмоток ротора ДПТ если ток Iа якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const. отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абсцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.

Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом моменте, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений момента на валу ротора, говорят о семействе регулировочных характеристик ДПТ.

Способы пуска электродвигателя постоянного тока

Кратковременный скачок напряжения, возникающий при запуске двигателя, называется пусковым током. Его значение обычно в 5-10 раз больше номинального тока. Увеличение токовой нагрузки в статоре происходит с одновременным увеличением крутящего момента механизма, который передается на вал ротора. Следствием резкого увеличения крутящего момента являются:

  • повышение температуры обмотки статора;
  • разрушение изоляции;
  • вибрации;
  • механические деформации;
  • поломка двигателя.

Во избежание этих проблем пусковой ток необходимо понизить до номинальных частот вращения немедленно после начала работы агрегата. Пуск электродвигателя постоянного тока может осуществляться несколькими способами. Все они призваны снижать пусковой ток и стабилизировать напряжение питания. Ниже мы рассмотрим каждый из них.

Прямой пуск

В этом случае обмотка якоря подключается непосредственно к электросети при номинальном напряжении двигателя. Данный метод можно применять, если выполняются следующие условия:

  • наличие стабильного питания механизма;
  • жесткая связь с приводом.

Основное преимущество прямого пуска – незначительное повышение температуры, чего не наблюдается при использовании других методов. К нему предпочтительнее прибегать при отсутствии специальных ограничений на ток, поступающий из сети. На движки, предназначенные для частых пусков и отключений, устанавливается специальная система управления с термореле и контактом для защиты агрегата от поломки.

Маломощные двигатели, работающие в режиме, не предусматривающем частые запуски и остановки, не требуют оснащения сложным оборудованием. Обычно они запускаются при помощи расцепителя, управляемого вручную, и напряжение подается непосредственно на клеммы движка.

Прямой пуск не подходит для приборов большой мощности, так как пик их нагрузки может превышать номинальное значение в 50 раз.

Реостатный пуск

Этот метод не имеет ограничений по мощности движка и применяется на крупногабаритных агрегатах. Пусковой реостат представляет собой провод с высоким удельным сопротивлением, разделенный на секции. Возникающий при включении движка ток возбуждения должен быть установлен в соответствии с номинальными значениями. Во избежание скачков тока и для обеспечения безопасности при пуске необходимо последовательное уменьшение сопротивления реостата.

Недостатком этого метода является возможность большой потери энергии в самом реостате.

Изменение питающего напряжения

Этот способ требует наличия отдельного источника постоянного тока, с помощью которого также регулируется напряжение. Таким источником чаще всего служит генератор и управляемый выпрямитель. Напряжение, подающееся на обмотку якоря, повышается очень плавно и постепенно, что позволяет избежать потери энергии и повысить энергоэффективность и экономичность электродвигателя. Пуск электродвигателя постоянного тока с помощью изменения питающего напряжения часто применяется на тепловозах.

Двигатели постоянного тока. пуск

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПУСК

Общие сведения о двигателях постоянного тока. Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т.д.)

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащую величину пускового момента и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непосредственно к сети;

2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока;

3) путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения IHOM?Ra во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5..10% от U. поэтому при прямом пуске ток якоря Iп= Uном/?Rа = (10…20)Iном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. Поэтому прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ?Ra относительно велико, и лишь в отдельных случаях для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей IП = (4…6)IНОМ.

Переходный процесс изменения частоты вращения ? и тока якоря ia в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Тм.

Время переходного процесса при пуске принимается равным (3…4)ТМ. За это время частота вращения ? достигает (0,95…0,98) от установившегося значения пн, а ток якоря 1а также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее применение. В начальный момент пуска при п = 0 ток Iп= U/(?Ra+Rn). Максимальное сопротивление пускового реостата R? подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пуске IП = (1,4…1,8)IНОМ, а для машин малой мощности Iп = (2…2,5)Iном ..

Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 7-1,а), соответствующей максимальному значению сопротивления Rn пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мпmах. Регулировочный реостат Rp.B в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения Iв и поток ? были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения возрастает ЭДС ? и уменьшается ток якоря 1а = (U-Е)/(?Rа + RП). При достижении некоторого значения Mnmin часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Mпmах. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до значения Mnmin.

Рис. 7-1. Графики изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя с параллельным и последовательным возбуждением

Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6, 5, 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис.7-1,а) до выхода на естественную характеристику 1. Средний вращающий момент при пуске Мп.ср = 0,5(Mnmax + Mnmin) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же способом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис.7-1,б). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности Mnmax — Mnmin). Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря 1а достигает некоторого максимального значения (рис.7-1,в), а затем уменьшается до минимального значения. В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Заштрихованная на рис. 7-1,в область соответствует значениям динамического момента МДИН = М-Мн, обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.

Пуск путем плавного изменения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществить при пониженном напряжении с последующим плавным повышением напряжения, подаваемого на его обмотку. Однако для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.

Свойство саморегулирования. Двигатели постоянного тока, как впрочем, и двигатели переменного тока, обладают при соблюдении условий устойчивости замечательной способностью автоматически, без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться к изменившимся условиям работы. В этом смысле можно сказать, что электрические двигатели обладают свойством саморегулирования. Проиллюстрируем сказанное на примере двигателя параллельного возбуждения.

Добавить комментарий