Пуск двигателей постоянного тока

В момент пуска якорь двигателя неподвижен (n = 0), поэтому отсутствует противоЭДС (E = C_eФn = 0). Из уравнения якорной цепи видно, что пусковой ток якоря I_я.п = U_ном/R_я ограничен только сопротивлением обмотки якоря R_я. Поскольку R_я мало (особенно у ДПТ средней и большой мощности), то пусковой ток велик и превышает номинальное значение в десятки раз (рис. 3.77). Время пуска t_п длится десятые доли секунды у маломощных двигателей (менее 1 кВт) и достигает нескольких десятков секунд у мощных.

Существуют три способа пуска: 1) прямой пуск;
2) применение пускового реостата; 3) снижение напряжения якоря.

Рис.26.8. Пусковые характеристики ДПТ

Прямой пуск применяют только для маломощных двигателей, у которых I_я.п не превышает( 4¸6)I_ном.

Рис. 26.9. Пуск ДПТ с реостатом

Реостатный пуск. Пусковой реостат R_п включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 26.6,в). В момент пуска R_п вводится полностью.

Тогда

.

Сопротивление реостата R_п рассчитывают так, чтобы для машин средней и большой мощности обеспечить I_п = (1,4¸1,8)I_ном, а для машин малой I_п = (2¸2,5)I_ном. Обычно по мере разгона двигателя сопротивление R_п ступенчато выводят до нуля. Иллюстрация пуска для ДПТ параллельного возбуждения приведена на рис.26.9. Введение в цепь якоря сопротивления R_п приводит к уменьшению «жесткости» механической характеристики тем сильнее, чем больше R_п. Получаемые при этом характеристики называют искусственными. На рис. 26.9 искусственной характеристике И₃ соответствует R_п с введенными тремя ступенями. Поочередный вывод ступеней R_п дает «веер» характеристик И₃, И₂, И₁, Е, где Е – естественная характеристика. Частота холостого хода п₀ при этом сохраняется. Процесс пуска характеризуется зигзагообразным движением точки вдоль стрелок из точки 1 к точке 8.

Снижение пускового тока снижает и пусковой момент М_п, что ведет к затяжке пуска или даже его срыву. Поэтому в начале пуска увеличивают магнитный поток за счет вывода реостата R_р в цепи возбуждения (рис. 26.6, в). По мере разгона ДПТ R_р вводят с целью достижения требуемой частоты вращения. Эта мера позволяет двигателю при небольшом пусковом токе развить большой пусковой момент.

Пуск при пониженном напряжении U позволяет исключить применение пусковых реостатов. Недостатком этого способа является необходимость в источнике регулируемого напряжения, но этот источник можно также использовать для регулирования частоты вращения.

26.5. Регулирование частоты вращения ДПТ

Задача управления двигателем в основном сводится к регулированию частоты вращения. Реже встречается задача управления моментом двигателя. Из формулы n следует, что изменение частоты вращения может достигаться тремя способами:

– включением реостата R_р в цепь якоря (реостатное регулирование);

– изменением магнитного потока Φ (полюсное регулирование);

–изменением подводимого к якорю напряжения (якорное регулирование).

При реостатном регулировании вместо пускового реостата R_п в цепь якоря вводится регулировочный реостат R_р, рассчитанный на длительные тепловые перегрузки. Ступенчатое увеличение R_р при M_c = = const снижает частоту вращения (характеристики И₃, И₂, И₁, Е – рис. 26.9). Из-за больших потерь в R_р этот способ регулирования применяют только для двигателей небольшой мощности.

Полюсное регулирование. Для ДПТ параллельного возбуждения изменение магнитного потока Φ достигается введением регулировочного реостата R_р в цепь ОВ (рис.26.10, а). При увеличении R_р ток I_в и магнитный поток Φ уменьшаются, что согласно формуле (3.64), дает увеличение частоты холостого хода n₀. Жесткость механической характеристики уменьшается незначительно (рис. 26.10, а). Таким образом, изменением (уменьшением) магнитного потока можно увеличить частоту вращения n, но не более чем до 2n_ном, что связано с ухудшением коммутации. Регулирование n в сторону уменьшения практически невозможно из-за насыщения магнитной системы. Сильное снижение Φ, например до величины Φ_ост, при случайном обрыве обмотки возбуждения при незначительном моменте M_с на валу ведет к «разносу» двигателя (пунктирная характеристика на рис. 26.10, а).

Рис. 26.10. Изменение характе­ристик при регулировке час­тоты вращения ДПТ с помо­щью: а – Ф (параллельное возбуждение); б – Ф или U якоря (последовательное воз­буждение); в – U якоря (неза- висимое возбуждение)

Для ДПТ последовательного возбуждения изменение Φ достигается реостатом R_р1, включенным параллельно обмотке возбуждения (рис. 26.10, б). Выведение R_р1 уменьшает поток Φ (2 на рис. 26.10, б).

Рис.26.11. Полупроводниковые регу­ляторы частоты вращения ДПТ: а – тиристорный; б – транзисторный

Изменение питающего напряжения якоря для ДПТ независимого возбуждения обеспечивает регулировку частоты вниз от номинального значения (рис. 26.10, в). Обычно этот способ осуществляют с помощью управляемого тиристорного выпрямителя (рис. 26.11, а) или с помощью транзисторного преобразователя (рис. 26.11, б).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в тиристорном выпрямителе последовательно с якорем включен дроссель L1 с большой индуктивностью. Импульсный преобразователь (рис. 26.11, б) содержит неуправляемый выпрямитель с напряжением U₀, транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, широтно-импульсный модулятор (ШИМ), управляющий работой ключа, и диод VD1. VT1 периодически с периодом T подключает якорь двигателя к напряжению U₀. В момент времени t₁ ключ размыкается, но ток якоря замыкается через VD1, и ДПТ продолжает работать за счет запасенной электромагнитной энер­гии. Изменением момента t₁ (рис. 3.81) регулируются средние значения напряжения U_ср и тока I_ср.

Рис.26.12.Временные диаграммы преобра- зователя с ШИМ

Изменением напряжения частоту n регулируют только «вниз». Частота холостого хода n₀ при этом также уменьшается, а жесткость характеристик сохраняется (рис. 26.10, б, в – ДПТ последовательного и независимого возбуждения).

Торможение ДПТ

Для быстрого торможения двигателя его переводят в режим, при котором электромагнитный момент изменяет направление.

Различают три способа торможения:

– динамическое;

– генераторное (рекуперативное);

– противовключением.

При динамическом торможении якорь отключают от питающего напряжения и замыкают на реостат R_т (рис.26.13, а). Из уравнения для якорной цепи 0 = Е + (R_я + R_т)I_я следует, что ток I_я, а значит и момент М, изменяют направление (рис.26.13, б). Поскольку частота n не может изменяться скачком, то в момент переключения рабочая точка из а₁ по горизонтали переходит в а₂ и затем, замедляясь по наклонной прямой, в точку останова 0.

Рис.26.13. Схема (а) и диаграмма (б) динамического торможения, диаграмма рекуперативного торможения (в)

Рекуперативное торможение происходит при наличии условия E > U. Из уравнения U = E + I_яR_я следует, что при этом I_я, а значит и M, становятся отрицательными, что может наблюдаться при спуске двигателем груза или ходе под уклон трамвая. Якорь может набрать частоту n > n₀. На рис. 26.13, в это соответствует движению рабочей точки из позиции а₁, через точку n₀ в а₂, т. е. переходу машины из двигательного режима (M > 0) в генераторный (M < 0) и отдаче энергии в сеть (рекуперация энергии). Генераторный режим может возникнуть при резком снижении напряжения якоря. Механическая характеристика при этом параллельно смещается вниз (рис.26.13, в), а рабочая точка из позиции а₁ скачком переходит в а₃ и далее плавно в а₄ (при M_с = const).

Торможение противовключением выполняют, изменяя полярность подключения якоря (рис.26.14, а).

Рис. 26.14.Торможение противовключением:а – схема;б–диаграмма

После перевода переключателя из позиции 1–1' в позицию 2–2' уравнение якорной цепи принимает вид

–U = E + I_я(R_я + R_д).

Откуда

.

Ток I_я, а значит и момент M, изменяют знак. Для ограничения тока в цепь якоря вводится добавочное сопротивление R_д. На рис.26.14, б изменению знака U сооветствует переход к обращенной механической характеристике 2. Добавление R_д в цепь якоря ухудшает «жесткость» этой характеристики (характеристика 3). Рабочая точка из позиции а₁ скачком переходит в а₂ и затем по характеристике 3 скользит вниз. Если в момент прохождения точкой горизонтальной оси (n = 0) не отключить питающее напряжение, точка продолжит движение по 3, т. е. начнется разгон ДПТ в обратном направлении (реверс). Этот процесс является самым быстрым (и самым неэкономичным) способом реверсирования.