Характеристики машин постоянного тока

Рассмотрим лишь основные характеристики, которые необходимы как для технической эксплуатации, так и для правильного обеспечения действующих и проектируемых электрифицированных технологических процессов.

Рабочие характеристики ДПТ - зависимости скорости вращения ω, электромагнитного вращающего момента М, тока якоря Iа и КПД η от мощности на валу - нагрузки Р со стороны рабочей машины (рис.1.4) при неизменных значениях U и IB . На рисунке представлены рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения. Из рисунка видно, что работа ДПТ с малой нагрузкой Рx не экономична.

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru

Рис.1.4 Рабочие характеристики машины постоянного тока в двигательном режиме

Механические характеристики ДПТ - зависимости скорости вращения ω от вращающего момента электромагнитного происхождения на валу при неизменных напряжении сети U и токе возбуждения IB. Так как для ДПТ, например, параллельного (независимого) возбуждения

U = Е + RЯ • IЯ (1.9)

Е = СЕ • ω, а М = СМ • IЯ (1.10)

где : Rя – полное активное сопротивление якоря;

Се и См – конструктивные константы ДПТ

то скорость ДПТ в этом частном случае будет определяться зависимостью:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (1.11)

где ω0 - скорость идеального холостого хода.

Из аналитической зависимости механической характеристики ω(М) (1.11) видно, что при U = const., IB = const и RЯ = const для ДПТ независимого (параллельного) возбуждения она есть прямая в отрезках 1(см рис.1.5).

Она показывает три основных режима работы ДПТ: режим холостого хода - РХХ, режим номинальной работы - РНР и режим короткого замыкания - РКЗ. Эта зависимость ω(М) называется естественной механической характеристикой, если она получена при естественных условиях: U = UH, IB = IBн, RЯ = RЯ и искусственной, если получена при изменении U, СE, СM и RЯ.

Для сравнения с естественной механической характеристикой 1 на рис.1.5 показаны естественные характеристики ДПТ последовательного2 и смешанного 3 возбуждения. Видно, что ДПТ с последовательным возбуждением при холостом ходе имеет бесконечную скорость вращения, при которой якорь машины выходит из строя. Поэтому ДПТ с последовательным возбуждением можно применять в приводах таких рабочих машин и механизмов, которые постоянно нагружают двигатель, например, механизмы позиционирования транспортного оборудования, вентиляторы, компрессоры.

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru

Рис.1.5 Механические характеристики двигателей постоянного тока

Аналитическое выражение механических характеристик ДПТ независимого или параллельного возбуждения (1.11) показывает, что регулирование скорости при неизменной нагрузке М можно осуществлять на основе трех принципов:

1. за счет изменения напряжения сети U при неизменных магнитном потоке Ф и сопротивлении якоря RЯ:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (1.12)

2. за счет изменения тока возбуждения IB при неизменных напряжении U и сопротивлении RЯ:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (1.13)

3. за счет изменения сопротивления цепи якорной обмотки при неизменных напряжении U и магнитном потоке Ф:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (1.14)

2. Пример определения параметров и естественной механической характеристики ДПТ по его каталожным данным и анализ нагрузочных режимов

Пусть необходимо определить параметры привода с одним ДПТ и приведенным моментом инерции системы ДПТ - РМ (1, 2—1,5) ЈЯ, сравнить среднюю мощность потребления энергии из сети при пуске и в режимах согласованной и номинальной нагрузки, а также исследовать нагрузочные режимы заданной системы.

Алгоритм расчета

1. Электрический ток в обмотке якоря при номинальном режиме двигателя (А)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.1)

2. Номинальный коэффициент полезного действия

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.2)

3. Электрическое сопротивление эквивалентного якоря (Ом)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.3)

4. Основной параметр при номинальной нагрузке (с-1)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.4)

где n – скорость вращения якоря, об/мин

5. Величина противоЭДС (В), индуктируемая в обмотке якоря при номинальном основном параметре

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.5)

6. Номинальная электромагнитная мощность (Вт)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.6)

7. Вращающий момент электромагнитного происхождения при номинальной нагрузке (Н • м)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.7)

8. Второй основной параметр - скорость идеального холостого хода (c-1)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.8)

9. Основной параметр при номинальном моменте сопротивления рабочей машины (с-1)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.9)

10. Естественная механическая характеристика - прямая в отрезках с координатами [М = 0; ω = ω0]; [М = МН; ω = ωН]. Характеристику следует построить в масштабе на миллиметровой бумаге и проверить, с какой точностью точка [ω = ω2; M = 2MH] ложится на полученную характеристику (см. рис.2.1).

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru

Рис.2.1 Результаты расчета естественной механической характеристики ДПТ по его каталожным данным

11. По естественной механической характеристике определить момент короткого замыкания М = MK и найти третий основной параметр - электромеханическую постоянную времени (с) системы по соотношению

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.10)

где J – момент инерции ДПТ

12. Время разгона привода (с) с принятым двигателем от скорости покоя ω = 0 до скорости номинального режима ω = ωH

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.11)

13. Кинетическая энергия (Дж) вращающихся частей привода при номинальном режиме

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.12)

14. Потери электроэнергии (Дж) в приводе при пуске системы ДПТ –

РМ от ω = 0 до ω = ωH

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.13)

15. Электрическая энергия (Дж), поступающая из сети к ДПТ за время пуска,

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.14)

16. Средняя мощность потребления энергии из сети при пуске, (Вт)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.15)

17. Сопоставление средней пусковой мощности с мощностью номинального режима:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.16)

Примечание. Здесь целесообразно остановиться и сделать выводы в направлениях:

• оценки момента короткого замыкания по сравнению с номинальным вращающим моментом;

• сопоставления скоростей ω0, ωH и ω1 , а также напряжения и противоЭДС;

• сравнения мощности пуска с номинальной установленной мощностью потребления энергии ДПТ из сети.

Анализ режимов

Анализ нагрузочных режимов можно осуществить по графикам технико - экономических показателей привода с заданным ДПТ, например: двигатель типа П-71 с паспортными (каталожными) данными РН = 10 кВт; nН = 1000 мин-1; UH = 220 В; IH = 63 А; GД2 = 1,3 кГ • м2.

Расчет параметров и построение естественной механической характеристики выполнены с результатами:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru

Зависимости Р(М, ω) и ηC(М, ω) по данным графика естественной ме­ханической характеристики ДПТ получаются также при использовании аналитического выражения (1.11)

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.17)

где: Р2 - мощность на валу ДПТ - нагрузка с учетом граничных условий естественной механической характеристики двигательного режима

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.18)

ηс - коэффициент полезного действия системы ДПТ-РМ, работающей в естественных электромеханических условиях при равенстве коэффициентов СE и СM, в зависимости от момента на валу - нагрузки со стороны рабочей машины Р

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru (2.19)

график η (М,ω) есть прямая, пересекающая оси координат ω – ηС - М в точках РХХ и РКЗ;

графическая зависимость Р(М, ω) по данным расчета является квадратичной функцией и представляет собой параболу с осью симметрии, параллельной оси Р и расположенной примерно на расстоянии 0,5 • МК от точки Р = 0 . Функция имеет два нуля при РХХ к РКЗ.

Обобщение и выводы

Из графиков ω (М), ηС (М,ω) и Р(М,ω) (см. рис. 2.1) видно, что при естественных электромеханических условиях ДПТ типа П-71 в приводе может иметь, кроме режима холостого хода РХХ и режима номинальной работы РНР, и другие двигательные режимы, при которых мощностная нагрузка на валу двигательного устройства не может быть более 24,2 кВт - режим согласованной работы РСР, а моментная нагрузка не мо­жет быть выше 793, 6 Н • м - режим короткого замыкания РКЗ. При возрастании момента сопротивления РМ сверх 400Н . м - автоматически начинает падать механическая мощность, развиваемая ДПТ. Режим со­гласованной работы и режим короткого замыкания можно сравнить с РНР по таким относительным технико-экономическим показателям:

Характеристики машин постоянного тока - student2.ru

которые показывают, что с увеличением моментной нагрузки на ДПТ более, чем в 3,5 раза по сравнению с номинальной, наблюдается снижение скорости вращения системы ДПТ-РМ в 1,75 раза, а ее КПД - в 1,44 раза.

В качестве выводов следует указать, что заданную систему ДПТ-РМ можно длительно использовать в пределах режимов РХХ-РНР, а в РСР - кратковременно с целью получения значительной мощности преобразования механической энергии вращения и крутящего момента на валу при низких технических (ω) и экономических (ηС) показателях. Кратковременность использования системы диктуется опасностью перегрева обмоток ДПТ за счет значительных токов РСР и особенно РКЗ и выхода его из строя, поэтому в процессе технической эксплуатации электродвигателей необходимо постоянно следить за их нагрузкой, не допуская перегрева.

В машинах постоянного тока ЭДС и токи в якорной обмотке являются переменными, а во внешней цепи - выпрямленными одной полярности. Такие машины обратимы, они могут работать как генератором, так и двигателем с независимым возбуждением, параллельным, последовательным и смешанным самовозбуждением. При постоянном магнитном потоке их вращающие моменты и ЭДС соответственно пропорциональны току и скорости.

Технические возможности МПТ определяются их электромеханическим состоянием и статическими характеристиками: внешними, регулировочными, рабочими и механическими. Зависимость КПД от нагрузки определяется скоростью постоянных (магнитных) и переменных (электрических и механических) потерь в машине, а ее вид подобен графику (см. рис.1.4 ) и понятен из соотношений (1.11).

Работа МПТ в системе ДПТ-РМ, где рабочая машина является потре­бителем активной энергии, а двигатель - ее источником, может харак­теризоваться четырьмя режимами: холостого хода РХХ, номинальным РНР, согласованным РСР и режимом короткого замыкания РКЗ. При этом КПД системы и ее основной параметр ω прямолинейно (для систем параллельного или независимого возбуждения) зависят от нагрузки М со стороны рабочей машины.

Наши рекомендации