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 I_а и КПД η от мощности на валу - нагрузки Р со стороны рабочей машины (рис.1.4) при неизменных значениях U и I_B . На рисунке представлены рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения. Из рисунка видно, что работа ДПТ с малой нагрузкой Р_x не экономична.

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 I_B. Так как для ДПТ, например, параллельного (независимого) возбуждения

U = Е + R_Я • I_Я (1.9)

Е = С_Е • ω, а М = С_М • I_Я (1.10)

где : R_я – полное активное сопротивление якоря;

С_е и С_м – конструктивные константы ДПТ

то скорость ДПТ в этом частном случае будет определяться зависимостью:

(1.11)

где ω₀ - скорость идеального холостого хода.

Из аналитической зависимости механической характеристики ω(М) (1.11) видно, что при U = const., I_B = const и R_Я = 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 = U_H, I_B = I_Bн, R_Я = R_Я и искусственной, если получена при изменении U, С_E, С_M и R_Я.

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.

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 R_Я:

(1.12)

2. за счет изменения тока возбуждения I_B при неизменных напряжении U и сопротивлении R_Я:

(1.13)

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

(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) Ј_Я, 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)

(2.1)

2. Номинальный коэффициент полезного действия

(2.2)

3. Электрическое сопротивление эквивалентного якоря (Ом)

(2.3)

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

(2.4)

где n – скорость вращения якоря, об/мин

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

(2.5)

6. Номинальная электромагнитная мощность (Вт)

(2.6)

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

(2.7)

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

(2.8)

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

(2.9)

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

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

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

(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 = ω_H

(2.11)

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

(2.12)

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

РМ от ω = 0 до ω = ω_H

(2.13)

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

(2.14)

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

(2.15)

17. Сопоставление средней пусковой мощности с мощностью номинального режима:

(2.16)

Примечание. Здесь целесообразно остановиться и сделать выводы в направлениях:

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

• сопоставления скоростей ω₀, ω_H 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 Р_Н = 10 кВт; n_Н = 1000 мин^-1; U_H = 220 В; I_H = 63 А; GД² = 1,3 кГ • м².

Расчет параметров и построение естественной механической характеристики выполнены с результатами:

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

(2.17)

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

(2.18)

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

(2.19)

график η (М,ω) есть прямая, пересекающая оси координат ω – η_С - 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 • М_К от точки Р = 0 . Функция имеет два нуля при РХХ к РКЗ.

Обобщение и выводы

Из графиков ω (М), η_С (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:

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 (η_С) 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.