Краткие теоретические сведения. В электроприводах постоянного тока в настоящее время используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ)

В электроприводах постоянного тока в настоящее время используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ). Схема включения ДПТ НВ приведена на рисунке 8. Особенностью этого двигателя является то, что якорь ДПТ и обмотка возбуждения получают питание от различных (независимых) источников энергии.

Для анализа работы ДПТ НВ в установившемся режиме работы используют его статические электромеханические и механические характеристики.

Статическая электромеханическая характеристика ДПТ НВ w=f(Iя) представляет собой зависимость угловой скорости от тока якоря в установившемся режиме работы. Электромеханическая характеристика позволяет оценить загрузку двигателя по току.

Выражение статической электромеханической характеристики ДПТ НВ для двигательного режима работы имеет вид:

, (1)

где U_Я – напряжение на якоре, В;

R_Я – сопротивление якорной цепи для нагретого состояния, Ом;

I_Я – ток якорной цепи, А;

Рисунок 8 – Схема включения ДПТ НВ

k – конструктивный коэффициент двигателя;

Ф – полезный поток, Вб;

k×Ф – коэффициент ЭДС и момента (электромагнитного); при номинальном и неизменном потоке возбуждения (k×Ф_ном=С_ном).

Статическая механическая характеристика ДПТ НВ w=f(М) представляет собой зависимость угловой скорости от момента в установившемся режиме работы. Механическая характеристика позволяет определить скорость, с которой будет вращаться вал двигателя при изменении нагрузки на валу. Статическая механическая характеристика – есть множество точек установившегося режима работы электрической машины. По статической механической характеристике анализируют установившиеся режимы работы привода.

Выражение статической механической характеристики ДПТ НВ для двигательного режима работы имеет вид:

. (2)

В выражениях (1) и (2) угловая скорость w является функцией; I_Я и М являются аргументами, а все остальные величины, входящие в выражения характеристик, называют параметрами двигателя.

Статические характеристики (электромеханические и механические) рассчитанные и построенные при номинальных параметрах для нормальной схемы включения ДПТ НВ (отсутствуют добавочные сопротивления) носят название естественные характеристики. Выражения естественных статических электромеханической и механической характеристик имеют вид:

, (3)

. (4)

Параметры, входящие в выражения этих характеристик определяются следующим образом:

– номинальное напряжение на якоре задается в справочниках и указывается на табличке двигателя;

– сопротивление якорной цепи определяется выражением:

, (5)

где R_ОЯ – сопротивление обмотки якоря, Ом;

R_ОДП – сопротивление обмотки дополнительных полюсов, Ом;

R_КО – сопротивление компенсационной обмотки, Ом;

R_ЩК – сопротивление щеточного контакта, Ом;

1,2 – коэффициент приведения сопротивлений к нагретому состоянию (в случае класса изоляции В).

Если сопротивления обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной обмотки приведены в справочнике уже для нагретого состояния, то при расчете сопротивления якорной цепи следует вместо коэффициента 1,2 использовать коэффициент равный 1.

У двигателей небольшой мощности компенсационная обмотка может отсутствовать, тогда при расчете сопротивления якорной цепи в формуле (5) следует положить R_КО = 0.

Сопротивление щеточного контакта определяется по формуле:

, (6)

где DU_Щ – падение напряжения на щеточном контакте, В; (DU_Щ = 0,6 В – для медно-графитовых щеток, DU_Щ = 2 В – для графитовых щеток);

I_Яном – номинальный ток якоря двигателя, А.

Обычно номинальный ток якоря приводится в справочнике или на табличке двигателя. Если ток якоря номинальный неизвестен, то его можно определить по формуле:

, (7)

где Р_2ном – номинальная мощность на валу двигателя, Вт;

h_ном – номинальный коэффициент полезного действия, о.е.;

R_ОВ – сопротивление обмотки возбуждения, Ом.

В случае, если в справочнике не заданы сопротивления обмоток двигателя, то сопротивление якорной цепи можно оценить по приближенной формуле, считая, что половина всех потерь в двигателе приходится на долю переменных потерь:

; (8)

Коэффициент ЭДС и момента может быть определен из выражения естественной электромеханической характеристики, записанной для номинального режима работы двигателя. Выражение для определения этого коэффициента имеет вид:

, (9)

где w_ном – номинальная угловая скорость вала (якоря) двигателя, рад/с.

В справочнике и на табличке двигателя обычно указывается номинальная частота вращения вала двигателя n_ном [об/мин]. Угловая скорость и частота вращения связаны следующим выражением:

. (10)

При изменении хотя бы одного из параметров, входящих в выражения механической и электромеханической характеристик (напряжения на якоре, потока двигателя, добавочных сопротивлений) получают характеристики отличные от естественной. Такие характеристики называют искусственными. Естественная характеристика у двигателя одна, искусственных – множество. Искусственная характеристика, полученная введением в цепь якоря добавочного сопротивления (реостата) носит название – реостатная механическая (или электромеханическая) характеристика. Реостатная статическая механическая характеристика имеет вид:

, (11)

где R_Ядоб – величина добавочного сопротивления, Ом.

Характеристики, полученные уменьшением напряжения на якоре ДПТ НВ или ослаблением потока, называют искусственными характеристиками при пониженном напряжении и искусственными характеристиками при ослабленном потоке соответственно.

Чтобы определить величину сопротивления, включенного в цепь якоря, нужно в выражение реостатной характеристики вместо w и М подставить их значения для заданного статического режима работы w_С и М_С и решить относительно R_Ядоб. Аналогично поступают для определения требуемого напряжения или требуемого потока двигателя, для обеспечения работы привода с требуемой скоростью при заданном моменте нагрузки.

Формулы для определения требуемого добавочного сопротивления и требуемого напряжения на якоре имеют вид:

, (12)

. (13)

Из анализа выражений электромеханической и механической характеристик видно, что они линейны. Для двигательного режима работы ДПТ НВ угловая скорость и ток (момент) имеют одинаковые знаки. Характеристики двигательного режима работы располагаются в I–III квадрантах плоскости (w, М). Так как характеристики линейны, то для построения их достаточно рассчитать две точки. Подставляя в выражение требуемой характеристики два значения тока (момента) определяют угловые скорости, соответствующие этим токам (моментам). По полученным двум точкам на плоскости {(w, I_Я) или (w, М)} строят требуемую электромеханическую или механическую характеристику. Обычно для расчета первой точки электромеханической (механической) характеристики принимают I_Я=0 (М=0), при этом скорость вала двигателя будет равна скорости идеального холостого хода (w=w₀). Скорость идеального холостого хода определяется выражением:

. (14)

Для расчета второй точки электромеханической (механической) характеристики принимают номинальное значение тока (момента) двигателя и рассчитывают угловую скорость.

При расчете статических механических характеристик двигателя следует иметь ввиду различие между моментом двигателя электромагнитным и моментом на его валу. Это разные моменты. Ввиду наличия механических потерь в двигателе (трение в подшипниках, вентиляционные потери) момент электромагнитный отличается от момента на валу на величину момента потерь вращения. Соотношение электромагнитного момента, момента на валу и момента потерь вращения имеет вид:

, (15)

где М – электромагнитный момент двигателя, Н×м;

М_В – момент на валу двигателя, Н×м;

DМ – момент потерь вращения, Н×м.

В выражении (15) знак «+» относится к двигательному, знак «–» – к тормозным режимам работы.

При совместном рассмотрении механических механизма w=f(M_C) и характеристик двигателя w=f(M_В), в качестве последней следует рассматривать зависимость угловой скорости в функции момента на валу. Вместе с тем, эта зависимость имеет разрыв первого рода, обусловленный влиянием момента потерь вращения. Поэтому при решении задач в области автоматизированного электропривода лучше рассматривать механические характеристики двигателя w=f(M) (где М – электромагнитный момент), отнеся момент потерь вращения DМ, если его величина существенная (>5% от номинального момента), к нагрузке М_С, или пренебрегая им в случае его малости (<5% от номинального момента).

Номинальный электромагнитный момент М_ном:

. (16)

Номинальный момент на валу М_Вном:

. (17)

Тогда момент потерь вращения DМ:

. (18)

На рисунке 9 приведен примерный вид статических механических характеристик ДПТ НВ.

Рисунок 9 – Статические механические характеристики ДПТ НВ, где: 1 – естественная; 2 – искусственная при пониженном напряжении на якоре; 3 – реостатная; 4 – искусственная при ослаблении магнитного потока

Контрольные вопросы

1. Что показывает статическая механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением?

2. Записать выражение естественной механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и проанализировать его.

3. В чем разница между моментом электромагнитным и моментом на валу двигателя? Как они соотносятся, например, в двигательном режиме работы?

4. Как изменится механическая и электромеханическая характеристика при ослаблении потока двигателя? Начертить эти характеристики.

5. В каких квадрантах плоскости {w, М} изображают статические характеристики в тормозных режимах работы (генераторное торможение, торможение противовключением)? Начертить эти характеристики.

6. Как изменится жесткость статической механической характеристики ДПТ с НВ, если в цепь якоря ввести добавочное сопротивление равное сопротивлению якоря?

7. Пояснить работу универсального лабораторного стенда при работе исследуемого двигателя в режиме торможения противовключением.

8. С какой целью в цепь якоря вводят дополнительное сопротивление при торможении двигателя противовключением?

9. Как графически определить требуемое добавочное сопротивление, включаемое в цепь якоря, для обеспечения работы двигателя при заданном статическом моменте с требуемой скоростью?

10. Как изменится угловая скорость двигателя, если напряжение на якоре двигателя уменьшить в два раза?

11. Как изменится жесткость статической механической характеристики ДПТ с НВ, если поток возбуждения уменьшить на 20%?

12. Пояснить процессы преобразования энергии в электромашинном агрегате при работе исследуемого двигателя в режиме генераторного торможения.

13. Как изменится показание амперметра, который контролирует ток якоря, при увеличении сигнала задания частоты инвертора (предварительно исследуемый двигатель работал в двигательном режиме работы)?

Лабораторная работа № 2