Устойчивость работы двигателей постоянного тока

Принципы работы машин постоянного тока. Особенности их конструкции. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ). Особенности конструкции, механические и регулировочные характеристики. Режимы работы ДПТ. Механические характеристики для различных режимов работы. Система уравнений и развернутая схема ДПТНВ. Формирование статических характеристик движения при помощи введения обратных связей

Страницы работы

Фрагмент текста работы

1. Принципы работы машин постоянного тока. Особенности их конструкции.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: статора и ротора. В машинах постоянного тока ротор включает в себя якорь (обмотку с сердечником) и коллектор для выпрямления тока.

Конструкция машины постоянного тока представлена на рисунке ниже.

Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б)

Основные элементы конструкции машины постоянного тока:

1 — обмотка возбуждения 2 — главные полюсы

3 — якорь 4 — обмотка якоря

5 — щетки 6 — корпус (станина)

Принцип действия.

Машина постоянного тока имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток Iв , который создает магнитное поле возбуждения Фв . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС.

В процессе вращения якоря направление ЭДС, наводимой в обмотках, определяется только тем, под каким полюсом располагается обмотка. Иными словами, направление индуцируемой ЭДС в обмотках якоря неизменно по разные стороны относительно оси симметрии (геометрической нейтрали).

Это свойство позволяет утверждать, что суммарная наводимая ЭДС под одним полюсом является неизменной во времени и по величине (почти неизменна). Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта (щетки), включенного между обмоткой и внешней цепью.

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

2. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ). Особенности конструкции, механические и регулировочные характеристики.

В двигателе с независимым возбуждением, обмотка возбуждения подключается к независимому источнику питания (магнитное поле обмотки возбуждения создается сторонним источником питания).

Достоинства ДПТНВ:

1. Отсутствие самохода (самоторможения двигателя при снятии сигнал управления)

2. Широкий диапазон регулирования частоты вращения

3. Линейности механических и регулировочных характеристик

4. Устойчивость работы во всем диапазоне частот вращения

5. Большой пусковой момент

6. Малая мощность управления

8. Малые габариты и масса

Недостатки ДПТНВ:

1. Наличие скользящего контакта между щетками и коллектором (источник радио помех)

2. Малый срок службы щеточного устройства

Для получения выражения для механической и регулировочной характеристики воспользуемся следующими известными выражениями:

Известно что: Следовательно:

Связь между частотой вращения и ЭДС в обмотке якоря, а также между вращающим моментом и током якоря устанавливается через общий электромеханический коэффициент:

Подставив в уравнение для второго закона Кирхгофа выражения для тока якоря и ЭДС якоря получим:

Отсюда уравнение механической и регулировочной характеристики будет иметь вид:

Вывод: механическая характеристика (U=const) имеет линейный вид с отрицательным угловым коэффициентом. Регулировочная характеристика (M=const) также имеет линейный вид, только угловой коэффициент наклонная является положительным.

3. Режимы работы ДПТ. Механические характеристики для различных режимов работы

Выражения для построения механической характеристики ДПТНВ имеет вид:

Построить механическую характеристику можно по двум характерным точкам:

1 – точка идеального холостого хода

Частота идеального холостого хода: (при моменте нагрузки

Устойчивость работы электропривода

Дата добавления: 2014-10-07 ; просмотров: 3626 ; Нарушение авторских прав

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, которая должна работать устойчиво.

Примером устойчивой системы является детская игрушка «Ванька-встанька».

Если «Ваньку» наклонить, а затем убрать руку, игрушка качнется несколько раз в разные стороны, а затем замрет, вернувшись в прежнее положение.

Точно так же работают устойчивые системы.

Рассмотрим устойчивость электропривода.

В общем случае под устойчивостью системы ( в данном случае – электропривода )

понимают ее способность вернуться к прежнему или близкому к прежнему состоянию по-

сле кратковременногодействия на нее внешнего возмущающего воздействия ( рис. 2.9 ).

Рис. 2.9. Механические характеристики асинхронного двигателя ( а ) и двигателя параллельного возбуждения ( б )

В данном случае, под внешним возмущающим воздействием будем понимать изме-

нение исходного статического момента М на величину + Δ М или — Δ М.

Рассмотрим устойчивость работы привода в двух случаях:

1. в исходном состоянии двигатель работает в точке 1 на участке ВС своей механи-

2. в исходном состоянии двигатель работает в точке 2 на участке АВ.

Для упрощения объяснения механическую характеристику механизма изобразим в виде вертикальной прямой М .

В первом случае асинхронный двигатель работает в точке 1 в установившемся ре-

Для этой точки справедливо равенство моментов двигателя М = М .

Если кратковременно увеличить статический момент на величину + Δ М, до значе

ния М’ = М + Δ М, двигатель за счет саморегулирования перейдет из точки 1 в точку 3.

В этой точке наступит установившийся режим, т.к. момент двигателя увеличился до значения, равного возросшему моменту механизма.

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма уменьшить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя в пер-

вый момент времени не изменится.

Последнее объясняется тем, что из-за инерции якоря его скорость не может изме-

ниться мгновенно, т.е. в первый момент останется такой, как в точке 3.

Поэтому ( см. логическую цепочку выше ) противоэлектродвижущая сила обмотки якоря, а значит, ток якоря и электромагнитный момент двигателя останутся прежними, как в точке 3.

Значит, электромагнитный момент двигателя в точке 3 окажется больше статиче-

ского момента механизма ( точка 1 ), поэтому двигатель станет разгоняться по участку

3 -1 своей механической характеристики, возвращаясь из точки 3 в точку 1.

На этом участке скорость двигателя увеличивается, а момент уменьшается.

Как только двигатель, уменьшая свой момент, вернется в точку 1, переходный про-

цесс закончится, т.к. в этой точке вновь наступит равновесие двух моментов – двигателя и механизма ( М = М ).

Наоборот, при уменьшении исходного статического момента на величину — Δ М электродвигатель автоматически, за счет саморегулирования, также уменьшит свой элект-

ромагнитный момент и перейдет из точки 1 в точку 4.

В этой точке наступит равновесие моментов двигателя и механизма ( М’ = М’ ).

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма увеличить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя в пер-

вый момент времени не изменится из-за инерции якоря ( см. саморегулирование ).

В результате этот момент ( точка 4 ) станет меньше тормозного статического ( точ-

ка 1 ), и двигатель станет тормозиться по участку 4 – 1 своей механической характеристи-

На этом участке момент двигателя увеличивается, и в точке 1 вновь наступит уста-

Таким образом, в любой точке отрезка ВС механической характеристики двигателя последний работает устойчиво.

Во втором случае асинхронный двигатель работает в точке 2 в установившемся ре-

Для этой точки справедливо равенство моментов двигателя М = М .

Если кратковременно увеличить статический момент на величину + Δ М, до значе-

ния М’ = М + Δ М, двигатель за счет саморегулирования перейдет из точки 1 в точку 5.

В этой точке наступит установившийся режим, т.к. момент двигателя увеличился до значения, равного возросшему моменту механизма.

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма уменьшить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя М в первый момент времени не изменится, и он окажется больше тормозного статического.

Поэтому в последующие моменты времени двигатель станет разгоняться по участ-

ку 5- В -1 и в точке 1 вновь наступит равновесие моментов двигателя и механизма.

Таким образом, в рассмотренном случае двигатель не вернулся в точку 2 исходного режима, а перешел работать в точку 1 с повышенной против точки 2 скоростью.

Если же, начиная с точки 2, кратковременно уменьшить статический момент М

на величину — Δ М, двигатель перейдет за счет саморегулирования из точки 2 в точку 6, в которой наступит установившийся режим.

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма увеличить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя М в пер

вый момент времени не изменится, и он окажется меньше тормозного статического.

Поэтому в последующие моменты времени двигатель станет тормозиться по участ-

ку 6 – А, и в точке А остановится и перейдет в режим стоянки под током.

Таким образом, и в этом случае двигатель не вернулся в точку 2 исходного режима,

а перешел в точку А с пониженной против точки 2 скоростью, равной нулю.

Таким образом, в любой точке отрезка АВ механической характеристики двигателя последний работает неустойчиво.

Получим условие устойчивости асинхронного двигателя.

На участке ВС ( устойчивая работа ) жесткость механической характеристики

β = 0 ), например, при переходе из точки 1 в точку 3, скорость уменьшается ( Δω 0,

т.е. при увеличении момента М ( ΔМ > 0 ), например, при переходе из точки 2 в точку 5 скорость также увеличивается ( Δω > 0 ), и наоборот.

Таким образом, двигатель работает устойчиво на участке механической характери-

стики, где жесткость отрицательна ( β 0 ).

Более подробно устойчивость работы асинхронного двигателя рассматривается ниже ( см. §*** «Опрокидывание асинхронного двигателя» ).

Сравним устойчивость асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока с па-

раллельным возбуждением ( рис. 2.9, б ).

Рассуждая аналогично, можно показать, что при увеличении статического момента

на величину + ΔМ двигатель постоянного тока перейдет из исходной точки 1 в точку 2, в которой наступит установившийся режим.

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма уменьшить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя М в первый момент времени окажется больше статического.

Поэтому в последующие моменты времени двигатель станет разгоняться по участ-

ку 2 – 1, и в точке 1 переходный процесс закончится.

В этой точке вновь наступит установившийся режим.

Наоборот, при уменьшении статического момента на величину – ΔМ двигатель пе-

рейдет из исходной точки 1 в точку 3, в которой наступит установившийся режим.

Если скачкообразно убрать внешнее воздействие, т.е. статический момент механиз-

ма увеличить до прежнего значения М , то электромагнитный момент двигателя М в пер

вый момент времени не изменится, и он окажется меньше тормозного статического.

Двигатель станет тормозиться по участку 3 – 1 своей механической характеристи-

На этом участке момент двигателя увеличивается.

В точке 1 вновь наступит установившийся режим.

Таким образом, двигатель с параллельным возбуждением работает устойчиво в лю

бой точке своей механической характеристики до момента остановки якоря.

При остановке якоря двигатель перейдет в режим короткого замыкания ( режим стоянки под током ). Этому режиму соответствует точка пересечения механической харак-

теристики электродвигателя с положительной полуосью оси моментов М.

Если, начиная с этой точки, увеличить активный статический момент ( в элекропри

водах ГПМ или ЯШУ увеличением веса груза или якоря с якорь-цепью, двигатель реверси

рует и станет увеличивать свой электромагнитный момент до те пор, пока последний не

сравняется с возросшим статическим моментом механизма. При наступлении равенства этих двух моментов вновь наступит установившийся режим тормозного спуска.

Общие сведения о двигателях постоянного тока

Принцип действия (на примере двигателя параллельного возбуждения). Если к двигателю подведено напряжение U, то по цепи возбуждения протекает ток I_в, а по цепи якоря – ток I_я. Ток возбуждения создает МДС F_в = I_в W_в, которая возбуждает в машине магнитный поток Ф_в. Ток якоря, в свою очередь, создает магнитный поток реакции якоря Ф_я. Результирующий магнитный поток Ф_рез = Ф_в + Ф_я.

В цепи якоря ток I_я создает падение напряжения R_я I_я. В соответствии с законом электромагнитной силы ЭМС при взаимодействии тока I_я и магнитного потока Ф_рез создается вращающий момент М_вр. В установившемся режиме М_вр. = М_пр. Когда проводники якоря пересекают магнитное поле Ф_рез, в них в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭМИ наводится ЭДС, которая направлена против напряжения сети U.

Классификация двигателей. По схеме включения обмоток возбуждения главных полюсов двигатели постоянного тока делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

В двигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного напряжения. В двигателях параллельного возбуждения обмотка возбуждения и обмотка якоря включены параллельно и питаются от одного источника. В двигателях последовательного и смешанного возбуждения есть обмотка возбуждения, включенная последовательно с обмоткой якоря. В двигателях малой мощности поток возбуждения может быть создан с помощью постоянных магнитов. Наибольшее применение находят двигатели параллельного и смешанного возбуждения.

Основные уравнения и величины, характеризующие двигатели. Такими величинами являются: механическая мощность на валу Р_2, питающее напряжение U, ток, потребляемый из сети I, ток якоря I_я, ток возбуждения I_в, частота вращения n, электромагнитный момент М_эм. Зависимость между этими величинами описывается:

Ø уравнением электромагнитного момента:

Ø уравнением электрического состояния цепи якоря:

Ø уравнением моментов:

где М_с – момент сопротивления на валу, создаваемый нагрузкой; М_пот – момент потерь, создаваемый всеми видами потерь в двигателе; М_д – динамический момент, создаваемый инерционными силами;

Характеристики двигателей. Важнейшей из характеристик является механическая n (М_с) – зависимость частоты вращения n от момента на валу (далее индекс «с» опускается) при U = const, I_в = const. 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 n (I_в), скоростная n (I_я), рабочие М, Р_1, n , I, h(Р₂) – здесь подробно не рассматриваются.

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.

Уравнение механической характеристики двигателя. Оно может быть получено из (1.1). Подставим вместо Е ее значение в (1.4), тогда

Заменяя I_я его значением из (1.2), получаем уравнение механической характеристики:

n = (1.6)

Вид механической характеристики определяется характером зависимости потока отнагрузки двигателя, что в свою очередь зависит от схемы включения обмотки возбуждения.

Реверсирование двигателя. Под реверсированием двигателя понимают изменение направления вращения его якоря. Возможные способы реверсирования вытекают из соотношения (1.2). Если изменить направление тока якоря или потока машины, то знак, а следовательно, и направление вращающего момента изменяется. Практически это достигается переключением выводов или обмотки якоря, или обмотки возбуждения. Однако одновременное переключение выводов обеих обмоток или изменение полярности питающего двигатель напряжения (кроме двигателя независимого возбуждения) к изменению знака вращающего момента и, следовательно, к изменению направления вращения не приводит.

Пуск в ход двигателей постоянного тока. К пуску двигателей предъявляются два основных требования: обеспечить необходимый для трогания с места и разгона якоря вращающий момент и не допустить при пуске протекания через якорь чрезмерно большого тока, опасного для двигателя. Практически возможны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в первый момент пуска якорь неподвижен (n = 0), то противо-ЭДС отсутствует (Е_пр = С_Е nФ). Тогда из (1.4) следует, что пусковой ток якоря I_я,п = U/R_я.

Так как R_я = 0,02 ¸ 1,10 Ом, то I_я,п = (50 ¸100) I_ном, что недопустимо. Поэтому прямой пуск возможен только у двигателей малой мощности, где I_я,п (4¸6) I_ном и разгон двигателя длится менее 1 с.

Пуск при включении пускового реостата R_п последовательно с якорем рассмотрим на примере схемы рис. 1.25. Пусковой ток в этом случае равен:

Сопротивление R_п = U/ I_я,п – R_я выбирают таким, чтобы в начальный момент пуска, когда Е_пр = 0, I_я,п = (1,4¸2,5) I_ном (большее число относится к двигателям меньшей мощности).

По мере разгона якоря возрастает Е_пр, которая снижает напряжение на якоре (т.е. уменьшается числитель (1.7)), а сопротивление реостата R_п выводится.

Перед пуском реостат R_р выводится, что необходимо для обеспечения максимального потока и, следовательно, момента при пуске (М_п = С_м I_я,п Ф). По мере разгона якоря реостат R_р вводится до достижения требуемой частоты вращения.

Пуск с ограниченным пусковым током возможен при питании якоря двигателя от отдельного источника (генератора, выпрямителя) с регулируемым напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от нуля до требуемого значения.

Рассматриваемый метод находит применение в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока (см. п.1.14.3).

Механические характеристики двигателей постоянного тока

Аналитическое выражение механической характеристики двига­теля постоянного тока можно получить из уравнения равнове­сия напряжений якорной цепи (при установившемся режиме)

где U — напряжение на зажимах двигателя, В; 1_Я — ток в цепи якоря, A; R_я — сопротивление цепи якоря, Ом; Ф — магнитный поток двигателя, Вб; ω — угловая скорость якоря, рад/с; с_д — коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя. Решив уравнение (3.1) относительно угловой скорости, по­лучим уравнение скоростной характеристики двигателя

Электромагнитный вращающий момент двигателя (Н • м) пропорционален магнитному потоку и току якоря:

Из уравнения (3.3) ток якоря

Подставив в уравнение (3.2) значение тока, выраженное уравнением (3.4), получим уравнение механической характери­стики двигателей постоянного тока независимо от способа воз­буждения

Рассмотрим механические характеристики двигателей посто­янного тока в зависимости от способа возбуждения.

Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения. Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения приведена на рис. 3.1, а. Обмотка возбуждения ОВ может быть подключена к той же сети, что и якорь, или к отдельному источнику тока (независимое возбуж­дение). В том и другом случае ток возбуждения не зависит от процессов, происходящих в якоре двигателя и при постоян­ном напряжении сети магнитный поток можно считать посто­янным Ф = const. Обозначив с_дФ=k_д и подставив его в уравне­ние (3.5), получим уравнение механической характеристики дви­гателя постоянного тока параллельного возбуждения

При М=0 угловая скорость якоря

называется скоростью идеального холостого хода.

Второй член уравнения (3.6) определяет изменение угловой скорости двигателя при изменении момента

Величина Δω зависит не только от момента, но и от сопро­тивления цепи якоря. С увеличением R_я величина Δω увеличивается. С учетом уравнений (3.7) и (3.8) уравнение (3.6) можно записать в виде

Из уравнений (3.6) и (3-.9) видно, что механическая харак­теристика двигателя параллельного возбуждения является пря­мой линией, тангенс угла наклона которой определяется величи­ной R_я/k_д 2

На рис. 3.1,6 приведены естественная и искусственные ме­ханические характеристики, полученные введением в цепь якоря реостата. Такие искусственные характеристики используются при пуске и торможении двигателя.

Двигатели постоянного тока последователь­ного возбуждения. Схема включения двигателя последо­вательного возбуждения приведена на рис. 3.2, а. Обмотка воз­буждения ОВ включена последовательно с якорем и по ней протекает ток якоря. Следовательно, магнитный поток двига­теля является функцией тока якоря. Эта зависимость выража­ется графически в виде кривой намагничивания, которая явля­ется нелинейной функцией и не имеет аналитического выра­жения. Поэтому нельзя получить аналитическую зависимость для механической характеристики.

Характерной особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что изменение магнитного потока с изменением тока якоря оказывает большое влияние на ско­рость двигателя. Это хорошо видно из уравнения скоростной характеристики

которое показывает, что с изменением магнитного потока ско­рость двигателя может изменяться в широких пределах.

Если для упрощения предположить, что магнитная цепь двигателя не насыщена и поток пропорционален току

то момент двигателя

Подставив в уравнение скоростной характеристики значе­ние Ф = Сф/я, получим

где R — внутреннее сопротивление цепи якоря, равное сумме сопротивлений обмоток якоря и возбуждения (R_я + r_я).

Заменив в уравнении ток якоря его выражением из (3.10), получим уравнение механической характеристики

Уравнение (3.12) представляет собой уравнение кривой, для которой ось ординат является асимптотой. Подобная характе­ристика представлена на рис. 3.2,6. Уравнение (3.12) дает лишь общее представление о механической характеристике двига­теля. При расчетах им пользоваться нельзя, так как аналити­чески учесть намагничивание стали невозможно. Как видно на рис. 3.2,6, механическая характеристика двигателя последова­тельного возбуждения — мягкая. При уменьшении нагрузки уг­ловая скорость резко возрастает, а при М = 0 она стремится к бесконечности. В реальных двигателях ток при холостом ходе не может быть равен нулю вследствие потерь в стали и механических потерь, но угловая скорость может достигнуть опасных по условиям механической прочности значений, равных (5÷6)ω_ном. Поэтому холостой ход для двигателей последова­тельного возбуждения недопустим.

Двигатели постоянного тока смешанного воз­буждения. Двигатели смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения (рис. 3.3). Магнитный поток двигателя определяется суммой потоков параллельной ОВ_пар и последова­тельной ОВ_пос обмоток:

Вследствие нелинейной зависимости магнитного потока от тока якоря аналитическое выражение механической характери­стики, так же как и для двигателя последовательного возбуж­дения, получить нельзя.

В зависимости от соотношения магнитных потоков обмоток возбуждения механические характеристики имеют различную жесткость. Чем больше доля магнитного потока последователь­ной обмотки, тем мягче характеристика. На рис. 3.3 приведены две естественные характеристики с различным соотношением магнитных потоков обмоток возбуждения. Обмотка параллельного возбуждения создает поток Ф_пар независимый от тока якоря, поэтому двигатель может работать вхолостую со ско­ростью