Как протекает процесс саморегулирования двигателя постоянного тока - Altarena.ru

Содержание

Саморегулирование электродвигателей постоянного тока
Ток. Частота вращения. Саморегулирование двигателей постоянного тока
Саморегулирование электродвигателей постоянного тока
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
01.11.2012
Регулирование частоты вращения, пуск, реверсирование и торможение электродвигателей постоянного тока
Видео

Саморегулирование электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим процесс саморегулирования двигателя постоянного тока при помощи логической цепочки:

М ↑→ ω↓→ Е↓ = с ωФ → М= сIФ↑ (11-1)

Словами: при увеличении механической нагрузки на валу (механического момента) скорость электродвигателя ω, а значит, значение противоэлектродвижущей силы (противо Э.Д.С. пропорциональная скорости и магнитному потоку Е= с ωФ) обмотки якоря двигателя уменьшаются, что приводит к увеличению тока якоря двигателя

и его электромагнитного момента

М= сIФ.

Сравнивая начало логической цепочки (увеличение механического момента) и её конец ( увеличение электромагнитного момента двигателя ), можно сделать вывод:

увеличение механического момента на валу автоматически привело к увеличению электромагнитного момента двигателя.

При этом скорость электродвигателя уменьшилась, а ток увеличился.

Аналогичную цепочку можно записать и для саморегулирования асинхронного двигателя переменного тока.

Такая взаимосвязь механической нагрузки на валу и электромагнитного момента двигателя объясняется действием закона сохранения энергии – чем больше нагрузка механизма, тем больше нагрузка электродвигателя.

Процесс саморегулирования двигателей постоянного тока протекает следующим образом.[гер.375]

Все ЭД обладают свойством саморегулирования, то есть автоматически создают вращающий момент равный моменту статического сопротивленияна валу двигателя при постоянной частоте вращения вала ЭД. Статистический момент сопротивления создается рабочим механизмом.

в результате их уравновешивания устанавливается угловая скорость вала двигателя

Если появилась нагрузка на механизме момент сопротивления механизма увеличился до значения :

Тогда в соответствии с известным уравнением механики вращательного движения:

где – момент инерции вращающихся масс, появляется отрицательное ускорение(так как) и скорость якоря, под действием отрицательного ускорения, начинает уменьшаться. Но вместе со скоростью уменьшается противо Э.Д.С.

(11-2)

и вращающий момент возрастают. Когда вращающий момент двигателя станет равным возросшему моменту сопротивления механизма

ускорение станет равным нулю.

Уменьшение скорости прекратится и установится новое значение скорости меньшее первоначальной:

При новой установившейся скорости момент определяется выражением

где значение тока якоря при новой установившейся скорости

следовательно, в работающем двигателе ток якоря

определяется моментом на валу и магнитным потоком возбуждения.

В двигателях постоянного тока, ток якоря зависит от момента нагрузки на валу и магнитного потока возбуждения, за счёт саморегулирования, с увеличением нагрузки на валу двигателя электромагнитный момент и ток якоря увеличиваются, а скорость уменьшается.

Источник

Ток. Частота вращения. Саморегулирование двигателей постоянного тока

Составим второе уравнение Кирхгофа для цепи якоря электродвигателя.

Эквивалентная схема замещения цепи якоря.

U – напряжение источника питания;

r_я – сопротивление проводников обмотки якоря;

E – ЭДС индукции наводимая в проводниках обмотки якоря при их движении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС направлена против тока якоря и называется противоЭДС.

;

Двигателям постоянного тока, как и всем двигателям присуще свойство саморегулирования. Свойство саморегулирования заключается в том, что двигатель самостоятельно развивает такой вращающий момент, который требует от него рабочая машина.

M_с – тормозной момент, момент сопротивления рабочей машины. Его физическая природа зависит от типа рабочей машины.

В соответствии со вторым законом Ньютона ускорение равно нулю.

Предположим, что под действием внешних факторов момент сопротивления увеличился M’_с > M_с. В этом случае под действием более высокого тормозного момента скорость двигателя будет уменьшаться. Уменьшение скорости вызовет уменьшение ЭДС индукции E. Уменьшение индукции приведет к увеличению тока якоря

Электромагнитный момент M_э увеличится. Вновь наступит равновесие M’_э = M’_с.

Саморегулирование закончиться при:

Однако при таком токе двигатель постоянного тока выйдет из строя из-за нарушения работы коллектора. Обычно двигатели постоянного тока рассчитываю таким образом, чтобы они кратковременно выдерживали ток I_я = (2-2,5)·I_ном.

Источник

Саморегулирование электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим процесс саморегулирования двигателя постоянного тока при помощи логической цепочки:

М ↑→ ω ↓→ Е ↓ = с ω Ф → М = с I Ф↑ (11-1)

Словами: при увеличении механической нагрузки на валу (механического момента) скорость электродвигателя ω , а значит, значение противоэлектродвижущей силы (противо Э.Д.С. пропорциональная скорости и магнитному потоку Е = с ω Ф) обмотки якоря двигателя уменьшаются, что приводит к увеличению тока якоря двигателя

I =

и его электромагнитного момента

М = с I Ф.

При этом скорость электродвигателя уменьшилась, а ток увеличился.

Аналогичную цепочку можно записать и для саморегулирования асинхронного двигателя переменного тока.

Процесс саморегулирования двигателей постоянного тока протекает следующим образом.[гер.375]

Все ЭД обладают свойством саморегулирования, то есть автоматически создают вращающий момент равный моменту статического сопротивления на валу двигателя при постоянной частоте вращения вала ЭД. Статистический момент сопротивления создается рабочим механизмом.

в результате их уравновешивания устанавливается угловая скорость вала двигателя

Если появилась нагрузка на механизме момент сопротивления механизма увеличился до значения :

Тогда в соответствии с известным уравнением механики вращательного движения:

где – момент инерции вращающихся масс, появляется отрицательное ускорение (так как ) и скорость якоря , под действием отрицательного ускорения, начинает уменьшаться. Но вместе со скоростью уменьшается противо Э.Д.С.

(11-2)

ускорение станет равным нулю.

Уменьшение скорости прекратится и установится новое значение скорости меньшее первоначальной :

При новой установившейся скорости момент определяется выражением

где значение тока якоря при новой установившейся скорости

следовательно, в работающем двигателе ток якоря

определяется моментом на валу и магнитным потоком возбуждения.

Источник

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

01.11.2012

Регулирование частоты вращения, пуск, реверсирование и торможение электродвигателей постоянного тока

Регулирование частоты вращения. Частоту вращения электродвигателей постоянного тока регулируют: введением резисторов в цепь якоря двигателя; изменением магнитного потока; изменением напряжения, приложенного к якорю электродвигателя.

В зависимости от способа регулирования частоты вращения получаются различные искусственные механические характеристики.

При введении резисторов в цепь якоря у двигателей с независимым и параллельным возбуждением магнитный поток не изменяется, следовательно, остается постоянной частота вращения идеального холостого хода n_x, но значение сопротивления вводимого резистора оказывает большое влияние на наклон механической характеристики, так как возрастает угловой коэффициент:

Рис. 2.3. Механические характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением

Изменение сопротивления цепи якоря для двигателя с последовательным возбуждением приведет к смещению характеристики вниз в сторону уменьшения n.

Магнитный поток электродвигателей можно изменить введением дополнительного резистора в цепь обмотки возбуждения, причем уменьшаются ток возбуждения и магнитный поток двигателя.

Изменение магнитного потока приводит к увеличению частоты вращения идеального холостого хода и изменению наклона механической характеристики у двигателей с независимым, параллельным и смешанным возбуждением.

Действительно, если Ф = Ф0, то для естественной характеристики

Таким образом, искусственная механическая характеристика, полученная при введении резистора в цепь обмотки возбуждения двигателя, располагается выше естественной (характеристика 2), частота вращения идеального холостого хода и наклон характеристики увеличиваются.

Изменение питающего цепь якоря напряжения при неизменном напряжении в цепи независимой обмотки возбуждения приводит у двигателей с независимым возбуждением к изменению частоты вращения идеального холостого хода при неизменном наклоне характеристики.

Следовательно, искусственная характеристика расположится ниже естественной и будет параллельна ей (характеристика 3). У двигателя, имеющего смешанное возбуждение, искусственная характеристика также будет ниже естественной.

Анализируя полученные механические характеристики электродвигателей постоянного тока, можно установить, что при одном и том же моменте на валу электродвигателя частота вращения его на разных характеристиках будет различной. Поэтому частоту вращения электродвигателей регулируют способами, используемыми для получения искусственных характеристик. Различают параметрическое и импульсное регулирование.

При параметрическом способе изменяется какой-либо параметр, который далее остается неизменным. Импульсное регулирование характеризуется периодическим ступенчатым изменением какого-либо параметра с определенной частотой.

Каждому из параметрических способов присущи свои особенности, определившие область их применения.

Введение резистора в цепь якоря приводит к уменьшению частоты вращения, причем эффективность регулирования тем больше, чем больше нагружен двигатель. Способ не экономичен из-за больших потерь энергии в дополнительном резисторе, но все же используется вследствие его простоты.

Введение резистора в цепь обмотки возбуждения приводит к увеличению частоты вращения. Этот способ экономичен, так как ток возбуждения составляет 2—5 % тока якоря и потери в резисторе невелики. Однако этот способ не позволяет получить частоту вращения двигателя меньше номинальной.

Изменение приложенного к якорю напряжения — наиболее удачный способ регулирования. Он экономичен и допускает регулирование частоты вращения в достаточно широких пределах при любых значениях нагрузки, но требует автономных источников питания с широким диапазоном изменения напряжения. Поэтому его целесообразно применять для электроприводов с частыми пусками и большим диапазоном регулирования частоты вращения электродвигателя (рулевые электроприводы, электроприводы оперативных лебедок земснарядов, гребные электрические установки и т.п.). Автономным источником питания может служить генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Напряжение можно регулировать с помощью управляемого выпрямителя или магнитного усилителя.
Из импульсных способов регулирования двигателей постоянного тока наиболее широкое распространение получил способ изменения времени включения приложенного к якорю напряжения при постоянной частоте включения. Этот способ называется широтно-импульсным. Среднее значение приложенного к якорю напряжения

Изменяя tp при постоянном Т (изменяя скважность), регулируют среднее значение приложенного к якорю двигателя напряжения и частоту вращения электродвигателя. Частоту включения обычно выбирают в пределах 500—1000 Гц. Возможен другой способ импульсного регулирования, когда время включения tр остается постоянным, а период Т изменяется. Такой способ принято называть частотно-импульсным.

Импульсное регулирование электродвигателей постоянного тока является перспективным для тех электроприводов, для которых применяется регулирование изменением приложенного к якорю напряжения. Основным недостатком этого способа является большое число включений, приводящих к появлению больших переходных токов и требующих специальной аппаратуры.

Пуск электродвигателей постоянного тока. Как известно из курса электротехники, вращающий момент электродвигателя при пуске

Пусковой ток может значительно превышать номинальный ток двигателя из-за отсутствия противо-э. д. с. в момент пуска.

При пуске все дополнительные резисторы в цепях независимой и параллельной обмоток возбуждения должны быть введены и последовательная обмотка не шунтирована.

Отечественная промышленность изготовляет электродвигатели, пусковой ток которых по условиям коммутации должен удовлетворять неравенству I_я.п≤2,5I_я.ном.

При этом наибольший пусковой момент двигателей с независимым и параллельным возбуждением при Ф = const будет также М_п≤2,5М_ном.

При таком же пусковом токе у двигателей со смешанным и последовательным возбуждением пусковой момент будет несколько больше вследствие увеличения магнитного потока, создаваемого последователь ной обмоткой, по сравнению с номинальным.

По мере увеличения частоты вращения двигателя растет противо- э.д.с., что приводит к уменьшению тока якоря

следовательно, будет уменьшаться вращающий момент двигателя.

Для обеспечения наиболее быстрого разгона двигателя необходимо поддерживать при пуске момент и ток якоря в определенных пределах.

Различают следующие способы пуска электродвигателей постоянного тока: прямой, с ограничением пусковых токов вследствие изменения сопротивления цепи якоря и импульсный.

Прямой пуск осуществляется непосредственно включением двигателя на полное напряжение сети при отсутствии добавочных элементов в цепях якоря и возбуждения. Преимуществами этого способа являются его простота и отсутствие дополнительной пусковой аппаратуры, недостатком — большой ток в цепи якоря в первоначальный момент пуска, что вызывает искрение на коллекторе, возникновение значительного момента на валу двигателя и колебания напряжения в судовой сети. Прямой пуск применяют для двигателей постоянного тока мощностью не более 1,5 кВт.

Рис. 2.4. Пуск двигателя постоянного тока

Параметрический пуск основан на предварительном изменении какого-либо параметра двигателя, ограничивающего пусковой ток, с последующим его приведением в процессе пуска к значению соответствующему номинальному режиму.

Для двигателей небольшой мощности применяют пуск с помощью реактора L, включенного последовательно в цепь якоря двигателя (рис. 2.4, а). При правильно подобранной индуктивности реактора время нарастания тока, определяемое электромагнитной постоянной времени электрической цепи,

соизмеримо с временем разгона электродвигателя, что значительно снижает пик пускового тока. Недостатками этого способа являются большие габаритные размеры и масса пускового реактора.

Наибольшее применение получил реостатный способ пуска, при этом способе в цепь якоря для ограничения пусковых токов включают дополнительный реостат (рис. 2.4, б), состоящий из трех-четырех резисторов. По мере разгона электродвигателя секции реостата поочередно закорачивают.

В некоторых случаях пользуются способом пуска, основанным на ступенчатом или плавном изменении напряжения, приложенного к якорю двигателя, от нуля до номинального значения. Этот способ возможен при питании якоря электродвигателя от отдельного источника с регулируемым напряжением. В качестве такого источника могут быть использованы генератор постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемый трансформатор с выпрямителем, трансформатор с управляемым выпрямителем.

При импульсном пуске, так же как и при импульсном регулировании частоты вращения, может быть использован как широтно-импульсный, так и частотно-импульсный способ. В том и другом случае пуск осуществляется изменением скважности от нуля до номинального значения.

Реверсирование электродвигателей постоянного тока. Реверсирование— изменение направления вращения на противоположное. Для реверсирования необходимо изменить направление вращающего момента М = С_мФI_я, что возможно осуществить изменением направления тока в якоре электродвигателя или изменением направления магнитного потока путем изменения направления тока в обмотках возбуждения.

Для двигателей с независимым и параллельным возбуждением предпочтительнее первый способ по сравнению со вторым по сле-дующим причинам:

во-первых, при размыкании обмотки возбуждения, предшествующем ее переключению, возникает значительная э. д. с. самоиндукции

затрудняющая процесс коммутации и увеличивающая вероятность пробоя изоляции;

во-вторых, при реверсировании двигатель сначала необходимо остановить, а затем он начинает вращаться в обратную сторону. Но уменьшение магнитного потока вызовет не уменьшение, а увеличение частоты вращения.

Для двигателей со смешанным возбуждением реверсирование изменением направления магнитного потока еще более затруднено по сравнению с двигателем с параллельным возбуждением, так как у него необходимо переключать две обмотки возбуждения. Для двигателей с последовательным возбуждением оба способа равноценны.

Торможение электродвигателей постоянного тока. При режиме торможения электромагнитный момент на валу электродвигателя направлен в сторону, противоположную направлению вращения.

Режимы торможения используются, когда необходимо: остановить электропривод, вращающийся по инерции; остановить электропривод, вращающийся под действием момента, создаваемого рабочей машиной, например: под действием опускаемого подъемным краном груза; замедлить вращение электропривода при воздействии момента, создаваемого рабочей машиной.

Чтобы осуществить режим торможения электродвигателя, нужно изменить направление вращающего момента на его валу, при этом двигатель переходит в генераторный режим работы. В зависимости от использования энергии различают три вида торможения: рекуперативное, динамическое и противовключением. Рекуперативное торможение сопровождается возвратом энергии в питающую сеть. При динамическом торможении и торможении противовключением энергия превращается в тепловую в элементах цепи якоря двигателя.

Торможение с отдачей энергии в сеть, или рекуперативное торможение, наступает, тогда, когда электродвигатель под действием момента рабочей машины (идущий под уклон железнодорожный состав, опускающийся на подъемном кране груз) разгоняется до частоты вращения, превышающей частоту вращения идеального холостого хода. В этом случае э.д.с. якоря будет больше напряжения в сети, ток изменит свое направление и машина будет работать в режиме генератора, отдавая энергию в сеть. При этом направление вращения двигателя не изменится. Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением О (рис. 2.5) при торможении с отдачей энергии в сеть будет являться продолжением характеристики

Рис. 2.5. Механические характеристики двигателя постоянного тока при рекуперативном торможении

в область отрицательных моментов. Область режима торможения обозначена цифрой II, область двигательного режима — цифрой I.

У двигателей со смешанным возбуждением при переходе в режим торможения ток в последовательной обмотке меняет свое направление, и поэтому она противодействует параллельной обмотке, размагничивая машину и уменьшая момент торможения (штриховая линия). Во избежание этого последовательную обмотку закорачивают или отключают (характеристика I).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут работать в режиме торможения с отдачей энергии в сеть, так как с увеличением частоты вращения ток двигателя уменьшается и он размагничивается. Его э.д.с. никогда не может быть больше напряжения в сети.
Динамическое торможение осуществляют отключением якоря от сети и замыканием его на резистор. Различают два вида динамического торможения: с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Рис. 2.6. Схемы включения и механические характеристики двигателей при динамическом торможении

При торможении двигателей с независимым и параллельным возбуждением применяют торможение с независимым возбуждением (рис. 2.6, а).

Рис. 2.7. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением при торможении противовключением

В этом случае якорь Двигателя отключается от питающей сети и включается на тормозной резистор R1, обмотка возбуждения остается включенной в сеть.

У двигателя со смешанным возбуждением последовательная обмотка отключается или закорачивается.

Торможение двигателя с последовательным возбуждением при питании обмотки возбуждения от сети (рис. 2.6, б) более эффективно, чем торможение с самовозбуждением (рис. 2.6, в), однако для ограничения тока в обмотке необходимо ее подключать через дополнительный резистор R2, мощность рассеяния которого должна равняться мощности электродвигателя

Уравнение механической характеристики при динамическом торможении (при U = 0)

При Ф = const (независимое возбуждение) оно представляет собой уравнение прямой линии.

При самовозбуждении в связи с изменением магнитного потока характеристика искривляется, а при некотором значении частоты вращения самовозбуждение и торможение двигателя прекращаются.

На рис. 2.6, г показаны механические характеристики для динамического торможения: 0 — для торможения с независимым возбуждением; 1 — для торможения с самовозбуждением. Штриховой линией показан участок, на котором торможение прекращается.

Торможение противовключением производится быстрым реверсированием двигателя по ходу, когда якорь по инерции продолжает вращаться в одном направлении, а обмотки включаются на противоположное. При этих режимах знаки пх и п противоположны, э. д. с. якоря двигателя совпадает по направлению с напряжением и ток якоря

так как в начале торможения Е ≈ U, сопротивление резистора R₁ необходимое для ограничения тока до допустимых пределов, должно быть примерно в 2 раза больше пускового сопротивления двигателя. Механическая характеристика при этом способе торможения двигателя с параллельным возбуждением приведена на рис. 2.7 (характеристика 2).

Если двигатель предварительно работал с М₁>0 и n₁>0 на характеристике 1, то при торможении противовключением уравнение механической характеристики будет

При быстром реверсировании частота вращения двигателя не успеет измениться и режим торможения будет соответствовать точке с моментом М₂ и частотой вращения n₁ на характеристике 2.

Из рис. 2.7 видно, что при торможении противовключением в момент остановки двигателя (n = 0) момент на его валу не обращается в нуль. Поэтому после остановки двигатель может начать вращаться в обратную сторону. Во избежание этого двигатель после остановки должен быть отключен от сети.

Источник