Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Параметры, которые позволяют регулировать скорость двигателя постоянного тока независимого возбуждения, можно определить из (2.3) через выражение

, (3.3)

которое показывает, что регулирование скорости двигателя можно осуществить тремя способами (параметрами):

- введением добавочного сопротивления в цепь якоря R;

- изменением магнитного потока двигателя Ф;

- изменением подводимого к якорю двигателя напряжения U.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя переводит его работу на искусственную характеристику, которая имеет больший наклон. При этом способе регулирования уменьшается жесткость механической характеристики, следовательно, и стабильность работы двигателя на соответствующей скорости. Регулирование скорости осуществляется в сторону ее уменьшения от номинальной. Плавность регулирования при этом зависит от числа ступеней регулировочного устройства. Из-за смягчения механических характеристик двигателя любое изменение нагрузки на валу сопровождается более значительными колебаниями скорости, создавая нестабильную работу двигателя (рис.3.1). При изменении момента на величину ΔМ изменение скорости будет большим на искусственной характеристике (Δω₂>Δω_1, рис.3.1). Работа двигателя с добавочным сопротивлением в цепи якоря сопровождается значительными потерями энергии на дополнительное сопротивление, в связи с чем данный способ является неэкономичным. Снижение жесткости характеристик и увеличение потерь ограничивают диапазон регулирования данным способом до 2,5:1.

 

Рис.3.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при регулировании скорости изменением сопротивления якорной цепи, где ω_Е, ω_И – угловая скорость соответственно на естественной и искусственной характеристиках

 

Изменение магнитного потока в двигателе производится током в обмотке возбуждения. Этим способом можно регулировать скорость вращения двигателя с высокой плавностью и экономичностью, т.к. регулировочные сопротивления, включаемые в цепь возбуждения, потребляют незначительную мощность (2,0…2,5% от Р_н) и выполнение их с большим числом ступеней переключения не представляет затруднений.

Принципиальные схемы электропривода при регулировании тока возбуждения показаны на рис.3.2. Ток возбуждения регулируется с помощью реостата R_в (рис.3.2 а) у двигателей малой мощности или посредством регулятора напряжения (РН) у двигателей большой мощности (рис.3.2 б). На рис.3.3 приведены механические характеристики двигателя при регулировании скорости изменением тока возбуждения. Анализ механических характеристик на рис. 3.3 показывает, что ослабление магнитного потока вызывает увеличение скорости, т.е. регулирование осуществляется «вверх» от номинальной величины.

Верхний предел скорости ограничивается в основном условиями коммутации и механической прочностью якоря. В результате этого диапазон регулирования скорости двигателей данным способом находится в пределах от 2:1 до 5:1, а в ряде случаев до (8..10):1.

Рис.3.2. Принципиальные схемы электропривода при регулировании скорости изменением магнитного потока с помощью реостата (а) и регулятора напряжения (б)

Рис.3.3. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при регулировании скорости током возбуждения (магнитным потоком)

Изменением подводимого к якорю напряжения можно регулировать скорость вращения двигателя в специальных системах электропривода. Рассмотрим одну из таких систем – систему «генератор - двигатель» (Г-Д). Принципиальная схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по системе «Г-Д» представлена на рис.3.4. Система «Г-Д» состоит из асинхронного двигателя М1, который вращает генератор постоянного тока М2, и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением М3, получающего питание непосредственно от генератора М2. Напряжение генератора регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора (ОВГ). Обмотки возбуждения двигателя ОВД и ОВГ получают питание от независимого источника постоянного тока (=U) на рис.3.4.

Согласно схеме у системы “Г-Д” величина напряжения на зажимах двигателя М3

U=E_Г -IR_ЯГ=kФ_Гω_АД -IR_яГ , (3.4)

где Е_Г – ЭДС генератора; R_ЯГ – сопротивление якоря генератора; Ф_Г – магнитный поток возбуждения генератора; ω_АД – угловая скорость вращения асинхронного двигателя и генератора М2.

 

Рис.3.4. Схема включения двигателя постоянного тока M3 независимого возбуждения по системе «Г-Д» при регулировании скорости двигателя изменением подводимого к его якорю напряжения или изменением его магнитного потока

 

Основным достоинством этой системы является плавность регулирования скорости двигателя М3, которая достигается воздействием на возбуждение генератора М2. Система «Г-Д» может обеспечить двухзонное регулирование скорости: вниз от основной скорости за счет изменением ЭДС генератора при постоянном магнитном потоке двигателя и вверх от основной величины скорости - регулированием тока возбуждения двигателя М3 при постоянной, равной номинальному значению, ЭДС генератора М2. Кроме того, в системе «Г-Д» удобно и просто осуществляются пуск, торможение и реверс двигателя М3.

Механические характеристики двигателя М3 при регулировании скорости вращения по системе «Г-Д» с поддержанием постоянной заданной скорости вращения рабочей машины РМ представлены на рис.3.5.

При изменении момента сопротивления в пределах М_с±ΔМ скорость двигателя остается постоянной благодаря переходу двигателя на искусственные механические характеристики за счет изменения напряжения на якоре двигателя.

Рис.3.5. Механические характеристики двигателя М3 при регулировании скорости по системе «Г-Д» с поддержанием постоянной заданной скорости у рабочей машины

 

Применение комбинированного регулирования скорости двигателя изменением напряжения и магнитного потока позволяет расширить диапазон регулирования до 30:1.

Благодаря широкому диапазону, высокой плавности и экономичности регулирования скорости, система «Г-Д» получила распространение в электроприводе металлорежущих станков, подъемных установок и др.

К недостаткам системы «Г-Д» относятся:

1) необходимость в трехкратном преобразовании энергии (электрическая энергия переменного тока преобразуется в механическую, механическая вновь в электрическую постоянного тока, и эта электрическая – в механическую), что приводит к значительному снижению общего КПД системы;

2) наличие трех электрических машин в системе;

3) значительные габариты и масса установки, необходимость в фундаменте для преобразовательного агрегата;

4) высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы.