СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 3.1, а. На рис. 3.1 приняты обозначения: I и IВ – токи якоря и обмотки возбуждения ОВ; Е–ЭДС якоря; w и М–скорость и момент двигателя; Rви Rд – соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать); – полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоря rо, я, дополнительных полюсов rд, п, компенсационной rк, о и щеточного контакта rщ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения,
хотя во многих случаях используется только один источник
Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.
В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде
(3.1)
(3.2)
(33)
где – полное сопротивление цепи якоря, Ом;
Ф – магнитный поток ДПТ, Вб; w – угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с; k=рN/(2pа) – конструктивный коэффициент ДПТ; р – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки якоря.
Подставляя (3.2) в (3.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ
(3.4)
Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (3.4) заменой в нем тока на момент по выражению (3.3)
(3.5)
В соответствии с (3.4) и (3.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (3.4) и (3.5) представляются в следующей форме записи:
, (3.6)
где – скорость идеального холостого хода двигателя,
; (3.6 а)
Dw – перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода,
.
На рис. 3.1, б показаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряжения U, причем поскольку kФ=const, то М~I и характеристики представлены совмещенными линиями.
На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (3.4) и (3 5) при U=0
; (3.7)
(3.8)
Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 3.2 Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети.
Полученные выражения (3.4) и (3.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря Rд, магнитного потока Ф и напряжения U, подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются
Энергетический режим работы двигателя зависит от механических М, w и электрических Е, I координат двигателя, определяющих его механическую и электромагнитную мощности.
В табл. 3.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов – двигательного и генераторного и двух граничных режимов – холостого хода и короткого замыкания.
Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента – нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания – равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.
Основываясь на данных табл. 3.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 3.1, б при положительной полярности U.
1. Режим холостого хода имеет место в точке А, где I=0, М=0, w=w0 и E=U=kФw0 . Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 3.3, а.
Таблица 3.1
Режим
Координаты
механические
электрические
Двигательный
М>0; w>0
М<0; w<0
Е<0; I>0
E>0; I<0
Генераторный
М>0; w<0
М<0; w>0
E>0; I>0
Е<0; I<0
Холостой ход
М=0; w=w0
E=U; I=0
Короткое замыкание
M=Mк,з;w=0
E=0; I=Iк,з
2. Двигательный режим имеет место на участке I при 0<w<w0, т.е. в первом квадранте, где w и М совпадают по направлению. В этом режиме |Е| <|U|, ток I=(U–E)/R совпадает по направлению с U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия ЭЭ (рис. 3.3, б) поступает из сети, а механическая энергия МЭ отдается с вала ДПТ.
3. Генераторный режим работы ДПТ параллельно с сетью, или режим рекуперативного торможения, имеет место на участке II. На участке II w>w0, поэтому ЭДС становится больше напряжения сети, ток и момент изменяют свое направление на противоположное. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (рис. 3.8, в).
4. Режим короткого замыкания наступает при w=0, E=0. В этом режиме согласно (3.1) I= Iк,з=U/R, электрическая энергия ЭЭ (рис. 3,3, г), поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как w=0.
5. Режим генератора последовательно с сетью, или режим торможения противовключением, наступает при w<0 (участок III характеристики). За счет изменения направления скорости изменяется направление ЭДС, которая теперь совпадает по направлению с напряжением сети. Двигатель оказывается включенным последовательно с сетью, ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е. . В результате этого электрическая энергия поступает из сети (рис. 3.3, д) и вырабатывается самим ДПТ за счет поступающей на его вал механической энергии. Электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. По этой причине рассматриваемый режим в тепловом отношении является для ДПТ наиболее трудным, так как связано необходимостью рассеивания в виде тепла значительного количества энергии.
6. Режим генератора независимо от сети, или режим динамического торможения, имеет место при отключении якорной цепи ДПТ от сети и закорачивании ее на добавочный резистор или накоротко (отметим, что закорачивание накоротко якоря электрической машины не означает для нее режима короткого замыкания). Ток в якоре протекает под действием ЭДС и совпадает с ней по направлению, электрическая энергия ЭЭ (см. рис. 3.3, е), вырабатываемая за счет механической энергии, поступающей с вала, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи.