Теория автоматизированного электропривода. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения - файл n1.doc

Теория автоматизированного электропривода. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения
Скачать все файлы (1236 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc1236kb.01.04.2014 05:35скачать

n1.doc

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Казахский государственный агротехнический университет им.С.Сейфуллина

Кафедра эксплуатации электрооборудования
Теория автоматизированного электропривода

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

(электронное учебное пособие для студентов

энергетических специальностей)

Астана 2005


УДК 621.313.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
2. Теоретическая часть.
За счет высокой перегрузочной способности двигатель находит промышленное применение и широко используется на тяге (электровоз, трамвай, троллейбус), в грузоподъемных механизмах (краны металлургического производства), стартер автомобиля и других отраслях промышленности.

О
сновной особенностью сериесной машины (рис. 2.1) является то, что поток машины зависит от величины нагрузочного тока В общем случае кривая намагничивания

Рис. 2.1

машины является нелинейной функцией.

Получим уравнение механической характеристики машины считая, что поток Ф машины пропорционален якорному току двигателя, т.е. пренебрегаем насыщением машины. Будем использовать уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

(1)

Используя выше изложенное допущение о пропорциональности, имеем соотношение для момента машины:

(2)

где - коэффициент пропорциональности.

Поток Ф машины, определенный из соотношения (2) имеет значение .

Подставляя поток Ф в соотношение (1) получаем уравнение механической характеристики сериесного двигателя:

(3)

Из анализа (3) следует, что допуская пропорциональность потока Ф машины и якорного тока Iя двигателя следует, что механическая характеристика двигателя представляет собой гиперболу (рис. 2.2). При малых нагрузочных токах (момента) резко возрастает скорость вращения  двигателя . По ГОСТу допустимое превышение скорости составляет величину порядка .

Рис. 2.2

Заштрихованная область является запрещенной зоной работы, поэтому чтобы двигатель не ушел в нерабочую зону по ГОСТу запрещены клиноременные передачи в механической части привода, а предусматривается жесткое механическое соединение двигателя с объектом автоматизации. Исходя из вида механической характеристики (рис. 2.2) видно, что двигатель не может перейти на режим работы во второй квадрант (режим рекуперации) при нормальной схеме включения

(рис. 2.1). Для перевода машины в режим рекуперации используются специальные схемы включения. Поскольку механическая характеристика машины является нелинейной, то основными методами расчета пускорегулирующей аппаратуры являются графические и графоаналитические методы расчета.

Тормозные режимы работы


В общем случае возможны три вида тормозных режимов: рекуперация, противовключение и динамическое торможение.

Для нормальной схемы включения невозможен режим рекуперации, поскольку машина не может перейти на режим работы во второй квадрант. Для осуществления режима используются специальные схемы включения- так называемые сложные схемы включения.

П
ротивовключением называется режим, когда двигатель вращается в сторону противоположную развиваемого им момента. Осуществляется включением значительного сопротивления в якорную цепь. Зоны режима противовключения показаны на рис. 2.3 во втором и

Рис. 2.3

четвертом квадрантах. Недостатком этого режима является то, что двигатель может изменить направление вращения и имеет мягкую механическую характеристику. Для устранения самопроизвольного реверса в области нулевых скоростей на вал двигателя накладываются механические тормоза.

Динамическое торможение


Динамическое торможение двигателя осуществляется отключением якорной цепи от источника питания и шунтированием ее тормозным сопротивлением Rт (рис. 2.4).


По аналогии с машиной постоянного тока независимого возбуждения видно, что при увеличении тормозного сопротивления механическая характеристика располагается ниже (рис. 2.5). При работе с малыми моментами машина становится неустойчивой, это показано пунктиром на рис. 2.5.





Рис. 2.4

Рис. 2.5

Реверс направления вращения


Реверс машины осуществляется переключением полярности либо якорной обмотки, либо сериесной обмотки возбуждения. Упрощенная принципиальная схема приведена на рис. 2.6.

Механические характеристики

располагаются во втором и четвертом квадрантах

рис. 2.7. Изменение полярности напряжения на якоре машины осуществляется с помощью релейно-контакторной части системы или на бесконтактных элементах.


Рис. 2.6

Рис.2.7

Пусковой режим машины

В момент запуска машины противо-ЭДС двигателя имеет нулевое значение, что определяет бросок якорного тока превышающий во много раз номинальный ток Iн двигателя, который уменьшается до предельно допустимого значения введением добавочного сопротивления Rдоб в якорную цепь машины (рис.2.8). По мере разгона двигателя появляется противо-ЭДС, уменьшается якорный ток. Плавно выводя сопротивление Rдоб из якорной цепи осуществляется работа двигателя на естественной характеристике (Rдоб=0).

Рис. 2.8

Д
иаграмма запуска сериесной машины представлена на рис. 2.9.



Рис. 2.9

При введении Rдоб2 в якорную цепь двигатель разгоняется на искусственной характеристике.

Если не принять мер по выведению сопротивления Rдоб2, то разгон привода закончится в точке 3 поскольку динамический момент Мдин будет равен нулю и двигатель потеряет способность к последующему разгону. Поэтому в точке 2 когда момент машины достигнет значения М2=(1,051,1)Мн часть сопротивления Rдоб выводится из якорной цепи. Вывод сопротивления осуществляется релейно-контакторной частью системы управления в функции тока, скорости или времени. Двигатель переходит на работу на более жесткую механическую характеристику (Rдоб1) и разгоняется по участку характеристики 4-5. В точке 5 осуществляется шунтирование всего сопротивления Rдоб—двигатель переходит на работу на естественную характеристику (7-8) и разгон привода заканчивается в точке 8. В отдельных случаях число ступеней сопротивления может быть отличное от двух (рис.2.9). Заметим, что на отдельных участках разгона скорость двигателя составляет соответственно величины 1, 2, н. В левой части рис. 2.9 показана полная кривая разгона машины =f(t).
Методы расчета искусственных механических характеристик

В виду нелинейных механических характеристик основными методами расчета являются графический и графоаналитический методы:


При расчетах искусственных механических характеристик по первому методу пользуемся семейством механических характеристик в относительных единицах представленном для различных сопротивлений  %. Для пользования методом переводим семейство из относительных единиц (рис. 2.10) в абсолютные используя номинальные значения н и Мн. На

рис. 2.10 величина  % соответствует относительному значению сопротивления в процентах от

.
При синтезе сопротивления этим способом: наносится требуемая точка А. Интерполируя определяется %, а затем и добавочное сопротивление включаемое в якорную цепь двигателя для реализации заданного скоростного режима точки А.

Рис. 2.10
Метод сопротивлений (метод Аронова)

По этому методу электромеханическая характеристика сериесной машины представляется в координатах =f(R). Обозначая соответственно Rя, Rдп, Rобм, Rдоб—сопротивление якоря двигателя, сопротивление дополнительных полюсов двигателя, сопротивление сериесной обмотки возбуждения, добавочное сопротивление в якорной цепи имеем

(4)

Из соотношения следует, что уравнением электромеханической характеристики двигателя в координатах =f(R) является прямая линия при постоянстве нагрузочного тока I. В соотношении (4) обозначено: ;

; .

Для пользования методом в первом квадранте наносится естественная электромеханическая характеристика машины. По ней отмечаются точки 1, 2, 3 принадлежащие естественной характеристике при расчетных токах I1, I2, I3. Количество величин токов определяет точность расчетов искусственных механических характеристик. Во втором квадранте в координатах =f(R) строятся электромеханические характеристики при постоянстве токов I1=const, I2=const, I3=const. Откладывается величина сопротивления Rд в масштабе и через нее проводится вертикаль. Точки 1, 2, 3 сносятся во второй квадрант и получаем точки 4, 5, 6. Откладывается величина сопротивлений R1, R2, R3 в масштабе, вычисленные по соотношениям. ;; и наносятся точки 7, 8, 9, соответствующие якорным токам I1=const, I2=const, I3=const. Соединяются точки прямыми 4-7, 5-8, 6-9, соответствующие режимам I1=const, I2=const, I3=const. Для построения искусственной электромеханической характеристики при введении в якорную цепь машины добавочного сопротивления Rдоб откладывается величина Rдоб от значения сопротивления Rд и через полученную точку проводится вертикаль. При пересечении вертикали с прямыми линиями I1=const, I2=const, I3=const получаем соответствующие точки 10, 11, 12, снося которые в первый квадрант получаем точки 13, 14, 15, принадлежащие искусственной механической характеристике с величиной добавочного сопротивления Rдоб. Описанные графические построения представлены на рис. 2.11.

Граничной механической характеристикой называется характеристика которую имел бы двигатель при отсутствии сопротивления якорной цепи Rд=0. Определяя пересечение прямых


Рис.2.11

I1=const, I2=const, I3=const с вертикальной осью получаем точки 16, 17, 18. Сносим точки 16, 17, 18 в первый квадрант и при токах I1, I2, I3 определяем точки 19, 20, 21, которые образуют граничную характеристику. Граничная характеристика располагается выше естественной.
Метод граничной характеристики

Граничной характеристикой двигателя постоянного тока независимого возбуждения является характеристика двигателя, которую он имел бы, если бы у него сопротивление якорной цепи Rд было равно нулю. В этих условиях граничная характеристика располагается выше естественной. При пренебрежении величиной Rд имеем соотношения для скорости двигателя , на граничной характеристике гран, на естественной естес и искусственной искус характеристиках.

(5) (6) (7)

(8)

(9)

По граничной характеристике (6) рассчитывается соотношение kФ. В соотношениях (8) и (9) обозначено: Eе, Еиск – соответственно противо-ЭДС двигателя на естественной и искусственной характеристиках. По соотношениям (8)-(9) определяется расчетное уравнение (10) искусственной механической характеристики.


(10)

Последовательность расчета искусственной механической характеристики следующая:
Рис. 2.12

  1. По естественной механической характеристике задаемся расчетными токами I1, I2, I3 (точек 5). Число расчетных точек определяет точность расчета искусственной механической характеристики. Естественная характеристика из относительных единиц переводится в абсолютные единицы.

  2. По значениям токов I1, I2, I3 определяем и т.д., по естественной характеристике.

  3. Находим противо-ЭДС на естественной характеристике и т.д. по соотношениям , .

  4. Находится противо-ЭДС на искусственной характеристике и т.д. по соотношениям , .

  5. Рассчитываем скорости на искусственной характеристике по соотношениям:

и т.д. , .

  1. Наносятся эти точки в координатах =f(Iя), соединяя которые получаем искусственную механическую характеристику.


Метод переходной характеристики

Метод переходной характеристики является дальнейшим развитием метода граничной характеристики. Из метода граничной характеристики имеем расчетное соотношение

.
Перенеся е из числителя в знаменатель, получаем

. (11)
Переходной характеристикой называется характеристика

(12)
Для пользования методом переходная характеристика один раз выстраивается для машины. Для расчета переходной характеристики по естественной характеристике, заданной в относительных единицах, строится естественная характеристика в абсолютных величинах. Назначаются расчетные токи I1, I2, I3 и находятся скорости соответствующие скорости по естественной характеристике. Н
аходится противо-ЭДС двигателя для каждой расчетной точки.



Определяется отношение для каждой расчетной точки , , и строится переходная характеристика , имеющая вид кривой намагничивания


Рис. 2.13

Для пользования методом по расчетному соотношению (11) поступаем следующим образом:

Для тех же значений расчетных токов I1, I2, I3 находится противо-ЭДС на искусственной характеристике , ,

.

Для тех же расчетных токов I1, I2, I3 по переходной характеристике определяется .

Н
а искусственной характеристике для тех же значений токов I1, I2, I3 определяются скорости

.


Строится искусственная характеристика:

Рис. 2.14

Регулирование скорости двигателя в сложных схемах включения


При регулировании скорости двигателя находят применение сложные схемы включения:

а) Шунтирование двигателя

В этом случае двигатель с шунтирующим его сопро­тивлением подключен к сети через общее последовательное сопротивление Rп.

На рис. 2.15 приведена схема включения двигателя и механиче­ские характеристики при различных значениях сопротивлений Rп и Rш представлены на рис. 2.16.

Механические характеристики при Rш= и

Рис. 2.15

Rп, изменяющемся от Rп=0 до Rп=, являются обычными характеристиками сериесного двигателя при нормальной схеме включения. Вид этих характеристик и влияние последовательного сопротивления подробно рассмотрены выше.

Рассмотрение механических характеристик при шунтировании дви­гателя позволяет сделать следующие заключения:

  1. механические характеристики при различных сочетаниях шун­тирующего и последовательного сопротивлений сохраняют вид естест­венной характеристики и при малых моментах стремятся к очень вы­соким скоростям;

  2. увеличение последовательного сопротивления ведет к уменьше­нию напряжения, приложенного к двигателю, и понижает скорость вращения при заданном значении момента;

  3. увеличение последовательного сопротивления ведет к возраста­нию крутизны характеристики, т. е. к большему изменению скорости при росте момента;

  4. шунтирующее сопротивление уменьшает крутизну характеристик при больших нагрузках, но оказывается мало эффективным при малых моментах;

  5. торможение противовключением возможно как для потен­циального, так и для реактивного момента только при наличии зна­чительного последовательного со­противления, обеспечивающего пе­реход характеристик из первого в четвертый или из третьего во второй квадрант.

Х
арактеристики при Rп= и Rш соответствуют режиму электродинамического торможения с самовозбуждением.
Рис. 2.16

б) Шунтирование якоря двигателя

Упрощенная принципиальная схема приведена на рис. 2.17.

Наличие сопротивления, шун­тирующего только обмотку якоря, создает возможность протекания тока по обмотке возбуждения при отсутствии последнего в цепи яко­ря. Это обстоятельство не только обеспечивает возможность работы при холостом ходе, но в известных пределах даже позволяет иметь режим генераторного торможения. Увеличение магнитного потока за счет влияния тока шунтирующего контура, а

Рис. 2.17

также дополнительное падение напряжения от этого тока в последовательном сопротивлении приводят к значительному сни­жению скорости (рис. 2.18).

Уменьшение величины шунтирующего сопротивления сдвигает характеристику вниз и влево во второй квадрант. «Скорость идеаль­ного холостого хода» будет иметь место, когда э. д. с. якоря станет равной падению напряжения в шунтирующем сопротивлении, созда­ваемому током, протекающим по этому сопротивлению, обмотке воз­буждения и последовательному сопротивлению. При дальнейшем повышении скорости якорь совместно с сетью начинает питать шунтирующий контур, отчего ток в нем увеличивается. Результатом этого является увеличение падения напряжения на зажимах шунтирующего сопротивления и, как следствие, ослабление магнитного потока. По­этому при некоторой скорости тормозной момент достигает максимума, а затем с увеличением скорости начинает уменьшаться. Приведенные на рис. 2.х характеристики показывают, что уменьшение шунти­рующего сопротивления снижает пусковой момент и крутизну харак­теристики в двигательном режиме. В этом случае торможение противовключением не применимо, так как оно дает чрезмерно большие значения тормозного момента. В зоне динамического торможения ха­рактеристики имеют значительную крутизну.

Рис. 2.18

в) шунтирование обмотки возбуждения

Рассмотренные выше схемы в основном имели целью понижение скорости вращения и получение нужного вида механической характе­ристики. В практике иногда встречается необходимость получения скоростей вращения сериесного двигателя, превышающих номинальную. При постоянном напряжении сети

Рис.2.19

э
то может быть полу­чено за счет ослабления магнитного потока. В двигателях последо­вательного возбуждения ослабление магнитного потока достигается посредством шунтирования обмотки возбуждения сопротивлением Rш. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.19. Механические характеристики, полу­чаемые в этом случае, приведены на рис. 2.20. В случае Rш= будем иметь нормальную схему включения двигателя, так как при этом Iя =Iв. При Rш< ток в обмотке возбуждения равен . Поэтому при шунтировании обмотки возбуждения магнитный поток будет меньше, чем при работе по нормальной схеме включения двигателя. Следовательно, скорость будет выше. Общий вид механической характеристики сохранится, но вся она сместится в сторону больших скоростей.

Рис. 2.20

г) параллельное включение якоря и обмотки

В ряде случаев двигатель последовательного возбуждения может работать при параллельном включении обмоток возбуждения и якоря, но, конечно, при наличии соответствующих добавочных сопротивлений. При этом ток обмотки возбуждения должен быть по величине близок к номинальному; по этой причине сопротивление, включенное после­довательно с обмоткой возбуждения, будет потреблять значительное количество энергии.

Рис. 2.21

На рис. 2.21 приведена схема подобного параллельного соединения обмоток двигателя. Механические характеристики при различных значениях добавочных сопротивлений показаны на рис. 2.22. При отсутствии последова­тельного сопротивления, т. е. при Rп=0, сопротивление в цепи обмотки возбуждения Rш служит только для ограничения тока воз­буждения. В этом случае двигатель работает с независимым возбуждением. Соответствующие характеристики представляют собой прямые линии. Уменьшение сопротивления Rш ведет к уменьшению скорости вращения и крутизны характеристики.

В случае Rп0 якорь двигателя оказывается подключенным к части делителя напряжения, образованного сопротивлениями Rш и Rп. Параллельный контур возбуждения обеспечивает наличие магнитного потока при токе якоря, равном нулю, благодаря чему существует скорость идеального холостого хода и возможность пере­хода из двигательного режима в генераторный с отдачей энергии в шунтирующую цепь.

Скорость идеального холостого хода определяется величиной сопротивления Rш в цепи обмотки возбуждения. При малом значении этого сопротивления ток возбуждения будет большой, а напряжение на якоре невелико. Поэтому скорость идеального холостого хода будет мала. Увеличение сопротивления Rш ослабляет магнитный поток и одновременно повышает скорость холостого хода.

Увеличение последовательного сопротивления Rп при неизменном значении Rш, несколько уменьшает ток в обмотке возбуждения и од­новременно понижает напряжение, приложенное к якорю двигателя. При этом действие второго фактора преобладает, и несмотря на ослабление магнитного потока скорость идеального холостого хода понижается. В этой схеме при возрастании тока якоря вследствие увеличения момента на валу двигателя автоматически уменьшается ток возбуждения из-за увеличивающегося падения напряжения в со­противлении Rп. В некоторой точке произведение тока якоря и маг­нитного потока достигает максимума, а затем наступает явление, аналогичное опрокидыванию регулирования, рассмотренному выше. Этим и объясняется возникновение достаточно ясно выраженного мак­симума момента.

П
ри возрастании последовательного сопротивления до бесконечно большого значения Rп= двигатель превращается в генератор, работающий с самовозбуждением.

Рис. 2.22


6. Контрольные вопросы.


  1. Принцип действия двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

  2. Чем определяется магнитный поток сериесного двигателя?

  3. Почему нельзя работать при малых нагрузках сериесного двигателя и какие при этом возникают процессы?

  4. Как осуществить реверс двигателя последовательного возбуждения?

  5. Как осуществляется пуск двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?

  6. Как осуществляется режим торможения противовключением для сериесной машины?

  7. Как осуществить динамическое торможение двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?

  8. Какие существуют методы расчета искусственных механических характеристик сериесной машины?

  9. Какие существуют сложные схемы включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?

  10. Приведите уравнение механической характеристики сериесной машины.

  11. Почему при допущении – поток машины линейно зависит от якорного тока режим, рекуперации сериесного двигателя при нормальной схеме его включения невозможен?

  12. Как рассчитать искусственные характеристики по семейству механических характеристик?

  13. Как рассчитать искусственные характеристики по методу Аронова?

  14. Как рассчитать искусственные характеристики по методу граничной характеристики?

  15. Как рассчитать искусственные характеристики по методу переходной характеристики?

  16. Области промышленного применения сериесного двигателя?

  17. Что такое граничная характеристика сериесного двигателя?

  18. Что такое переходная характеристика сериесного двигателя?

  19. Основное уравнение движения привода.


7. Библиографический список.


  1. Андреев В. П., Сабинин Ю. А. Основы электропривода.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-772с.

  2. Башарин А. В. и др. Управление электроприводами.- Л.: Энергоиздат, 1982.-392с.

  3. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1997.-413с.

  4. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода.- С.П. : Энергоатомиздат, 1994.-491с.

  5. Ключев В. И. Теория электропривода. -М. : Энергоатомиздат, 1985. –560с.

  6. Справочник по электрическим машинам. Под. ред. П.П. Копылова и Б.К. Клюкова. –М. : Энергоатомиздат, 1989. –688с.

Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации