Основные сведения. Способы регулирования частоты вращения электродвигателей

Способы регулирования частоты вращения электродвигателей

Постоянного тока

Основные сведения

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоян-

ного тока на примере электродвигателя с независимым (параллельным) возбуждением.

Уравнение естественной механической характеристики двигателя имеет вид

ω = - ,

где ω – угловая скорость якоря;

U – напряжение на обмотке якоря;

.k – постоянный коэффициент;

Ф – магнитный проток обмотки (обмоток) возбуждения;

М – электромагнитный момент электродвигателя;

R - cопротивление обмотки якоря электродвигателя.

Из уравнения следует, что скорость двигателей с независимым (параллельным)

возбуждением можно регулировать тремя способами:

1. изменением напряжения на обмотке якоря двигателя U;

2 изменением сопротивления цепи обмотки якоря R ;

3. изменением магнитного потока полюсов Ф.

Первый способ регулирования – изменением напряжения на обмотке якоря, приме

няется только для двигателей с независимым возбуждением в т.н. «системах генератор – двигатель» (см. ниже).

Второй способ – изменением сопротивления цепи обмотки якоря, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с обмоткой якоря.

Этот способ позволяет изменить скорость двигателя только вниз от основной, при

чем с увеличением сопротивлений скорость двигателя умень­шается. Это объясняется уве-

личением падения напряжения в до­бавочных резисторах и уменьшением напряжения на зажи­мах якоря.

Положительное качество данного способа регулирования - его простота, т.к. он осуществляется путем введения (выведения) ступеней регулировочного реостата в цепь обмотки якоря двигателя.

Основным недостатком способа является большой расход энергии в добавочных

резисторах.

Этот способ применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якор-

но-швартовных устройств на постоянном токе.

Третий способ – изменением магнитного потока полюсов, на практике осуществля-

ется путем введения добавочных резисторов последовательно с параллельной обмоткой возбуждения. При этом магнитный поток возбуждения уменьшается, а скорость якоря увеличивается.

Скорость двигателей, специально сконструированных для работы с регулируемым потоком, может превышать номинальную в три раза и более, скорость остальных двигате-

лей повышается на 10 - 20 %. Верх­ний предел скорости ограничен условиями коммута-

ции, механи­ческой прочности или нагревом двигателя.

Положительное качество данного способа регулирования - его экономичность,

т.к. расход электроэнергии в регулировочном резисторе мал из-за небольшого значения тока возбуждения в цепи параллельной обмотки.

Основными недостатками способа являются возможность регулирования скорости только вверх от номинальной, а также увеличение тока якоря во столько раз, во сколько раз ослаблен магнитный поток.

Последняя особенность не позволяет применять этот способ регулирования при ра-

боте электропривода с номинальным моментом, т.к. при ослаблении потока ток якоря пре

высит номинальный, что недопустимо.

Поэтому этот способ регулирования применяется в электроприводах грузоподъем-

ных механизмов и якорно-швартовных устройств для получения высоких скоростей при перемещения холостого гака (грузовые лебедки и краны) или швартовного каната (бра-

шпили, шпили), т.е. при небольшой нагрузке на валу электродвигателя.

2. Регулирование скорости в системе «генератор – двигатель» (Г – Д)

Система Г-Д как минимум состоит из трех электрических машин:

1. исполнительного электродвигателя М2, приводящего в действие механизм;

2. генератора G1, питающего исполнительный ЭД;

3. приводного электродвигателя Ml, вращающего якоря генератора G1 и образую-

щего с ним так называемый преобразователь.

Машины М2 и G1 - постоянного тока с независимым возбуждением.

Несмотря на это, система Г-Д может применяться при любом роде тока питающей сети.

Если сеть постоянного тока, то в качестве приводного двигателя М1 применяют ЭД параллельного возбуждения, а обмотки возбуждения всех машин получают питание от сети.

Если сеть переменного тока, используют асинхронный приводной ЭД. Для питания обмоток возбуждения L1G1 и LM2 в этом случае применяют четвертую машину – возбуди

тель G2. Это небольшой генератор постоянного тока с самовозбуждением. Он приводится во вращение тем же приводным электродвигателем М1, что и генератор G1 (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Схема системы генератор – двигатель

Система действует следующим образом.

Сначала пускают приводной ЭД М1, якорь которого затем вращается постоянно в одну сторону с неизменной скоростью. Потом при помощи регулировочного резистора

(реостата возбуждения) RP3 возбуждают возбудитель G2, создающий неизменное напря-

жение.

От него получают питание независимые обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя LM2 и генератора L1G1.

В цепь первой включен регулировочный резистор RP2, в цепь второй – регулиро-

вочный резистор RP1 и переключатель SA, изменяющий направление тока в обмотке L1G1.

Перед пуском резистор RP1 должен быть полностью введен в цепь, а резистор RP2 - выведен.

Для пуска М2 переключатель SA устанавливают в одно из рабочих положений и

постепенно выводят резистор RP1, увеличивая этим ток возбуждения в обмотке L1G1.

Последний возбуждается и подает плавно возрастающее напряжение на якорную обмотку М2. По цепи якорей G1 и М2 протекает ток.

Так как М2 возбужден, его якорь начинает вращаться, и по мере возрастания напря-

жения, подве­денного к его якорю, увеличи­вается угловая скорость. При полностью выве-

денном резисторе RP1 напряжение G1 и угловая скорость М2 номинальные.

Для реверса переключателем SA изменяют направление тока в обмотке возбужде-

ния L1G1. Генератора изменяет полярность напряжения, ток якорной цепи изменяет на-

правление, и исполнительный двигатель М2 реверсируется.

Регулирование скорости вниз от номинальной выполняют, вводя в цепь обмотки возбуждения L1G1 регулировочный резистор RP1. Ток возбуждения, магнитный поток и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого снижается напряжение, подведен­ное к обмотке якоря М2, и его угловая скорость уменьшается (характеристики 3, 2 и 1 на

рис. 9.4).

Регулирование скорости вверх от номи­нальной осуществляют, вводя в цепь обмот-

ки возбуждения М2 регулировочный резистор RP2, что уменьшает ток и поток воз­бужде-

ния, при этом скорость ЭД увеличивается (характеристики 5, 6 и 7 на рис. 9.4).

Рассмотренная система называется «система Г – Д в чистом виде» и на практике не применяется. Это объясняется тем, что при работе с номинальным напряжением на якоре М2 внезапная остановка этого якоря (например, под винт попала льдина) приводит к рез-

кому увеличению тока якорей двигателя М2 и генератора G1 до значения, равного пуско-

вому.

Рис. 9.4. Механические характеристики исполнительного двигателя

в системе генератор – двигатель: 4 – естественная; 3, 2 и 1 – искусственные, полученные уменьшение напряжения на обмотке якоря М2; 5, 6 и 7 –искусствен-

ные, полученные ослаблением магнитного потока М2

Кроме того, такое увеличение тока приводит к увеличению нагрузки на приводной двигатель генератора. Это особенно опасно, если генератор G1 приводится во вращение дизелем. Как известно, дизели крайне чувствительны к перегрузкам (не более 10% мощ-

ности в течение 1 часа).

Поэтому на судах применяют систему Г-Д с противокомпаундным генератором. Она отличается от системы Г-Д в чистом виде тем, что генератор, помимо независимой обмотки возбуждения L1G1, снаб­жен еще одной обмоткой возбуждения – противоком-

паундной обмоткой L2G1, включенной последовательно в цепь якоря G1 и выполняющей функции жесткой обратной связи по току (на рис. 9.3 место включения обмотки L2G1 по

казана при помощи стрелок, т.е. последовательно в цепь главного тока).

Ее намагничивающая сила F направлена встречно намагничивающей силе F об-

мотки независимого возбуждения L1G1, т. е. она действует на генератор размагничиваю-

ще.

Общий магнитный поток возбуждения гене­ратора создается разностью намагничи-

вающих сил обеих обмоток.

При нормальной нагрузке намагничивающая сила обмотки L1G1 значительно боль

ше, чем обмотки L2G1, и генератор развивает ЭДС, как в обычной системе Г-Д.

При перегрузке разность намагничивающих сил обмоток уменьшается, магнитный поток и ЭДС генератора снижаются, напряжение, подведенное к ЭД, падает, и угловая скорость ЭД становится меньше.

При остановке якоря исполнительного двигателя М2 ЭДС генератора G1 настолько уменьшается, что ток стоянки оказывается в пределах кратковре­менно допустимого, обыч

но равного (2,2…2,5) I .

Система Г-Д обладает исключительно хорошими регулиро­вочными свойствами и позволяет регулировать скорость в пределах 1: 30. Регулирование получается плавным, так как из-за срав­нительно небольших токов возбуждения можно сделать регули­ровочные резисторы с большим количеством ступеней.

Систему Г – Д применяют в электроприводах мощностью более 75…80 кВт – тя-

желовесных лебедках и кранах, брашпилях, а также на судах с ГЭУ для привода гребного винта.

Существенный недостаток системы Г - Д – большое количество установленных эле

ктрических машин.

Развитие полупроводниковой техники позволило перейти от рассмотренной систе-

мы Г – Д к т.н. системам «управляемый вентильный преобразователь – двигатель», или, сокращенно, системам УВП – Д (рис. 9.5).

3. Регулирование скорости в системе двойного рода тока (УВП – Д)

В таких системах исполнительный двигатель постоянного тока получает питание от судовой сети через управляемый вентильный преобразователь ВП (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

В качестве вентилей используются управляемые полупроводниковые диоды – тиристоры.

В общем случае такой электропривод состоит из следующих основных элементов:

1. силовой трансформатор Тр;

2. вентильный преобразователь ВП;

3. сглаживающий фильтр СФ;

4. электродвигатель М;

5. система управления СУ.

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нужных

пределах. Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нулевым выводом (рис. 9.6, а) или двухполупериодные мостовые схемы (рис.9.6., б).

Рис. 9.6. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом (а); мостовая (б)

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от об-

щей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр (дроссель Др на рис.9.6) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

Система управления СУ изменяет угол отпирания тиристоров α. Вследствие чего изменяется выпрямленное напряжение на якоре исполнительного двигателя, а значит, и его скорость

При этом, при малых скоростях якоря этот угол близок к 90º, а для разгона якоря

СУ непрерывно уменьшает этот угол. При номинальном (наибольшем) напряжении на якоре угол α = 0º.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тиристоров α приведены на рис. 9.7.

Они подобны механическим характеристикам исполнительного двигателя в систе-

ме Г – Д (рис. 9.4).

Рис. 9.7. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла α

На рис. 9.7 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного

(справа от пунктирной линии) и прерывистого (слева от этой линии) токов якоря двига-

теля.

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. при уменьшении угла отпирания тиристоров от α = π / 2 = 90º (характеристика

2) до α = 0º (характеристика 7) скорость двигателя увеличивается, двигатель работает в двигательном режиме;

2. при увеличении угла α свыше 90º (характеристика 1) ток якоря двигателя не

изменяет направление, но двигатель реверсирует и переходит в режим тормозного спуска.

при котором электромагнитный момент двигателя, направленный на подъем, ограничива-

ет скорость спуска тяжелого груза или судового якоря с якорь-цепью.