Регулирование частоты вращения электродвигателей

Частота вращения электродвигателя постоянного тока зависит от падения напряжения I_я r_я в цепи обмотки якоря, питающего напряжения U и магнитного потока Ф. Поэтому ее можно регулировать тремя способами:

1) включением реостата с сопротивлением r _п в цепь обмотки якоря;

2) изменением питающего напряжения U;

3) изменением магнитного потока Ф.

Рассмотрим более подробно эти способы на примере двигателей с последовательным и параллельным возбуждением.

Включение реостата в цепь обмотки якоря. При включении реостата с сопротивлением r_п в цепь обмотки якоря, кроме естественной механической характеристики 1, получают и ряд реостатных характеристик 2, 3 и 4 (рис. 133). При этом заданному нагрузочному моменту М _вн соответствуют различные значения частоты вращения n₁, n₂, n₃, и n₄; чем больше сопротивление r _п, тем меньше частота вращения якоря двигателя. Такой способ регулирования весьма прост и позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Однако при этом возникают большие потери энергии в регулирующем реостате, вследствие чего его практически применяют только при кратковременных режимах работы двигателя (например, при пуске). Другим недостатком рассматриваемого способа регулирования является то, что частоту вращения п можно только уменьшать от п₁ до нуля.

Изменение питающего напряжения. При изменении питающего напряжения частота вращения п изменяется пропорционально U. Следовательно, подавая на обмотку якоря различные напряжения U₁, U₃, U₃, можно получить семейство механических характеристик 1, 2, 3, у которых при любой нагрузке п₁: п₂: п₃ = U₁: U₂: U₃ (рис. 134). При уменьшении питающего напряжения механические характеристики двигателя смещаются в область меньших частот вращения и располагаются параллельно. Для осуществления указанного способа регулирования частоты вращения двигатель должен быть подключен к источнику постоянного тока с регулируемым напряжением: к генератору Г с независимым возбуждением (рис. 135, а) или выпрямителю Вп (рис. 135, б). Питание тяговых двигателей от генератора осуществляется на тепловозах, а от выпрямителя — на электровозах и электропоездах переменного тока. В цепях управления электровозов, тепловозов и электропоездов имеется специальная электрическая аппаратура, позволяющая изменять выходное напряжение генератора или выпрямителя ручным способом или автоматически.

Несмотря на то, что рассмотренный способ требует довольно сложного оборудования, его широко применяют на современных локомотивах и электропоездах, так как он обеспечивает плавное и экономичное (без потерь энергии в реостатах) регулирование частоты вращения в очень широких пределах. Следует отметить, что для электродвигателей с параллельным возбуждением указанный способ регулирования применять нельзя, так как при уменьшении питающего напряжения соответственно уменьшался бы магнитный поток двигателя и увеличивался ток обмотки якоря. В этом случае двигатель должен быть переведен на независимое возбуждение.

На электрическом подвижном составе постоянного тока напряжение, подводимое от контактной сети к электровозу или моторному вагону, не может регулироваться, поэтому здесь для изменения подаваемого к двигателям напряжения применяют последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей. При этом изменяется напряжение, приходящееся на каждый двигатель локомотива, а следовательно, и частота вращения двигателей.

При регулировании частоты вращения двигателей путем их последовательно-параллельного переключения число возможных схем соединений зависит от числа двигателей, установленных на данном локомотиве. Например, на четырехосных электровозах может быть использовано последовательное соединение тяговых двигателей (рис. 136, а); при этом напряжение, подводимое к двигателю, в 4 раза меньше напряжения U в контактной сети и двигатель имеет некоторую минимальную частоту вращения n _min при заданном моменте М _вн. При соединении двигателей в две параллельные группы (рис. 136, б), в каждую из которых включено по два последовательно включенных двигателя, напряжение, подводимое к каждому двигателю, будет в 2 раза меньше напряжения U в контактной сети и частота его вращения будет составлять 2 n _min.

Характеристики двигателей при этом располагаются одна на другой (рис. 136, в).

Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей применяют также на тепловозах. Это позволяет ограничить диапазон регулирования напряжения генератора, от которого зависят его габариты и масса.

Изменение магнитного потока. Для того чтобы изменить магнитный поток Ф, регулируют ток возбуждения двигателя с помощью регулировочного реостата r _рв. В двигателях с последовательным возбуждением регулировочный реостат включают параллельно обмотке возбуждения (рис. 137, а), вследствие чего через обмотку возбуждения будет протекать только часть тока якоря (другая часть ответвляется в точке О в реостат r _рв). Обычно регулировочный реостат имеет несколько ступеней с сопротивлениями r ₁, r ₂, r ₃, которые позволяют получать несколько ступеней регулирования тока возбуждения двигателя.

Включение ступеней r ₁, r ₂, r ₃ осуществляется контакторами 1, 2 и 3; при этом механические характеристики двигателя 2 (при включении ступени r ₁), 3 (при включении r ₁ и r ₂) и 4 (при включении r, r ₂, и r ₃) располагаются выше естественной характеристики 1 (рис. 137, б).

Степень регулирования тока возбуждения характеризуется коэффициентом регулирования возбуждения β, который представляет собой отношение тока возбуждении I _во при ослабленном возбуждении (при включении регулировочного реостата r _рв) к току возбуждения I _вн при нормальном возбуждении при одном и том же токе якоря:

β = I_во/I_вн = r_рв / (r_в + r_рв)

где r _в — сопротивление обмотки возбуждения.

Рассмотренный способ регулирования весьма прост и экономичен, поэтому его широко применяют на локомотивах и электропоездах. Однако в этом случае регулирование частоты вращения можно осуществлять только в сравнительно небольшом диапазоне. Нижний предел n _min ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток; верхний предел n _max — условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет «вразнос»), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения сильно увеличивается ток якоря /я, что приводит к возрастанию реактивной э. д. с. и искажающего действия реакции якоря. При этом повышается опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня. По этой причине двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослабления возбуждения, обязательно должны иметь компенсационную обмотку и пониженное значение реактивной э. д. с. при номинальном режиме. Обычно предельное значение коэффициента возбуждения р для двигателей без компенсационной обмотки составляет 0,3—0,33, а при наличии компенсационной обмотки — 0,2.

В двигателях с независимым и параллельным возбуждением регулировочный реостат, посредством которого изменяют ток возбуждения I _В и магнитный поток Ф, включают последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 125). В этом случае при изменении тока возбуждения частота вращения п ₀ при холостом ходе будет изменяться, т. е. механическая характеристика 2 при ослабленном возбуждении будет располагаться выше характеристики 1 при нормальном возбуждении (рис. 138). Однако характеристики 1 и 2 при различных значениях Ф не будут параллельны, так как при этом изменяется снижение частоты вращения, обусловленное падением напряжения I_я∑r_я в цепи обмотки якоря.

Работа электродвигателя с ослабленным возбуждением при переходных процессах. При включении регулировочного реостата параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 137, а) приходится применять специальные меры для сохранения требуемого распределения тока между нею и реостатом при переходных процессах, возникающих в случаях резкого изменения режима работы двигателя, изменения напряжения в контактной сети и пр.

При переходных процессах, когда токи I_я, I_в и I_рв изменяются, в обмотке возбуждения возникает значительная э. д. с. самоиндукции e_L (рис. 137, а). В результате ее действия ток I_в уменьшается по сравнению с его значением при стационарном режиме, а ток I_рв возрастает, т. е. происходит значительно большее ослабление возбуждения. Наиболее опасным переходным процессом для тяговых двигателей, работающих с ослабленным возбуждением, является включение их на полное напряжение после кратковременного отключения от сети (при отрыве токоприемника от контактного провода). В этом случае из-за большой э. д. с. самоиндукции е_L в первый момент после включения почти весь ток I_я пойдет по регулировочному реостату r_рв, а ток I_в в обмотке возбуждения будет весьма мал. Это приведет к значительному возрастанию тока I_я в обмотке якоря из-за уменьшения э. д. с. Е, индуктированной в ней. Практически при этих условиях возникает резкий бросок тока I_я, сопровождающийся нарушением нормальной коммутации (искрением под щетками) и образованием кругового огня. Кроме того, из-за большой скорости изменения тока создаются большие коммутационные перенапряжения, которые могут вызвать пробой изоляции обмоток якоря и возбуждения.

Бросок тока I_я при включении двигателя под напряжением и скорость его изменения зависят от распределения токов I_в и I_рв между обмоткой возбуждения и регулировочным реостатом r_рв. Чтобы обеспечить при переходных процессах такое же распределение токов I_в и I_рв, как и при стационарном режиме, последовательно с реостатом r_рв включают индуктивный шунт ИШ, представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Индуктивность этой катушки подбирают так, чтобы отношение индуктивностей обмотки возбуждения и цепи реостата r_рв было приблизительно равно отношению их спротивлений. При этом условии возникающие при переходных процессах э. д. с. самоиндукции е_L в обмотке возбуждения и е_L1 в индуктивном шунте не будут влиять на распределение токов I_в и I_рв и возрастание тока I_я будет небольшим.

Изменение направления вращения. Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного момента М, действующего на якорь. Направление момента М определяется правилом левой руки (см. рис. 68, б). Изменить направление М можно двумя способами (рис. 139, а—в): 1) изменением направления тока I_я, в обмотке якоря; 2) изменением полярности полюсов, т. е. направления магнитного потока Ф, путем изменения направления тока возбуждения I_в. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или к обмотке возбуждения. Например, если при вращении электродвигателя в направлении вперед ток I_я проходил от щетки А к щетке Б (рис. 140, а), а ток возбуждения I_в от зажима В₁ к зажиму В₂, то для перевода двигателя в направление Назад необходимо переключить цепь обмотки якоря так, чтобы ток I_я проходил от щетки Б к щетке А, оставив неизменным направление тока I_в (рис. 140, б), или, оставив неизменным направление тока I_я от А к Б, переключить цепь возбуждения так, чтобы ток I_в проходил от зажима В₂ к зажиму В₁ (рис. 140, в).