Регулирование частоты вращения двигателей параллельного возбуждения

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля параллельного возбуждения можно изменением сопротивления в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. До­полнительное сопротивление (реостат rд) включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.

При включении сопротивления rд в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

, (29.12)

где n0 =U/(сеФ) —частота вращения в режиме х. х.; Δn =+ rд)/(СеФ) — изменение частоты вращения, вызванное

падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением rд возрастает Δn, что ведет к уменьшению частоты вращения. Зависимость n = f(ra) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя параллельного возбуждения (рис. 29.4, а): с повышением rд увеличивается на­клон механических характеристик, а частота вращения при за­данной нагрузке на валу (М = Мном) уменьшается. Этот способ обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широ­ком диапазоне (только в сторону уменьшения частоты от номи­нальной), однако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I²_a rд), которые ин­тенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Изменение основного магнитного потока. Этот способ регули­рования в двигателе параллельного возбуждения реализует­ся посредством реостата rрг в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 29.3, а). Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увели­чении rрг частота вращения растет. Зависимость частоты враще­ния от тока возбуждения выражается регулировочной характе­ристикой двигателя n = f(h) при I = const и U = const.

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения n увеличивается по гиперболическо­му закону (рис. 29.5, а). Но одновременно уменьшение Ф ведет

лельного возбуждения

к росту тока якоря Iа — М/(скФ). При потоке Ф = Ф' ток якоря достигает значения I'a = U/(2∑r), т. е. падение напряжения в цепи якоря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю (I'а∑r —U/2). В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума nmax. При дальнейшем уменьшении потока (Ф < Ф') частота вращения двигателя начи­нает убывать, так как из-за интенсивного роста тока /а второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения nmax во много раз превосходит но­минальную частоту вращения двигателя nном и является недо­пустимой но условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата rрг, необходимо следить за тем, чтобы при полностью вве­денном его сопротивлении частота вращения двигателя не пре­высила допустимого значения.

Например, для двигателей серии 2Г1 (см. § 29.9) допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2- 3 раза. Необходимо также слёдить за надежностью электри­ческих соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Фост, при котором часто­та вращения может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = I(Ф) зависит от значения нагрузочного момента М2 на валу двигателя: с рос­том М2 максимальная частота вращения nmax уменьшается (рис. 29.5, б).

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуж­дения ток Iв = (0,01-0,07)Iа, а поэтому потери в регулировоч­ном реостате (I²_вrрг) невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет nmах/nmin = 2 ч- 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты враще­ния обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты —опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основного магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня (см. § 27.5).

Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения приме­няется лишь при Iв = const, т. е. при раздельном питании цепей об­мотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбужде­нии.

Частота вращения в режиме х. х. n0 пропорциональна напря­жению, а Δn от напряжения не зависит [см. (29.11)], поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряже­ния не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осу­ществления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напря­жением. Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (AT), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6, а).

Для управления двигателями большой мощности целесообраз­но применять генератор постоянного тока независимого возбужде­ния; привод осуществляется посредством приводного двигателя (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двига­тель переменного тока. Для питания постоянным током цепей воз­буждения генератора Г и двигателя Д используется возбуди­тель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе ко­торого поддерживается неизменным. Описанная схема управления двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под назва­нием системы «генератор — двигатель» (Г — Д).

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно восполь­зоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г — Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем Я, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если дви­гатель постоянного тока работает в условиях резко переменной нагрузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который запасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне nmах/nmin≥25. Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя

(см. § 31.3).

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регулиро­вания является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображенной на рис. 29.7,а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (неза­висимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подво­дится напряжение U = Uимп и ток в ней достигает значения Iаmах. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, дости­гая к моменту следующего замыкания цепи значения Iamin (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает значения Iamax и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится некоторое среднее напряжение

Ucp = Ut1/T= αU, (29.13)

где Т — отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7,6); α= t₁/T — коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение ко­торого Iа ср = 0,5(Iа max +Ia min).

При импульсном регулировании частота вращения двига­теля

n = αU – Ia ср∑r/(c_eФ) (29.14)

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) L, а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока

На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем импульс­ного регулирования, где в качестве ключа применен управляемый диод — тиристор VS. Открывается тиристор подачей кратковре­менного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляю­щий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L\C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управ­ляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через кон­тур L\C и создает на силовых электродах тиристора напряжение, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L\С_ определяется время (с) открытого состояния тиристора: t =π√L₁C. Здесь L₁ выражается

в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Значение среднего напряжения Uср регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плавно­го регулирования частоты вращения в широком диапазоне опреде­лили области применения двигателей параллельного возбуждения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки.