Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 38 из 42)
Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.
На рис. 2.67 показаны зависимости тока якоря ia, электромагнитного момента М, момента нагрузки Мни частоты вращения n при реостатном пуске двигателя (упрощенные диаграммы).
Рис. 2.67 – Переходный процесс изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя постоянного тока
При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря iaдостигает некоторого максимального значения, а затем уменьшается согласно уравнению (2.85б) до минимального значения. При этом электромеханическая постоянная времени и начальный ток будут иметь различные для каждой ступени пускового реостата значения:
; 
В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Частота вращения n изменяется согласно уравнению
, (2.86в)где nнач–начальная частота вращения при работе на соответствующей ступени пускового реостата.
Заштрихованная на рис. 2.67 область соответствует значениям динамического момента Мдин = М – Мн,обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.
Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществлять путем плавного повышения напряжения, подаваемого на его обмотку. Но для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.
2.12 Принципы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока
Частота вращения двигателя постоянного тока определяется формулой
. (2.87)Следовательно, ее можно регулировать тремя методами:
1) включением добавочного резистора или реостата rдоб в цепь обмотки якоря;
2) изменением магнитного потока Ф;
3) изменением питающего напряжения U.
На примере двигателя с параллельным возбуждением рассмотрим принципиальные особенности, свойственные этим методам регулирования.
Включение реостата в цепь якоря. При включении реостата в цепь якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата:
. (2.88)Это наглядно показано на рис. 2.68, где приведены характеристики двигателя с параллельным возбуждением: 1 – естественная (при rдо6 = 0); 2-реостатная (при rдоб > 0) Частоты вращения n0при холостом ходе для обеих характеристик равны, в то время как значения уменьшения частоты вращения Δnпри нагрузке различны. При одном и том же токе якоря
.Чем больше добавочное сопротивление rдоб, тем круче е увеличением нагрузки падает частота вращения.
Рис. 2.68 – Скоростные характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь якоря
Механические характеристики п = f (M) двигателя с параллельным возбуждением могут быть получены из скоростных характеристик n = f(Ia) изменением масштаба по оси абсцисс, так как для двигателя этого типа
,т.е. момент пропорционален току якоря.
Основным недостатком данного метода регулирования является возникновение больших потерь энергии в реостате, особенно при низких частотах вращения. Последнее видно из соотношения
, (2.89)где ΔР – потери в цепи якоря; Р1 – мощность, подведенная к якорю.
Решая уравнение (2.89) относительно ΔР, получим
, (2.90)т.е. потери линейно возрастают с уменьшением частоты вращения якоря.
Очевидно, что данный метод позволяет только уменьшать частоту вращения по сравнению с частотой при естественной характеристике. Иногда существенным является то обстоятельство, что при включении в цепь якоря значительного сопротивления характеристики двигателя становятся крутопадающими («мягкими»), вследствие чего небольшие изменения нагрузочного момента приводят к большим изменениям частоты вращения.
Изменение магнитного потока двигателя. Чтобы изменить магнитный поток, необходимо регулировать ток возбуждения двигателя. При различных магнитных потоках Ф1и Ф2 частоты вращения будут определяться формулами:
(2.91)
Рис. 2.69 – Скоростная и механическая характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока
В двигателе с параллельным возбуждением, например, частота вращения при холостом ходе и уменьшение ее при нагрузке изменяются обратно пропорционально изменению магнитного потока:
. (2.92)Таким образом, скоростные характеристики двигателя при различных магнитных потоках не являются параллельными (рис. 2.69, а). Эти характеристики пересекаются при частоте вращения, равной нулю, так как в данном случае Е =сеФn = 0и ток не зависит от величины потока:
; (2.93)он определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря. Величину тока Iак при n = 0 называют током короткого замыкания.
Механические характеристики для двигателя с параллельным возбуждением строятся на основании следующих соображений. Каждая из механических характеристик является практически линейной (если пренебречь реакцией якоря) и может быть построена по двум точкам: точке холостого хода, в которой момент равен нулю, и точке короткого замыкания, в которой момент максимален.
Сравнивая моменты в режиме короткого замыкания при различных значениях магнитного потока, получим
. (2.94)Таким образом, при уменьшении магнитного потока частота вращения холостого хода возрастает, а момент при коротком замыкании снижается. Следовательно, механические характеристики, построенные при различных величинах магнитного потока, пересекаются при частоте вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но большей нуля (рис. 2.69, б). Рассматривая механические характеристики, можно сделать вывод, что при величинах нагрузочного момента, существенно меньших Мкр, снижение потока ведет к увеличению частоты вращения.
Рис. 2.70 – Механические характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением большой и средней мощностей:
1-при нормальном возбуждении, 2 – при уменьшении магнитною потока
Это является характерным для двигателей средней и большой мощностей (рис. 2.70, а), где в рабочем диапазоне изменения токов имеют место небольшие падения напряжения в якоре (для получения высокого к. п. д.).
В микромашинах уменьшение потока, т.е. тока возбуждения, обычно применяют для снижения частоты вращения.
Рис. 2.71 – Включение регулировочного реостата в двигателе с последовательным возбуждением
Аналогично располагаются скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением; поэтому в двигателях большой и средней мощностей при уменьшении магнитного потока частота вращения возрастает (рис. 2.70, б). Уменьшение магнитного потока в этом двигателе осуществляется обычно путем включения регулировочного реостата rp.в параллельно обмотке возбуждения (рис. 2.71), вследствие чего ток возбуждения
, (2.95)где rр.в-сопротивление регулировочного реостата, включенного параллельно обмотке возбуждения; kp.в = Iв/Ia– коэффициент регулирования возбуждения.