Способы регулирования магнитного потока

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ

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 независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

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

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

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(r_д) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением r_д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = M_ном ) 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 (I 2 _a *r_Д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении r_рег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикой двигателя n=f(I_В) при и .

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 к рос­ту тока якоря Ia = M/(C_м*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения , т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n_max. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_a второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

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

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n_max уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

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 независимого возбуж­дения ток I_В = (0,01 — 0,07)I _а , а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n_MAX/n_MIN = 2 — 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 основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I_B = 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 от напряжения не зависит, 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 (АТ), 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).

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

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.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, 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 n_MAX/n_MIN ≥ 25 . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

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

Импульсное регулирование частоты вращения ДПТ НВ

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 = U_импи ток в ней достигает значения I_amax. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения I_amin (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения I_amax и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение

где Т— отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7, б); — коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого .

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

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) , а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

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 L₁C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур L₁C и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L₁C определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь L₁ выража­ется в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

Значение среднего напряжения U_ср 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 независимого возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

Источник

Способ регулирования магнитного потока.

При последовательном возбуждении тяговых двигателей одновременно с изменением тока якоря изменяется и магнитный поток. Это обеспечивает некоторую степень саморегулирования, благодаря чему двигатели последовательного возбуждения широко применяют на локомотивах.

Для уменьшения размеров и массы тягового генератора целесообразно максимально использовать возможности регулирования магнитного потока тяговых двигателей. При этом габаритные размеры тягового генератора можно уменьшить, что видно из формулы (7.5). Очевидно, что заданный диапазон измерения частоты вращения якорей тяговых двигателей можно обеспечить за счет изменения их магнитного потока или подводимого к ним напряжения, причем чем больше степень регулирования магнитного потока, тем меньше необходимый диапазон регулирования напряжения тягового генератора. Следовательно, можно снизить максимальное напряжение, от которого зависят размеры магнитной системы, габаритные размеры и масса тягового генератора.

Поэтому на тепловозах с электрической передачей широко применяют различные способы уменьшения магнитного потока (ослабления возбуждения) тяговых двигателей. Степень ослабления возбуждения a = F_оп/F_пп, где F_оп и F_пп — магнитодвижущие силы обмотки возбуждения соответственно при ослабленном и полном возбуждении.

Максимальная допустимая степень ослабления магнитного потока ограничивается коммутационными условиями на коллекторе, которые характеризуются максимальной реактивной э. д. с. е, в коммутирующих секциях и максимальным межламельным напряжением е_к. Поэтому с точки зрения коммутации наиболее тяжелым для двигателя является режим максимальной скорости движения при наибольшем ослаблении возбуждения, так как именно в этом случае е_г и е_к достигают максимального значения.

Существуют два основных способа регулирования магнитного потока: отключением части витков обмотки возбуждения (рис. 7.23, а) и шунтированием обмотки возбуждения (рис. 7.23, б). При отключении части витков контактор 1 замыкается, а контактор 2 размыкается. Отключение части витков только замыканием контактора 1 недопустимо, так как при резких бросках тока в закороченной части витков индуктируется э. д. с. и появляется ток, м. д. с. которого направлена против м. д. с. основной части обмотки. В результате резко уменьшается поток двигателя, что может привести к нарушениям коммутации. Степень ослабления возбуждения

Рис. 7.23. Схемы регулирования магнитного потока

Метод отключения части витков при нескольких ступенях регулирования не применяют, так как при этом усложняется конструкция тягового двигателя из-за необходимости выполнения нескольких выводов от обмотки возбуждения и увеличивается число контакторов.

Метод регулирования магнитного потока шунтированием обмотки возбуждения нашел повсеместное распространение благодаря своей простоте. В этом случае параллельно обмотке возбуждения контактором 1 (см. рис. 7.23, б) подключается резистор R_ш. Степень ослабления возбуждения

где I_я и I_в — токи якоря двигателя и обмотки возбуждения; w — число витков обмотки возбуждения.

Легко показать, что

где R_в и R_ш — сопротивления обмотки возбуждения и шунтирующего резистора. Следовательно, изменяя R_ш, можно регулировать степень ослабления возбуждения. Это позволяет легко получить необходимое число ступеней регулирования.

Недостатками метода регулирования с помощью шунтирующего резистора являются необходимость в установке громоздких и тяжелых шунтирующих резисторов, усложнение схемы при большом числе ступеней ослабления возбуждения и некоторые явления возникающие во время переходных процессов при ступенчатом регулировании и ухудшающие коммутационные условия работы двигателей.

Поэтому в последние годы ведутся исследования различных систем плавного регулирования магнитного потока для тяговых двигателей смешанного или независимого возбуждения. Кроме устранения недостатков, свойственных системам ступенчатого регулирования, эти схемы позволяют: повысить противобоксовочную устойчивость локомотивов, что особенно важно при росте их мощности, разработать простые схемы реостатного торможения и т. д.

Следует отметить, что на тепловозах увеличение тока двигателей при изменении схемы соединения или ослаблении возбуждения вызывает соответствующее увеличение тока тягового генератора и уменьшение его напряжения. Мощность же тягового генератора и тяговых двигателей при этом остается постоянной, а значит, при переключениях в схеме не изменяется и сила тяги тепловоза. Следовательно, на тепловозах изменение схемы соединения тяговых двигателей и ослабление их магнитного потока позволяют лишь многократно использовать внешнюю характеристику тягового генератора. При этом ту же максимальную скорость движения можно получить при меньшем напряжении, а значит, при меньших габаритных размерах и массе тягового генератора.

Источник