Основное уравнение движения электропривода

.

Установившийся процесс, когда , , ,

Если , , .

Если , , .

условием устойчивой работы агрегата является: , точка будет соответствовать устойчивой работе агрегата.

4. Рабочие характеристики, это зависимость .

12. Двигатель последовательного возбуждения

1.Скоростная характеристика , . В общем виде, за счет насыщения, не имеет решение, аналитическое выражение скоростной характеристики можно получить только для ненасыщенной машины, когда , рис. 46.

Момент , при , , т. е. если ток нагрузки возрастает в 2 раза, то момент в 4 раза. Это условие и определяет область применения этих двигателей, т. е. используются там, где при пуске нужен большой пусковой момент (тяговый привод). Скоростная характеристика при , запишется: .

2. Моментная характеристика, , , при , , рис. 46.

3. Механическая характеристика, . Аналитическое выражение характеристики может быть записано при условии .

, , , если подставить ток в исходное уравнение, получим: , , где .

Общий вид механических характеристик представлен на рис. 47.

Двигатель последовательного возбуждения пойдет на разнос при работе его в холостую. Это может привести к механическим поломкам двигателя. Поэтому, минимальный ток двигателя должен быть не менее .

13. Двигатель смешанного возбуждения

Принципиальная схема включения двигателя представлена на рис. 48. В зависимости от того, какая из обмоток преобладает по потоку, двигатели подразделяются на две разновидности:

1)Двигатель параллельного возбуждения с добавочной, последовательной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к двигателю параллельного возбуждения, рис. 49. Характеристика (1), естественная. Характеристика (2) соответствует встречному включению потоков , при согласном включении, получаем характеристику (3).

2)Двигатель последовательного возбуждения с добавочной параллельной обмоткой. Характеристики такого двигателя приближаются к характеристикам двигателя последовательного возбуждения. Характеристика 4 - характеристика двигателя последовательного возбуждения, характеристика 5 - характеристика двигателя смешанного возбуждения, при этом, обмотки включаются только согласно. Такая характеристика имеет скорость идеального холостого хода и двигатель не пойдет в разнос при холостом ходе. У такого двигателя частота вращения и момент зависят от двух потоков.

, .

При согласном включении обмоток, при том же токе якоря, можно получить повышенный момент. Такой двигатель используется для тяговых установок и там, где имеются резкие изменения нагрузки.

14. Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря и изменением подводимого напряжения.

С точки зрения, регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока являются универсальными. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря, потоком и подводимым напряжением. Это видно из формулы: .

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря.

Уравнения токов до и после введения сопротивления

, , откуда , т. е. ток и момент уменьшается ().

При этом и скорость уменьшается. С уменьшением скорости ток якоря возрастает, и он достигнет исходного тока якоря, но при меньшей скорости .

Переходный процесс показан на рис. 50.

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря осуществляется в сторону уменьшения скорости, рис. 51.

Но так как ток якоря протекает по R_р, то увеличиваются общие потери, и снижается кпд. При постоянном токе, за счет увеличения падения напряжения , скорость двигателя уменьшается.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения производится следующими способами:

А) Система генератор-двигатель (Г-Д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д).

В) Широтно-импульсное регулирование.

А) Система Г-Д, рис.54.

Рис. 54.

Увеличивая ток возбуждения генератора i_вг, возрастает поток Ф_г и Е_г, а следовательно увеличивается напряжение на якоре двигателя и скорость возрастает. Регулирование происходит плавно при малых потерях энергии.

Эта система используется при большой мощности двигателя (подъёмники, прокатные станы, экскаваторы и т.д).

Б) Тиристорный преобразователь-двигатель.

В системе Г-Д используется большое число машин, что увеличивает стоимость установки и снижает надежность.

Рис. 55.

Увеличивая угол управления - площадь полупериода уменьшается, уменьшается среднее значение напряжения - U_ср, а следовательно уменьшается скорость вращения.

В) Широтно-импульсное регулирование.

Рис. 56.

Изменяя время импульса t_и изменяется скважность ,

где t₄ - время импульса;

t_п - время паузы.

Среднее значение U_ср=U₀e.

.

Как видим, изменяя среднее значение напряжения, можно регулировать частоту вращения двигателя. Эта система широко используется вместо контактакторно-резисторных систем.

15. Регулирование частоты вращения за счет изменения потока

Ток якоря до и после изменения потока , , их отношение . Уравнение моментов . Уменьшим поток на , т. е. , . Напряжение примем за единицу, тогда .

Ток якоря возрос в 3, 3 раза, тогда , то и (возрастает). Переходный процесс представлен на рис. 52.

Ток . С увеличением скорости вращения, ток якоря будет уменьшаться, но он будет больше исходного т. к. уменьшен поток.

При уменьшении потока частота вращения возрастает, рис 53.

Рис. 53.

Как правило, регулирование частоты вращения изменением потока производят в сторону увеличения. В сторону уменьшения регулирование мало эффективно из-за насыщения магнитной цепи.

16.Коммутация двигателя. Прямолинейная коммутация

При вращении якоря щетка попеременно замыкает секции якоря и в этой секции происходит изменение направления тока. А сама секция передается в другую параллельную ветвь, рис.57. Ток в секции меняется только под щеткой. Дадим определение коммутации:

Коммутацией называется процесс изменения направления тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую.

Рис. 57

Рис. 58

На рис. 58 еще раз показан процесс коммутации. При положении щетки на пластине (1) ток в секции протекает по часовой стрелке, и секция относится к правой параллельной ветви. Затем при вращении якоря секция щеткой будет закорочена. В конце коммутации щетка будет расположена на пластине (2). Ток в секции сменит направление, и она перейдет в левую параллельную ветвь (показано пунктиром).

Процесс коммутации длится всего тысячные доли секунды. Такое быстрое изменение направления тока вызывает многие неприятности, в частности, искрение на коллекторе.

Искрение гостируется в специальной таблице:

Степень искрения: 1 - отсутствие искрения.

1 - слабое точечное искрение под небольшой частью щетки.

1 - слабое точечное искрение под большей частью щетки.

2 – искрение под всем краем щетки.

3 – значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных искр.

При нормальной коммутации степень искрения не должна превышать 1

Искрение определяется не только неудовлетворительной коммутацией, а также определяется механическими причинами, потенциальными неравномерностями. Механическое искрение определяется некачественной щеткой, при плохой обработке и

т. д.

При изучении коммутации будем исходить из двух положений:

1. Будем считать, что контактная поверхность щетки проводит ток равномерно.

2. Удельное сопротивление контакта (переходное сопротивление единицы площади), будем принимать постоянным и не зависимым от плотности тока.

Закон изменения тока в коммутируемой секции

Время, в течение которого происходит смена направления тока в коммутируемой секции, называется периодом коммутации - Т_к.

,

где к - число коллекторных пластин,

n - частота вращения якоря,

В_ш - ширина щетки,

В_к - коллекторное деление.

За начальный момент коммутации примем момент, когда щетка находится на пластине (1), а конец коммутации, когда щетка находится на пластине (2).На рис.59 представлен момент, когда щетка находится на пластине 1 и 2 и секция коммутирует. Сопротивление секции по сравнению с сопротивлениями r₁ и r₂ невелико и им можно пренебречь.

Рис. 59.

Определим закон изменения тока i в коммутируемой секции.

По первому закону Кирхгофа: I₁=i_a+i, I₂=i_a-i.

По второму закону Кирхгофа: I₁r₁-i₂r₂= .

Решив эти уравнения относительно тока коммутируемой секции, получим

I=i_a + ,

где -сумма в коммутируемой секции (ЭДС самоиндукции, взаимоиндукции и ЭДС внешнего поля).

Как видим, ток в коммутируемой секции состоит из двух слагаемых: первое - ток прямолинейной коммутации (основной ток), а второе – добавочный ток. Добавочный ток будет влиять на характер коммутации. Она может быть прямолинейной, замедленной и ускоренной.

Прямолинейная коммутация

Прямолинейная коммутация происходит тогда, когда добавочный ток (r_доб) равен нулю.Ток в коммутируемой секции равенi=i_a , = , (1)

где S₁ - площадь соприкосновения пропорциональная времени оставшегося до конца коммутации - Т_к–t;

S₂ - площадь соприкосновения пропорциональная времени от начала коммутации - t.

Разделим уравнение (1) на r₂

I=i_a =i_a , = =

Заменим отношение на .I=i_a , после преобразования получим закон изменения тока прямолинейной коммутации , ток в коммутируемой секции. Графически это будет прямая линия.

Рис. 60.

tg a₂= º =

tg a₁=

т.к. a₁=a₂, то tg a₁=tg a₂, а, следовательно, D₁=D₂ (D - плотность тока).

18. Замедленная коммутация

Так как период коммутации составляет тысячные доли секунды, то от скорости изменения тока в коммутируемой секции наводится ЭДС самоиндукции . Кроме того, в пазу располагается другая активная сто­рона другой секции, которая коммутирует под другим полюсом. Ток этой секции наведет ЭДС взаимоиндукции в впервой коммутируемой секции . Обе эти ЭДС по природе одинаковы, поэтому объединим их в одну и назовем реактивной ЭДС - e_r.

Кроме того, в коммутируемой секции от внешнего поля наведется ЭДС - e_k. (e_k - ЭДС от внешнего поля или коммутирующая ЭДС). ЭДС e_r и e_k вызовут в секции добавочный ток , где r₁+r₂ - общее сопротивление под щеткой. Характер тока будет определяться характером суммарного значения ЭДС Se. Конечно, Se тоже меняется, но мы будем брать среднее значение и считать, что Se будет постоянной.

Посмотрим, как будет изменяться добавочный ток i_доб и сопротивление r₁+r₂ за период коммутации. Исходя из соотношения

, откуда . Аналогично, , откуда . Так как s_щº T_k, а s₂º t, s₁º T_k-t, то r₁+r₂=r_щ .

При t=0, r₁+r₂=¥, i_доб =0

t=T_k, r₁+r₂=¥, i_доб=0

t=T_k/2, r₁+r₂=4r_щ, i_доб ¹ 0.

Рис. 61.

Результирующий ток в коммутируемой секции состоит из тока прямолинейной коммутации (пунктирная прямая) и добавочного тока. Так как при замедленной коммутации преобладает реактивная ЭДС, то процесс коммутации замедляется, т.е. ток в секции изменяет направление позже, чем при прямолинейной коммутации . При замедленной коммутации e_r> e_k и добавочный ток i_доб увеличивает ток i₁ и уменьшает ток i₂, рис.62.

Рис. 62.

Поэтому равномерное распределение тока под щеткой будет нарушено. Плотность тока на сбегающей части щетки возрастает, и искрение будет наблюдаться на этой части щетки. Замедленная коммутация – это наихудший вид коммутации.

17. Ускоренная коммутация

Рис. 63.

При ускоренной коммутации ток в секции i₂ возрастает, а i₁ уменьшится. Ток в секции i уменьшится.

Плотность тока на набегающей части щетки возрастает, и искрение будет наблюдаться на этой части щетки, рис.64. Равномерное распределение тока под щеткой также будет нарушено. Этот вид коммутации также неблагоприятный. Иногда специально настраивают коммутацию на ускоренную.

При ускоренной коммутации искрение более вероятное на набегающей части щетки. При наладке коммутации стремятся приблизить криволинейную коммутацию к прямолинейной.

19. Способы улучшения коммутации

Идея улучшения коммутации сводится к тому, чтобы криволинейную коммутацию, привести к прямолинейной, а для этого необходимо, чтобы добавочный ток i_доб был равен нулю.

. Уменьшить ток i_доб можно, попытавшись увеличить сопротивление r₁+r₂, теоретически это возможно, но через эти сопротивления проходит и основной ток машины, что увеличит потери напряжения и нагрев пластин. Значит этим путем идти нельзя. Кроме того, марку щеток выбирают в зависимости от плотности тока и скорости вращения коллектора. Обычно для машин постоянного тока используют графитные или электро­графитные щетки. Поэтому сопротивления r₁+r₂ определяются выбранной маркой щеток.

Уменьшить добавочный ток i_доб можем за счет уменьшения реактивной ЭДС-e_r.

. Уменьшая любую величину, мы уменьшаем e_r, но больших результатов не получим, к примеру, если уменьшим линейную нагрузку A, то это приведет к увеличению габаритов. Уменьшение скорости вращения приведет к такому же результату.

Можно уменьшить число витков в секции - W_c, но опять таки сильно уменьшить W_c нельзя, так как от W_с зависит наводимая ЭДС якоря. Остается последнее – уменьшить .

Для уменьшения используют обмотки с укороченным шагом, либо используют ступенчатую обмотку, рис.66 а, б.

За счет укорочения шага, рис.66 а, активные стороны секций расположены в разных пазах, это приводит к тому, что ЭДС взаимной индукции в них не будет. Частично этот же результат получен при ступенчатой обмотке. Но и здесь большого эффекта достичь нельзя.

Наиболее рациональным средством в приближении коммутации к прямолинейной, т.е. при i_доб=0, является достижение равенства e_r=e_k, т. е. необходимо получить e_k=e_r, которые скомпенсируют друг друга и сведут добавочный ток i_доб=0.

При этом улучшение коммутации производят двумя методами:

1. За счет сдвига щеток с нейтрали,

2. За счет установки добавочных полюсов.

Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то секция, подойдя к пластине (1), начнет коммутировать. От скорости изменения т ока в секции в ней наведется реактивная ЭДС. Кроме того, секция коммутирует во внешнем поле той же полярности. Поэтому в секции наведется ЭДС e_k того же знака, что и ЭДС e_r. Если щетки сдвинуть на физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать, подойдя к пластине (2), и в ней наведется ЭДС e_r, а ЭДС e_k будет равна нулю, т.к. индукция B в точке 2 равна нулю. Затем, если сдвинуть щетки за физическую нейтраль, то секция начнет коммутировать, дойдя до пластины (3), и в ней появится ЭДС e_r, а индукция B в этом положении будет иметь противоположный характер, и наводимая ЭДС e_k будет противоположна ЭДС e_r. Сдвинув щетки на соответствующий угол, можно получить полную компенсацию e_r и e_k и тем самым свести ток i_доб =0 и привести коммутацию к прямолинейной. Этот способ улучшения коммутации применим только тогда, когда нагрузка генератора практически постоянная. В практике нагрузка, как правило, переменная. Поэтому для улучшения коммутации используют второй способ.

2. Улучшение коммутации за счет установки добавочных полюсов

Дополнительные полюса устанавливают на геометрической нейтрали. Количество их равно числу главных полюсов. Это простое и целесообразное решение. Все современные машины постоянного тока снабжены дополнительными полюсами.

Рис. 68.

Идея улучшения коммутации сводится к следующему:

Секция идет от южного полюса. Дойдя до щетки на нейтрали, секция начнет коммутировать и в ней наведется от скорости изменение тока ЭДС . Дополнительный полюс своим потоком наведет в коммутируемой секции ЭДС-e_k. Для того, чтобы ЭДС e_k была встречно с ЭДС e_r, необходимо, чтобы секция коммутировала в зоне противоположной полярности, т.е. полярность дополнительного полюса должна быть северной (N).

Обмотка дополнительного полюса включается последовательно с якорем. Это делается для того, чтобы с увеличением тока якоря одновременно изменялись ЭДС e_r и e_k.

Для того, чтобы B_kº I_a, необходимо, чтобы дополнительные полюса должны быть ненасыщенные и набираться из пакета листов электротехнической стали.

Определение числа витков дополнительного полюса

Число витков дополнительного полюса выбирается исходя из равенства ЭДС e_r=e_k.

обычно l»l_k, тогда B_k= . Исходя из индукции B_k, ведется расчет числа витков дополнительного полюса.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов складывается из двух частей:

Первая часть должна создать индукцию B_k,

Вторая часть должна компенсировать реакцию якоря, обычно эта часть больше.

F_q=F_aq+F_dg=AЕ+2 ,

где dg – зазор под дополнительным полюсом,

K_dg – коэффициент зазора.

Намагничивающая сила дополнительных полюсов

F_g=2I_aW_g, откуда W_g= .

Задавшись током I_a определяем линейную нагрузку А, а по А определяем В_k и F_g.

На практике для наладки коммутации снимают кривые безискровой коммутации и по ним производят коррекцию числа витков W_g или изменяют зазор dg для того, чтобы коммутация была прямолинейна.